一種PET薄膜表面改性方法的探究

王甲乙孫晨薇華飄馨仇露青闞彩俠

(1.南京航空航天大學(xué)理學(xué)院， 江蘇 南京 210000；

2.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 江蘇 南京 210000)

一種PET薄膜表面改性方法的探究

王甲乙2孫晨薇1華飄馨1仇露青1闞彩俠1

(1.南京航空航天大學(xué)理學(xué)院， 江蘇 南京 210000；

2.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 江蘇 南京 210000)

PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二酯)薄膜具有良好的光學(xué)性能，而對(duì)PET的表面改性一直是PET薄膜研究中的重點(diǎn)。PET的表面改性有多種方法，本工作就“表面涂覆”這一方法進(jìn)行相關(guān)探究，采用一定濃度的金屬鹽溶液，并與一定的溶質(zhì)混合制備成為膠體，從而使得PET薄膜具有更加優(yōu)良的綜合特性，并對(duì)其中部分機(jī)理進(jìn)行推斷性探究。

PET；選擇性透過(guò)；表面處理

0 引言

PET膜又名耐高溫聚酯薄膜，它具有優(yōu)異的物理性能與化學(xué)性能，可廣泛的應(yīng)用于磁記錄、感光材料、電子、電氣絕緣、工業(yè)用膜、包裝裝飾、屏幕保護(hù)、光學(xué)級(jí)鏡面表面保護(hù)等領(lǐng)域。在高分子材料應(yīng)用越來(lái)越廣的當(dāng)今社會(huì)，對(duì)于PET的性能研究也具有了重要的意義[1]。

1 改性方法

為了得到更加綜合優(yōu)良的PET材料，通常需要以PET薄膜為基體，加以改性，目前較廣泛的方法有[2][3]。

(1)機(jī)械處理：利用機(jī)械方法處理PET薄膜表面，使得其表面物理性能發(fā)生變化，比如粗糙度的變化，從而達(dá)到與材料更大的接觸面積以增強(qiáng)PET薄膜表面附著力。

(2)化學(xué)處理：采用化學(xué)試劑對(duì)PET薄膜進(jìn)行改性，使其表面的物理化學(xué)性質(zhì)得到改變。

(3)表面改性劑處理：利用一種同時(shí)含有親無(wú)機(jī)基團(tuán)和親有機(jī)基團(tuán)兩種不同性質(zhì)的官能團(tuán)的物質(zhì)，從而改善PET薄膜和無(wú)機(jī)鍍層之間的界面作用，提高同無(wú)機(jī)鍍層的附著能力。

(4)表面涂覆：指在PET薄膜表面涂覆相關(guān)改進(jìn)材料，從而改善表面性能弱項(xiàng)，拓寬其應(yīng)用范圍。

以上為PET表面改性的部分方法。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 PET薄膜的光學(xué)測(cè)試

本工作旨在“表面涂覆”這一方法進(jìn)行探究。

圖1給出了單獨(dú)的PET薄膜的透光性測(cè)試圖像，可以看出在紫外光區(qū)域透過(guò)率為零，在可見光與紅外光區(qū)域具有良好的透過(guò)性。(見圖1)

圖1

2.2 圖象分析

對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行探究，光與材料的相互作用實(shí)際上是光子與固體材料中的原子，離子，電子的相互作用，其中相互作用的結(jié)果表現(xiàn)在①電子極化：在可見光的頻率范圍內(nèi)，電磁波的電場(chǎng)分量與傳播過(guò)程中的每一個(gè)原子都發(fā)生作用，引起電子極化，造成電子云和原子核電荷中心發(fā)生相對(duì)位移，使得光的一部分能量被吸收，光的速度減小，導(dǎo)致折射產(chǎn)生。②電子能態(tài)轉(zhuǎn)變：光子被吸收和發(fā)射，使得電子能態(tài)得到轉(zhuǎn)變?？紤]一孤立的原子，該原子吸收了光子能量后可能將E2能級(jí)上的電子激發(fā)到能量更高的E3上，電子發(fā)生的能量變化△E=hv32。式中：h為普朗克常量，v32為入射光子的頻率，但需要明確電子的能級(jí)是分立的，即只有能量為△E的光子才可以被該原子吸收。[4]

而根據(jù)電子軌道的計(jì)算結(jié)果，電子軌道能級(jí)的能量以反鍵σ軌道最高，而n軌道的能量介于成鍵軌道與反鍵軌道之間。分子軌道能級(jí)的高低次序如下：

見圖2。

電子躍遷類型與分子結(jié)構(gòu)及其存在的基團(tuán)有密切的關(guān)系，可以根據(jù)分子結(jié)構(gòu)來(lái)預(yù)測(cè)可能的電子躍遷，例如飽和烴σ→σ*，烯烴σ→σ*、π→π*，脂肪醚σ→σ*、n→σ*，醛酮π→π*、n→σ*、σ→σ*、n→π*。在四種電子躍遷類型中，σ→σ*躍遷和n→σ*躍遷上產(chǎn)生的吸收帶波長(zhǎng)處于真空紫外區(qū)。π→π*躍遷和n→π*躍遷所產(chǎn)生的吸收帶除某些孤立雙鍵化合物外，一般都處于近紫外區(qū)，它們是紫外吸收光譜所研究的主要吸收帶。

由π→π*躍遷和n→π*躍遷所產(chǎn)生的吸收帶可分為下述四種類型[5][6]。

(1)R吸收帶由含有氧、硫、氮等雜原子的發(fā)色基團(tuán)(羰基、硝基)n→π*躍遷所產(chǎn)生，吸收波長(zhǎng)長(zhǎng)，吸收強(qiáng)度低，如乙醛290nm。

圖2

(2)K吸收帶由含有共軛雙鍵(丁二烯、丙烯醛)的π→π*躍遷所產(chǎn)生，K吸收帶波長(zhǎng)大于200nm，吸收強(qiáng)度強(qiáng)。

(3)B吸收帶是閉合環(huán)狀共軛雙鍵的π→π*躍遷所產(chǎn)生的，是芳環(huán)化合物的主要特征吸收峰。吸收波長(zhǎng)長(zhǎng)，吸收強(qiáng)度低，如苯256nm。

(4)E吸收帶芳香化合物的特征吸收帶，有兩個(gè)吸收峰，分別為E1帶和E2帶，E1的吸收約在180nm，E2的吸收約在200nm，都是強(qiáng)吸收，E1的吸收帶是觀察不到的，當(dāng)苯環(huán)上有發(fā)色基團(tuán)且與苯環(huán)共軛時(shí)，E2的吸收帶常和K吸收帶合并，吸收峰向長(zhǎng)波移動(dòng)。

因此，針對(duì)圖1，即對(duì)PET薄膜進(jìn)行機(jī)理分析，PET 為高分子材料，又叫聚對(duì)苯二甲酸乙二酯，且PET含有苯環(huán)，屬于芳香烴化合物，所以對(duì)于PET主要是由閉合環(huán)狀雙鍵的π →π*躍遷所產(chǎn)生的，即主要有B吸收帶造成，也是芳環(huán)化合物的主要特征吸收，主要在近紫外區(qū)300nm處，在圖1可以看到相對(duì)應(yīng)的光譜。

3 涂覆層的材料選取

3.1 膠體的成分

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)，較重金屬鹽離子對(duì)與紅外光有一定的吸收作用，本工作基于這一原理，通過(guò)表面涂覆這一方法將PET進(jìn)行改性，使其具有對(duì)于可見光的高透過(guò)性的基礎(chǔ)下，兼有對(duì)紫外光與紅外光的吸收作用，即選擇性透過(guò)。

為使得金屬鹽與PET的表面良好的結(jié)合，而考慮到金屬鹽與PET之間親和性較差，故需要良好的介質(zhì)作為橋梁使得金屬鹽與PET可以充分結(jié)合而不易脫離。經(jīng)過(guò)探究發(fā)現(xiàn)PVP具有與多種無(wú)機(jī)酸鹽相容的性質(zhì)，且本身幾乎沒(méi)有毒性，配置成膠體又具有一定的黏性，有良好的透光性，故作為溶質(zhì)與金屬鹽溶液配置成膠體，對(duì)PET薄膜進(jìn)行表面涂覆[7][8]。(見圖3)

圖2為PVP結(jié)合PET薄膜的透光性測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)其與單獨(dú)的PET薄膜具有相似的圖像，其原理在于PVP含有羰基以及N元素且同為高分子物質(zhì)，故對(duì)近紫外光區(qū)具有一定的吸收性。因此PVP的添加不會(huì)影響到原有成分的光學(xué)性質(zhì)。

3.2 金屬元素的選取

其次對(duì)作為金屬鹽成分的金屬元素進(jìn)行探究，本工作采用幾種較為常見的相對(duì)原子質(zhì)量較大的元素Cu，Ag，Ni，F(xiàn)e分別進(jìn)行透光測(cè)試，其光學(xué)圖像見如下幾圖。(見圖4～圖7)

由圖3、圖4、圖5、圖6可以看到Cu鹽溶液的光學(xué)圖像相比于其他金屬鹽光學(xué)圖像具有最佳的選擇透過(guò)性，且銅元素比較容易獲取，因此銅元素為最佳涂覆元素。

且由圖3可以看出，不同種類的銅鹽溶液光譜，其具有的共同特點(diǎn)是對(duì)紅外與紫外的雙向吸收性。但是在可見光的透過(guò)光譜峰值產(chǎn)生了一定的差別，經(jīng)過(guò)探索發(fā)現(xiàn)該峰值的差異在于銅鹽膠體本身的顏色，研究發(fā)現(xiàn)CuCl2為綠色溶液，對(duì)應(yīng)在光譜峰值處的波長(zhǎng)在590nm，而Cu(NO3)2為藍(lán)色，對(duì)應(yīng)的光譜峰值在430nm。而通過(guò)選用與CuCl2帶有相同顏色的透明不含銅鹽的材料進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見圖8[9]。

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

由圖7可看出該帶色透明材料產(chǎn)生了與CuCl2相近的峰值，都在550nm左右，區(qū)別在于在紅外光區(qū)沒(méi)有吸收性能。該原因不難理解在于帶色透明材料本身的屬性造成了只有其顏色波長(zhǎng)附近的可見光可以透過(guò)，而其他的可見光部分則被吸收。而針對(duì)以上幾圖在紅外光部分產(chǎn)生的吸收現(xiàn)象，可解釋為當(dāng)紅外光透過(guò)金屬鹽時(shí)，金屬鹽內(nèi)部的離子彈性振動(dòng)與光子輻射產(chǎn)生諧振消耗能量所致[10][11]。

3.3 表面改性后的PET薄膜光學(xué)測(cè)試

綜上，對(duì)具有以銅鹽(本次測(cè)量選用CuCl2)為涂覆金屬鹽材料，與PVP配置成為膠并

進(jìn)行PET薄膜的表面涂覆，待涂層充分且均勻地涂覆后進(jìn)行透光性測(cè)試，結(jié)果圖9。

圖9

由圖9可以看出該經(jīng)過(guò)表面涂敷改性處理的PET薄膜在具有良好的可見光透過(guò)率上，還兼有良好的選擇透過(guò)性，具備了更加優(yōu)異的綜合性能。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代社會(huì)高分子材料與人類的生活密切相關(guān)，而對(duì)于高分子材料的性能探究則從未停止。PET膜是一種具有廣闊前景的材料，對(duì)PET的改性歷來(lái)被科研人員所重視，其方法多種多樣[12]，本工作僅是對(duì)其中的一種方法即“表面涂覆”做一定的探究，并最終得出一種具有優(yōu)良的選擇性透過(guò)的改性PET薄膜材料。在其他方法上面，相信都可以通過(guò)探究得到良好性能的PET改性材料。

對(duì)于該改性PET薄膜的應(yīng)用上，在建筑工程上有著良好的發(fā)展前景，在城市建筑的幕墻上、工廠與實(shí)驗(yàn)室的透光玻璃上都可以應(yīng)用，從而使得室內(nèi)的人或者重要儀器與藥品得到保護(hù)，避免紫外線與紅外線的影響；對(duì)于PET薄膜的改性研究進(jìn)展過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題，同時(shí)也引起了新的思考與展望，如：涂覆過(guò)程中難以避免的氣泡問(wèn)題、涂覆材料與PET薄膜表面的結(jié)合強(qiáng)度問(wèn)題，這些都對(duì)科研者提出了新的挑戰(zhàn)，PET是一種重要的高分子材料，對(duì)于其性能的研究不僅體現(xiàn)在化工上面，也體現(xiàn)在對(duì)于科學(xué)研究的不懈追求，未來(lái)的PET改性方法一定會(huì)向著更加全面，更加深入的層次發(fā)展。

而單從對(duì)工業(yè)探究的方法進(jìn)行思考，可以得出以下設(shè)想：不僅在化工材料的探究上，在所有的工業(yè)材料與方法的探究上，應(yīng)避免盲目實(shí)驗(yàn)，應(yīng)有體系化的思維，也就是應(yīng)有明確的指導(dǎo)思路，避免走錯(cuò)路與繞彎路。而如何將工程工業(yè)的方法進(jìn)行體系化，這是一個(gè)龐大的工程，德國(guó)近幾年前便提出了工業(yè)4.0的構(gòu)想，即將整個(gè)工業(yè)體系進(jìn)行智能化與系統(tǒng)化，就如同人類的“基因組計(jì)劃”，這些概念應(yīng)該被中國(guó)的工業(yè)設(shè)計(jì)者充分重視起來(lái)。因?yàn)楣I(yè)革新的目的在于提高人類生產(chǎn)效率與降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而這種革新在當(dāng)前已經(jīng)不僅是生產(chǎn)原材料的革新，也應(yīng)是生產(chǎn)方式的革新。

[1]楊興娟,修志鋒,尤叢賦，等.PET薄膜表面改性研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用,2015,(4):148-152.

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①闞彩俠，漢族，南京航空航天大學(xué)理學(xué)院物理系主任，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榧{米光電功能材料。②王甲乙，漢族，江蘇省南京航空航天大學(xué)在讀本科生，研究方向材料科學(xué)與工程高分子材料學(xué)。③孫晨薇，漢族，南京航空航天大學(xué)在讀本科生，研究方向?yàn)楣怆姴牧稀＂苋A飄馨，漢族，江蘇省南京航空航天大學(xué)在讀本科生，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化。⑤仇露青，漢族，江蘇省南京航空航天大學(xué)在讀本科生，研究方向?yàn)閼?yīng)用物理。