離子導(dǎo)電聚合物防靜電劑在UV硬涂層中的應(yīng)用

劉玉磊，王 輝，王旭亮

（合肥樂(lè)凱科技產(chǎn)業(yè)有限公司，安徽合肥230041）

1 前言

1.1 概況

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜（簡(jiǎn)稱PET膜）因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能被大量用于汽車、家電、電子產(chǎn)品等產(chǎn)業(yè)中。特別是在平板顯示領(lǐng)域中，隨著向LCD、PDP、EL板以及FED等新一代平板顯示板深入，對(duì)PET的耐劃傷性能提出了更高的要求。在PET上涂覆一層UV固化硬涂層是目前常用的方法，UV硬涂層具有加工處理速度快、硬度高、耐劃傷性等優(yōu)異性能，總成本低。但是PET帶有高體積固有電阻，硬涂層的表面電阻也通常在1.0×1013Ω以上，摩擦容易在接觸面產(chǎn)生靜電吸附灰塵，甚至損壞電子元件。消除靜電較常用的方法是使用防靜電劑。可以在硬涂層和基材之間涂覆一層防靜電涂層，也可以在硬涂層上面涂覆一層防靜電涂層，而最簡(jiǎn)單的方法就是向硬涂層內(nèi)部添加防靜電劑。這些方法各有利弊，本文主要研究的是向硬涂層內(nèi)部添加防靜電劑。

1.2 防靜電劑的分類及作用機(jī)理

防靜電劑按其結(jié)構(gòu)可分為表面活性劑型、導(dǎo)電聚合物型以及金屬氧化物或金屬粉末型[1]。

1.2.1 表面活性劑型

表面活性劑被廣泛用作防靜電劑，根據(jù)其特征可分為吸濕性、極性和油性3類。吸濕性物質(zhì)可吸收大氣中水氣，使成膜物品表面形成一層薄的導(dǎo)電層，從而使靜電荷易于泄漏，這類物質(zhì)通常是長(zhǎng)鏈的非離子型表面活性劑。極性物質(zhì)也能在成膜物品表面形成導(dǎo)電層，其作用也與大氣濕度有關(guān)，但它在干燥氣候中仍具有較好的防靜電效果，這類物質(zhì)主要是陽(yáng)離子表面活性劑，如季銨鹽類防靜電劑。油性物質(zhì)能降低機(jī)器部件與塑料等制品間的摩擦作用，阻止電荷的產(chǎn)生，但是其用途受到一定的限制[2]。

1.2.2 導(dǎo)電聚合物型

導(dǎo)電聚合物是指高分子本身或經(jīng)過(guò)摻雜之后具有導(dǎo)電功能的材料。在導(dǎo)電聚合物中摻雜的載流子是孤子、極化子、雙極化子。載流子在材料中遷移引起電導(dǎo)[3]。此類材料有聚噻吩、聚吡啶、聚苯胺、聚乙炔、聚喹啉等共軛高分子。它們由于結(jié)構(gòu)中有共軛雙鍵，π電子可以在分子鏈上自由運(yùn)動(dòng)，載流子遷移率很大，因此具有較高的電導(dǎo)率[4]。

1.2.3 金屬氧化物或金屬粉末型

此類型是向體系中添加金屬單質(zhì)（Ag、Al、Pt、Cu等）、金屬氧化物（ITO、ATO等）或金屬纖維（銅纖維、鋁纖維、合金纖維），體系中導(dǎo)電粒子相互接觸或處于極靠近的位置，通過(guò)空氣或電解質(zhì)之間的熱釋電子而導(dǎo)電[5]。

1.3 硬涂層中使用的防靜電劑的特點(diǎn)

由于我們研究的硬涂層必須具備較高的透光率，而導(dǎo)電聚合物類和金屬氧化物類防靜電劑大多是具有藍(lán)、灰、綠或白的顏色，大量摻雜在硬涂層中會(huì)嚴(yán)重影響透光率，因此應(yīng)用領(lǐng)域比較小。表面活性劑類的小分子型防靜電劑，由于其耐久性差，對(duì)濕度要求高以及加工不穩(wěn)定性，也不適用于透明硬涂層。表面活性劑類的永久性防靜電劑是一類分子量相對(duì)較大的親水性高聚物，它們含有親油性大基團(tuán)，與樹(shù)脂有較好的相容性，因而效果穩(wěn)定、持久。我們選用的就是這類永久性防靜電劑——離子導(dǎo)電聚合物類防靜電劑。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原材料及設(shè)備

表1 實(shí)驗(yàn)原材料Tab.1 Experimentchem icals

K202臺(tái)式刮棒式涂布機(jī)（RK）；BY鉛筆硬度計(jì)（上海普申化工機(jī)械有限公司）；RP2680高絕緣電阻測(cè)試儀（北京瑞普電子儀器廠）；LT1KW-2型紫外光固化機(jī)（藍(lán)天特?zé)舭l(fā)展有限公司）。UV硬化液的制備同一般光固化涂料的配制方法。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將30份DPHA溶解到70份的丁酮中，攪拌后，加入0.1份流平劑BYK-333和1份光引發(fā)劑184，攪拌得到UV硬化液。快速攪拌，將一定份數(shù)的防靜電劑PC-5722緩慢加入到UV硬化液中，用絲棒在PET薄膜上涂覆。80℃揮發(fā)溶劑后，用紫外光固化機(jī)照射使之固化成膜即成硬涂層。

2.3 性能測(cè)試

硬涂層固化后，硬度采用GB6739（涂膜硬度測(cè)試法)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定，以鉛筆硬度表示；防靜電性用高絕緣電阻測(cè)試儀在相對(duì)濕度40%，溫度25℃環(huán)境下測(cè)試硬涂層的表面電阻；附著力按GB9286-88（劃格法）測(cè)定；硬涂層的厚度采用ASTM D374（固體電絕緣材料厚度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定；附著力采用ASTM D3359（膠帶法測(cè)試附著力的標(biāo)準(zhǔn)方法）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

2.4 結(jié)果與討論

2.4.1 防靜電劑的添加量與表面電阻的關(guān)系

添加不同比例的防靜電劑到UV硬化液中，用12g/m2的絲棒涂布，涂層干厚為3μm。從表2可以看出，隨著防靜電劑的增加，硬涂層的表面電阻逐漸下降?？瞻譖ET片基的表面電阻是1013Ω，而涂上硬涂層后，表面電阻是7×1012Ω。當(dāng)防靜電劑的量加到主體樹(shù)脂的25%時(shí)，表面電阻開(kāi)始明顯下降。當(dāng)防靜電劑的量達(dá)到40%時(shí)，表面電阻下降趨緩。防靜電劑少于25%時(shí)，防靜電劑遷移到硬涂層表面的太少，不足以產(chǎn)生有效的泄漏電荷的通道。隨著防靜電劑添加量的增加，防靜電劑分子在硬涂層內(nèi)和膜表面的緊密程度增加，在膜表面吸濕而形成的水膜的完整性增加，所以表面電阻減小。但是當(dāng)防靜電劑的添加量達(dá)到臨界濃度時(shí)，硬涂層表面的水膜已完整，隨著防靜電劑的進(jìn)一步添加，水膜的完整性不再有明顯的改善，所以表面電阻下降不明顯[6]。

表2 防靜電劑的不同添加量對(duì)應(yīng)的表面電阻值Tab.2 The change ofsurface resistance w ith the addition ofantistatic agent

2.4.2 硬涂層的厚度與表面電阻的關(guān)系

添加25%的防靜電劑，用不同的絲棒涂布，硬涂層的厚度與表面電阻的關(guān)系如表3。

表3 不同涂層厚度下的表面電阻值Tab.3 Variation ofsurface resistance w ith coating thickness

從表3可以看出，添加相同的防靜電劑，硬涂層越薄，表面電阻越有減小的趨勢(shì)。這是由于UV固化涂料的固化受空氣中的氧阻聚效應(yīng)的影響，涂膜越薄該效應(yīng)越嚴(yán)重，固化速度越慢，從而使防靜電劑越易遷移到涂膜表面，從而降低了表面電阻[7]。

2.4.3 防靜電劑對(duì)硬涂層硬度的影響

從圖1可以看出，防靜電劑含量占主體樹(shù)脂的30%以下，沒(méi)有明顯降低硬涂層的鉛筆硬度；但是當(dāng)含量提高到30%～45%時(shí)，鉛筆硬度降到2H；超過(guò)45%時(shí)，鉛筆硬度繼續(xù)下降到H。這說(shuō)明此類防靜電劑對(duì)硬涂層的硬度影響較大。防靜電劑分子吸附層的形成，削弱了硬涂層表面晶格、晶胞間的結(jié)合，從而消耗掉硬涂層分子間原先存在的部分結(jié)合力，使表面易于產(chǎn)生裂縫，硬度降低[2]。

2.4.4 防靜電劑對(duì)硬涂層附著力的影響

通過(guò)測(cè)試，當(dāng)防靜電劑的添加量大于主體樹(shù)脂的30%時(shí)，附著力明顯變差。這是由于涂料對(duì)基材的潤(rùn)濕作用和液體涂料與基材之間的分子間力的作用是影響附著力的兩個(gè)熱力學(xué)因素[8]。防靜電劑的加入，減少了成膜樹(shù)脂與PET基材之間的接觸面積，從而使硬涂層與基材間的分子間力減弱。從實(shí)驗(yàn)看出，防靜電劑的加入嚴(yán)重影響固化，固化程度越高，附著力越好，深層固化對(duì)附著力有重要的影響，防靜電劑使深層固化不良導(dǎo)致附著力降低[9]。

2.4.5 防靜電劑的耐久性測(cè)試

為了試驗(yàn)防靜電劑的耐久性，進(jìn)行了一組在自然條件下，防靜電劑含量不同的硬涂層的存放試驗(yàn)。

通過(guò)表4可以看出，經(jīng)過(guò)150天的自然存放，硬涂層的表面電阻沒(méi)有發(fā)生太大的變化，說(shuō)明此種防靜電劑的耐久性能是比較好的。這是因?yàn)槲覀兪褂玫氖谴蠓肿拥碾x子聚合物防靜電劑，其從硬涂層內(nèi)部遷移到表面的速度較慢，所以有效期比較長(zhǎng)。

表4 表面電阻隨時(shí)間的變化Tab.4 Variation ofsurface resistance w ith time

2.4.6 硬涂層的耐擦洗性能

我們把防靜電劑含量為50%的樣片放入清水中，用軟布輕輕擦拭10遍，烘干后再測(cè)試其表面電阻，電阻值由6.0×107Ω降為1.6×109Ω。說(shuō)明此種防靜電劑并沒(méi)有耐擦洗性能。這是因?yàn)榉漓o電劑沒(méi)有參與硬涂層成膜時(shí)的交聯(lián)反應(yīng)，僅僅是物理的摻雜于硬涂層中，所以不能與硬涂層牢固地結(jié)合在一起。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們得出，防靜電劑的添加量在25%左右，涂層厚度為3μm時(shí)，硬涂層的防靜電性能滿足要求，并且硬涂層的其它性能沒(méi)有受到太大的影響。

3 紫外固化體系中防靜電劑的改進(jìn)方向

由以上實(shí)驗(yàn)可以看出，離子導(dǎo)電聚合物防靜電劑在透明UV固化硬涂層體系中是適用的，但是有一定的局限性。為了達(dá)到理想的防靜電效果，需要添加大量的防靜電劑，這在一定程度上影響了硬涂層的其它性能，而且防靜電劑和硬涂層是純物理混合，不具備耐擦洗性能。

為了解決這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外一些人開(kāi)發(fā)了含有活性基團(tuán)的防靜電劑[9-10]，涂膜進(jìn)行紫外光輻射固化時(shí)，能夠直接參與固化反應(yīng)，與硬涂層的樹(shù)脂組分進(jìn)行化學(xué)結(jié)合，因此具有很好的耐水洗性能，并且不會(huì)影響硬涂層的其它性能。但是這些防靜電劑的防靜電性能還不能令人滿意，并且還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。

因此，開(kāi)發(fā)具有更好防靜電效果，并且具有活性基團(tuán)的防靜電劑是透明UV固化硬涂層領(lǐng)域今后的研究方向。

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