單一窄波段光吸收涂層的制備及性能研究*

胡　露，楊　柱**，張小平，鄧康清（.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽(yáng) 44003；2.湖北省低維光電材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽(yáng) 44003）

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單一窄波段光吸收涂層的制備及性能研究*

胡露1,2，楊柱1,2**，張小平1，鄧康清1
（1.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽(yáng) 441003；2.湖北省低維光電材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽(yáng) 441003）

摘要：以納米吸光染料為光吸收劑，羥基丙烯酸酯為預(yù)聚物樹脂，光學(xué)級(jí)聚酯（PET）薄膜為基材，采用濕法涂布的方式制備了660nm單一窄波段光吸收涂層。分別研究了光吸收劑添加量和涂層厚度對(duì)其光學(xué)性能的影響，并探索了吸收劑用量與涂層吸光度之間的關(guān)系。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著光吸收劑添加量和涂層厚度的增加，涂層的全光線透過(guò)率急劇下降，霧度增大，光澤度降低；此外，吸收劑用量與涂層吸光度之間存在良好的線性關(guān)系，可為吸收劑用量的確定提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：光吸收；功能涂層；光學(xué)功能薄膜；透光率

前言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，光學(xué)功能涂層材料的研究與應(yīng)用日趨廣泛，在軍民技術(shù)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用也越來(lái)越成熟。光學(xué)功能涂層是指具有特定光學(xué)等物理性能（如吸收、反射、干涉、散射和透射等），作用于基材表面，有著專門用途的一類材料[1,2]。如將光學(xué)功能涂層作用在透明高分子聚合物基體薄膜表面制備光學(xué)功能薄膜，可大幅提高產(chǎn)品附加值，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。例如在液晶顯示器、等離子顯示器及其背光源領(lǐng)域，平板電腦、智能手機(jī)觸摸屏領(lǐng)域以及建材家居和汽車等相關(guān)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景[3～5]。

目前光學(xué)功能涂層的制備方法主要集中在磁控濺射、真空蒸發(fā)、化學(xué)沉積等途徑[6～8]，這些方法所需設(shè)備成本較高，生產(chǎn)條件比較苛刻；同時(shí)隨著移動(dòng)顯示終端產(chǎn)品進(jìn)一步薄型化、輕便化和柔性化，柔性基材逐漸取代玻璃基材是未來(lái)發(fā)展的必經(jīng)之路；此外，光吸收型涂層由于對(duì)特定波長(zhǎng)光具有強(qiáng)吸收作用，能實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)光線的有效防護(hù)，且不受入射光角度的影響，因而應(yīng)用前景十分廣闊[9]。為此，本文采用濕法涂布的簡(jiǎn)便途徑在光學(xué)級(jí)透明聚酯薄膜表面制備了660nm單一窄波段光吸收涂層，同時(shí)研究了光吸收劑添加量和涂層厚度對(duì)其光學(xué)性能的影響，并探索了吸收劑用量與涂層吸光度之間的關(guān)系，得出了吸收劑用量和涂層吸光度之間的關(guān)系曲線，為確定吸收劑用量提供了一定的理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原材料和儀器

1.1.1原材料

納米吸光染料（牌號(hào)IRA6MK，德國(guó)紅外吸收產(chǎn)品），羥基丙烯酸酯樹脂（牌號(hào)SEN-1250，韓國(guó)巨明化學(xué)公司），聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜（牌號(hào)A4300，光學(xué)級(jí)，厚度100μm，日本東洋紡公司），固化劑（牌號(hào)N75,德國(guó)拜耳公司），二氯甲烷和丁酮等溶劑均為分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2儀器

透光率霧度儀：NDH-5000，日本電色公司；連續(xù)變倍體視光學(xué)顯微鏡：XYL-3400，上海精密儀器儀表有限公司；光澤度儀：JFL-BZ20°、60°、85°智能型光澤度計(jì)，天津市金孚倫科技有限公司；紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)：LAMBDA900，美國(guó)PE公司；太陽(yáng)膜透過(guò)率測(cè)量?jī)x：LS160，深圳市林上科技有限公司。

1.2單一窄波段光吸收涂層的制備

光吸收涂層涂布液主要由光吸收劑、預(yù)聚物樹脂、固化劑和溶劑等組成。首先在室溫下，將一定量的納米吸光染料作為光吸收劑溶于二氯甲烷溶劑中，然后向光吸收劑溶液中按照配方比例依次加入羥基丙烯酸酯樹脂、固化劑和丁酮溶液，并攪拌均勻，即得光吸收涂層涂布液。

將所配制的光吸收涂層涂布液使用網(wǎng)線棒均勻地涂布到光學(xué)級(jí)透明PET基材一面，將涂層在100℃下干燥2min，待溶劑揮發(fā)，即得具有特定光波段吸收性能的光吸收涂層。

1.3測(cè)試方法

（1）全光線透過(guò)率和霧度：按照ASTMD1003標(biāo)準(zhǔn)，采用NDH-5000透光率霧度儀進(jìn)行測(cè)定，控制每個(gè)樣品不同位置處四個(gè)點(diǎn)的全光線透過(guò)率和霧度值誤差在5%內(nèi)即為合格，并取其平均值。

（2）涂膜厚度：采用CH-1-S型薄膜厚度儀進(jìn)行測(cè)定。

（3）表觀形貌：采用XYL-3400連續(xù)變倍體視光學(xué)顯微鏡觀察涂層表觀形貌。

（4）光澤度：按照ISO2813-2014標(biāo)準(zhǔn)，采用光澤度儀對(duì)涂層的60°鏡面光澤進(jìn)行測(cè)定，每組涂層至少測(cè)5個(gè)數(shù)據(jù)，并取其平均值。

（5）光學(xué)透過(guò)率：采用太陽(yáng)膜透過(guò)率測(cè)量?jī)x測(cè)試涂層的紫外線、可見光和紅外線的光學(xué)透過(guò)率。

（6）光譜透過(guò)率：采用紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)測(cè)試涂層的光譜透過(guò)率，其中掃描速度：紫外-可見750nm/min，近紅外1500nm/min；狹峰寬度：紫外-可見2nm，近紅外1nm。

2　結(jié)果與討論

2.1吸收劑添加量對(duì)涂層光學(xué)性能的影響

選擇納米吸光染料作為光吸收劑，制備了一系列不同吸收劑含量的光吸收涂層，并測(cè)試其光學(xué)性能。表1描繪了吸收劑添加比例對(duì)涂層光學(xué)性能的影響情況。

表1　吸收劑比例對(duì)光學(xué)性能的影響Table 1　The effect of absorber proportion on the optical properties

從表1可以看出，在涂層厚度相同的情況下，隨著光吸收劑添加比例的增加，涂層全光線透過(guò)率下降，其中可見光波段透過(guò)率急劇下降，而紅外波段透過(guò)率不變；此外霧度略微增大，光澤度降低。這表明所添加的光吸收劑對(duì)可見光區(qū)光線具有很強(qiáng)的吸收能力，且隨著光吸收劑比例的增加，一方面單位涂層面積吸收劑數(shù)量的增多，導(dǎo)致吸光能力增強(qiáng)；另一方面，涂層表面粗糙度有所增加，導(dǎo)致光線在涂層表面的折射作用增強(qiáng)，從而使得涂層的霧度增大而光澤度降低。

圖1　不同吸收劑含量的光譜透過(guò)率曲線Fig.1　The spectrum transmittance of coatings with different absorber proportions

圖1為含有不同吸收劑比例（涂層厚度3～4μm）的涂層在300～1000nm光譜范圍內(nèi)的透過(guò)率曲線。由圖可知，該涂層在660nm附近有一個(gè)明顯增強(qiáng)的吸收峰，而在450～500nm以及750nm以上區(qū)域吸收幾乎沒有變化，說(shuō)明該光吸收劑對(duì)660nm波段的光具有很好的特定吸收作用；并且隨著吸收劑添加量的增加，在660nm附近的吸收逐漸增強(qiáng)；當(dāng)光吸收劑含量達(dá)到0.6wt%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，其最大吸收不再增加，說(shuō)明其吸收已經(jīng)達(dá)到飽和，再增加吸收劑含量，對(duì)其光吸收性能的提高影響不大。

圖2　不同吸收劑添加量涂層光學(xué)顯微鏡圖Fig.2　The optical microscope photographs of coatings with different absorber proportions

圖2是不同吸收劑添加量涂層的光學(xué)顯微鏡照片。由圖2可見，隨著光吸收劑含量的增加，單位面積吸光物質(zhì)數(shù)量逐漸增加，同時(shí)表面粗糙度增大，從而使得光在涂層表面的折射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致霧度變大，光澤度降低。此外，涂層在光照下的表觀顏色逐漸由紅棕色變?yōu)樗{(lán)綠色，這是由于涂層含有的吸光物質(zhì)對(duì)650～700nm波段范圍內(nèi)的紅色可見光具有很強(qiáng)的吸收能力，從而使涂層呈現(xiàn)其補(bǔ)色，即藍(lán)綠色。

2.2涂層厚度對(duì)涂層光學(xué)性能的影響

選用不同目數(shù)的網(wǎng)線輥，固定光吸收劑含量為0.2wt%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），制備相同配比涂布液條件下不同的涂層厚度（固化后），測(cè)試不同涂層厚度對(duì)其光學(xué)性能的影響，結(jié)果如表2所示。

表2　涂層厚度對(duì)光學(xué)性能影響Table 2　The effect of thickness of coatings on the optical properties

除了光吸收劑添加量不同會(huì)影響涂層的光學(xué)性能外，涂層厚度對(duì)其光學(xué)性能也具有十分重要的作用。從表2可以看出，在涂布液配方比例相同的情況下，隨著涂層厚度的增加，全光線透過(guò)率明顯下降，其中可見光波段透過(guò)率急劇下降，而紅外區(qū)透過(guò)率不變；此外涂層霧度增大，光澤度降低。這是由于隨著涂層厚度的增加，單位面積吸光物質(zhì)數(shù)量逐漸增加，同時(shí)表面粗糙度增大，從而使得光在涂層表面及內(nèi)部的折射和散射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致霧度變大，光澤度降低。

圖3為通過(guò)紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)測(cè)得的不同厚度涂層在300～1000nm光譜范圍內(nèi)的透光率曲線。由圖3可見，該涂層在660nm波長(zhǎng)處有很強(qiáng)的吸收，且隨著涂層厚度的增加，在該波段處的吸收逐漸增強(qiáng)；當(dāng)涂層厚度達(dá)到5～6μm后，其在該處的透光率趨于0，再增加涂層厚度，涂層在該處的吸收增加不明顯，反而會(huì)導(dǎo)致其他波段處的透光率降低。

圖3　不同厚度涂層的光譜透過(guò)率曲線Fig.3　The spectrum transmittance of coatings with different thickness

2.3光吸收劑用量與涂層吸光度之間關(guān)系

為了進(jìn)一步探索光吸收劑用量與涂層吸光度之間的關(guān)系，在涂層厚度（3～4μm）相同的情況下，選擇其最大波長(zhǎng)吸收處進(jìn)行了分析，根據(jù)不同光吸收劑用量涂層的透光率得到其對(duì)應(yīng)的吸光度值（如表3所示），從而獲得涂層吸光度與相應(yīng)吸收劑用量之間的關(guān)系如圖4所示。

表3　涂層660nm處透過(guò)率與吸光度關(guān)系表Table 3　The relationship between light transmittance and absorbance of coatings at 660nm wavelength

從圖4可以看到，在涂層厚度相同的情況下，隨著光吸收劑用量的增加，涂層對(duì)應(yīng)的吸光度也隨之增大；當(dāng)吸收劑用量在≤1.0wt%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）水平時(shí)，涂層的吸光度與吸收劑用量呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，其相關(guān)性R2達(dá)0.9763，符合Lambert-Beer定律的描述，在理想的條件下（無(wú)反射）物質(zhì)的吸光度與吸光物質(zhì)的濃度和吸收層的厚度成正比，即

其中，A為吸光度；T為透光率；k為吸收系數(shù)，單位為L(zhǎng)·g-1·cm-1；l為吸收介質(zhì)的厚度，單位為cm；c為吸光物質(zhì)的濃度，單位為g·L-1。因此，可以把此關(guān)系曲線作為確定該吸收劑用量的基礎(chǔ)，為以后光學(xué)吸收涂層的研究和應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

圖4　涂層吸光度與吸收劑用量關(guān)系曲線Fig.4　The relationship between absorbance of coatings and absorber proportion

3　結(jié)論

（1）通過(guò)濕法涂布的簡(jiǎn)便方法制備了660nm單一窄波段光吸收涂層，涂層在660nm附近具有很好的吸收效果；當(dāng)光吸收劑添加量為0.6wt%時(shí)（涂層厚度3～4μm），其在660nm波段處的透光率趨于0。

（2）隨著光吸收劑添加量和涂層厚度的增加，涂層全光線透過(guò)率下降，其中可見光波段透過(guò)率急劇下降，而紅外區(qū)透過(guò)率不變，此外涂層霧度增大，光澤度降低。

（3）當(dāng)光吸收劑添加量在≤1.0wt%水平時(shí)，涂層的吸光度與吸收劑添加量呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，相關(guān)性R2達(dá)0.9763，符合Lambert-Beer定律的描述，可以把此關(guān)系作為確定吸收劑用量的基礎(chǔ)。

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Study on the Preparation and Property of Single Narrowband Light Absorption Coatings

HU Lu1,2,YANG Zhu1,2,ZHANG Xiao-ping1and DENG Kang-qing1
（1.Hubei Institute of Aerospace Chemotechnology,Xiangyang,441003,China;2.The Key Laboratory of Low Dimension Photoelectric Material and Devices of Hubei Province,Xiangyang,441003,China）

Abstract:The single narrowband light absorption coatings at 660nm wavelength were prepared by wet coating method with nano-dyes as light absorber,hydroxyl acrylate as prepolymer resin and optical grade polyester（PET）film as substrate.The effect of absorber proportion and thickness of coatings on the optical properties was studied,and the relationship between absorbance of coatings and absorber proportion was investigated.The results showed that the total transmittance of coatings significantly reduced,the haze gradually increased and the glossiness decreased with increasing the proportion of absorber and the thickness of coatings;in addition,the absorbance of coatings and the proportion of absorber showed a good linear relationship,which could provide a theoretical basis for determining the amount of absorber.

Key words:Light absorption;functional coatings;optical functional film;transmittance

中圖分類號(hào)：TQ637.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-0017（2016）03-0161-04

收稿日期：2015-12-10

*基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：2014CFA095）

作者簡(jiǎn)介：胡露（1989－），男，湖北武漢人，碩士，主要從事功能性涂層與薄膜材料等的研究及開發(fā)。

**通訊聯(lián)系人：楊柱，博士，高級(jí)工程師。