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PET膜用氟碳溶胶涂层性能研究
PET膜用氟碳溶胶涂层性能研究
引言
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是一种热塑性塑料,由于其优异的力学性能、化学稳定性及透光性而被广泛用于药品、食品和饮料行业的包装以及新兴IT 产品屏幕保护。但它也有一些不足,如耐磨性差,对CO2、O2阻隔性差、表面自清洁性能不足等。为了扩展其应用,人们常常对PET 表面进行改性。常见方法有表面接枝、表面涂层、多层共挤以及通过无机纳米粒子共混改性。相比其他方法,利用涂层改性由于方法简单、成本低、不影响基底原有性能,能够工业化而备受关注。
氟碳涂料
具有很多优点,如高耐热性、低介电性能、高表面疏水/疏油性、低反射率等。但也有缺点,*明显的是它与塑料基底的附着性能欠佳。另外,油性
氟碳涂料
所用溶剂常会溶胀塑料基底,导致基底薄膜透明性变差。而水性氟碳涂料由于含亲水性组分,涂层耐水性欠佳,接触角通常只有70~80°(远低于120°峰值)。本文以含氟硅氧烷和其它硅氧烷的混合水解液为溶胶,将其涂覆于PET 薄膜上,烘干固化后,获得了与基底附着性能好、透明度高、表面超疏水的氟碳涂层,扩展了PET 膜的应用。
1 实验部分
1.1 原材料
十七氟癸基三乙氧基硅烷(FAS-17):泉州市思康新材料有限公司;γ-氨丙基三乙氧基硅烷(3-APS):Aldrich;PET 薄膜:杭州光典薄膜材料有限公司;无水乙醇:分析纯,安徽安特食品股份有限公司;盐酸:分析纯,华东医药股份有限公司。
1.2 含氟溶胶的制备
在一定量的乙醇/水混合液中,控制3-APS 的量为总体积比的2.5%,加入不同比例的FAS-17 溶液,再加入一定量的盐酸,调节溶液pH 值至3~4,常温常压下磁力搅拌0.5 h,得到透明含氟溶胶备用。
1.3 PET 处理及涂层制备
将PET 膜浸入1∶1 体积比的乙醇/水混合液中0.5 h(以除去表面油渍),然后再浸入质量分数为10%的氢氧化钠水溶液中,保持温度50 ℃(碱降解以使表面引入活泼的羟基和羧基),60 min 后取出,用蒸馏水冲洗干净,干燥待用。用涂膜器将上述含氟溶胶涂覆于表面经碱降解处理的PET 膜上,控制涂膜厚度为10 μm,在120 ℃下烘0.5 h,即得一层透明涂层。
1.4 分析测试
用表面全反射傅立叶变换红外光谱(ATR-FTIR)表征涂层内基团,用紫外-可见-近红外分光光度计测试薄膜/涂层的可见光透射率,用接触角(WCA)测试表征PET 膜涂覆含氟涂层前后浸润性变化,用X 射线荧光光谱仪(XRF) 测定涂层表面氟含量;依据GB/T6739—2006 和GB/T 9286—1998 对涂层的硬度和附着力进行测试。
2 结果与讨论
2.1 FTIR 谱图
图1 为涂层ATR-FTIR 图谱,表1 为硅氧烷凝胶涂层中理论上特征基团及其对应吸收峰位置。
由此可知,所得涂层的确形成了硅氧烷凝胶。该凝胶应是溶胶干燥过程中,硅羟基相互脱水缩合、高度交联形成的(形成了Si—O—Si 键)。当然,涂层内仍会有未参与脱水反应的自由硅羟基(Si—OH)。不仅如此,由于PET 表面作过碱降解处理,硅羟基也会与PET表面的羟基发生脱水反应。因为溶胶是由含氟硅氧烷和含末端胺基硅氧烷混合而成,故图谱中亦可见C—F键和C—NH2基团。当然,亚甲基—CH2会一直从单体带到交联涂层中。
2.2 薄膜涂层光透过率分析
PET 拥有优异的可见光透过率,如图2 所示,透过率基本上都在90%以上,而在涂覆一层氟碳凝胶后,可见光透过率只是略微下降,但仍在90%以上,这主要是因为含氟硅氧烷凝胶涂层透明度好,而且涂层很薄(<1 mm)的缘故。
2.3 涂层接触角
图3 为FAS- 17 用量对所得涂层水接触角的影响。由图3 可以看到,原始PET 膜表面的水接触角约为72°,而涂覆含氟硅氧烷含量为0.25%(体积分数,下同) 的氟硅溶胶后,所得涂层水接触角就已经超过105°,表现出非常明显的疏水性能。当氟硅溶胶中含氟硅氧烷含量超过0.5%后,涂层的水接触角达到118°(接近PTFE 表面的接触角,呈超疏水性能)。其后再增加含氟单体的用量,相应涂层的水接触角基本不变。超疏水表面理论上具有自清洁、防污能力。
上述涂层之所以表现出很好的疏水性能,应该与表面氟含量密切相关。从图4 中也可以看到,随溶胶中含氟硅氧烷体积分数的上升,所得涂层表面实际氟含量也有所上升。当溶胶中含氟单体FAS 含量达到0.2%时,涂层表面含氟量达到了0.70%(质量分数),其后再随FAS 用量增加,由于涂层表面已经被含氟链堆积,涂层表面氟含量保持基本不变。
2.4 涂层力学性能
涂层的硬度及其与基底的附着力直接影响到涂层能否正常使用,由于PET 表面活性点比较少,怎么使涂料牢固附着在其表面,是一个重要问题。表2 为涂层硬度和附着力测试结果,可见含氟涂层与PET 基底的附着力均为0 级。这是由于硅氧烷水解后形成的羟基可与PET 表面碱降解生成的羟基发生脱水反应,形成共价键,参与了涂层内分子链的交联,因此含氟涂层与PET 基底附着性能良好。
由表2 可知,PET 膜的表面硬度为2 H,但在涂覆涂层后,硬度从2 H 提高到3 H,说明涂层对基底表面硬度有一定提高作用。该作用应来自于溶胶干燥过程中硅羟基相互脱水缩合(即所谓凝胶化)形成的高度交联结构。
3 结语
以十七氟癸基三乙氧基硅烷(FAS)与γ-氨丙基三乙氧基硅烷(3-APS)反应生成的溶胶为涂料,涂覆在PET 基底上,固化后形成了透明、超疏水、与基底附着力良好的涂层,为拓展PET 膜应用提供了基础。同时,如能在溶胶中添加功能性纳米粒子(如锑掺杂氧化锡即ATO),则有望制备具有透明隔热和自清洁功能的PET贴膜。
上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件 的高科技企业,公司成立2005年,专业的光电镀膜公司,公司产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工;光学透镜、反射镜、棱镜等光学镀膜产品的开发和生产,为全球客户提供上等的产品和服务。
采用德国薄膜制备工艺,形成了一套具有严格工艺标准的闭环式流程技术制备体系,能够制备各种超高性能光学薄膜,包括红外薄膜、增透膜,ARcoating, 激光薄膜、特种薄膜、紫外薄膜、x射线薄膜,应用领域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、医用激光器、红外制导、面部识别、VR/AR应用,博物馆,低反射橱窗玻璃,画框等。
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