低雾高清BOPET薄膜的制备及其性能研究

Preparation and Properties of Low Haze High Definition BOPET Films

摘要

为了开发可以应用于窗膜和高亮膜等方面的光学薄膜，采用自产的A母粒、B母粒和膜级聚酯，采用挤出流延机和拉伸实验机，制备了双向拉伸聚酯（BOPET）薄膜，通过偏光显微镜、线粗糙度仪、非接触式3D表面轮廓仪、透射雾影仪、光泽度仪、摩擦系数仪和材料拉伸机，研究了BOPET薄膜的微观形貌、粗糙度、光学性能、摩擦系数和力学性能。结果表明：开口剂为球形结构，尺寸均在亚微米级，呈现单分散状态。当开口剂含量（B母粒）为0.012 5%时，薄膜表面的粗糙度R _a \le23 μm、S _a \le17 μm，雾度、透光率、清晰度、光泽度分别能达到0.88%、90.8%、99.6%和136 GU，静摩擦系数/动摩擦系数为0.36/0.30，抗黏结效果佳，力学性能优异。制备的BOPET薄膜是一种综合性能良好的低雾高清BOPET薄膜。

关键词

微观形貌 / 粗糙度 / 光学性能 / 摩擦系数 / 力学性能

Key words

Micromorphology / Roughness / Optical property / Friction coefficient / Mechanical properties

光学级薄膜基材目前主要是采用聚乙烯醇(PVA)^[1-2]和三醋酸纤维素(TAC)^[3-4]这两种有机树脂材料，但是双向拉伸聚酯(BOPET)光薄膜由于其优异的透光性、力学性能、稳定性等性能和更加低廉的价格，正在被逐步推广应用于液晶面板、触控面板、柔性显示器、片式多层瓷电容器(MLCC)和窗膜等功能性薄膜中^[5-6]。光学薄膜开发核心技术要点之一就是开发适合薄膜生产工艺、提高薄膜开口效果的开口母粒，而且开口母粒需要不能影响薄膜的透光率、雾度、清晰度和光泽度这些光学性能，或者尽可能降低对薄膜光学性能的影响^[7]。国内关于高端光学膜（如：偏光片保护膜、OCA保护膜、扩散基膜和ITO导电膜基膜等）的开发应用更少^[8-10]。薄膜的光学性能不仅受到基体树脂性能^[11-13]、开口母粒性能^[14-15]、生产工艺^[16-18]和膜的表观性能^[19]等因素的影响，在很大程度上还取决于开口剂的折光系数、粒子形貌和粒径大小等^[20-22]。结合现有研究和光学原理发现，当开口剂的折光系数接近聚酯的折光系数、粒子为球形或者类球形、粒子大小为纳米级或者亚微米级时，制备的BOPET薄膜的光学性能最佳^[23-25]。

本实验选用公司自产的开口母粒与膜级聚酯切片通过挤出流延机和拉伸实验机，制备了相应的BOPET薄膜，研究了开口剂添加量对薄膜的微观形貌、粗糙度、光学性能、摩擦系数以及力学性能的影响，为开发高端应用的光学薄膜提供指导。

1 实验部分

1.1 主要原料

双向拉伸聚酯(BOPET)开口母粒A和B，康辉新材料科技有限公司；膜级聚酯切片，康辉新材料科技有限公司。

1.2 仪器与设备

挤出流延机，LCR300-COEX，泰国LABTECH公司；拉伸实验机，KARO 5.0，德国BRÜCKNER公司；偏光显微镜(POM)，BX53M，日本OLYMPUS公司；线粗糙度仪，M300C，德国MAHR公司；非接触式3D表面轮廓仪，VK-X300，日本基恩士公司；透射雾影仪，4775，德国BYK公司；光泽度仪，4567，德国BYK公司；摩擦系数仪，RR/FT，英国RAY-RAN公司；材料拉伸机，LS1-EH，美国AMETEK-LLOYD公司。

1.3 样品制备

表1为挤出流延机的原料配比。

A母粒开口剂含量为0.5%，B母粒开口剂含量为1.0%，开口剂的粒径均为亚微米级。将自产的A母粒和B母粒与膜级聚酯切片按照表1的质量比混合后，使用挤出流延机在270~285 ℃温度下，三层共挤制得均匀的铸片。将铸片裁剪为100 mm×100 mm的方形厚片，然后采用双向拉伸实验机对铸片进行双向同步拉伸，预热温度为105 ℃，预热时间为20 s，拉伸比为3.3×3.8，拉伸速率为300%/s，热定型温度为200 ℃，定型时间为3 s，最终获得(25±5) μm厚度的BOPET薄膜。

1.4 性能测试与表征

POM观察：采用偏光显微镜观察薄膜的表面微观形貌及粉体的分布情况，放大倍率为1 000倍。

粗糙度测试：按ISO 4287: 2010测试试样的线粗糙度；采用非接触式3D表面轮廓仪，按照ISO 25178标准测试试样的面粗糙度，并观察薄膜的3D表面轮廓。

光学性能测试：按ASTM D-1003-21测试试样的光学性能，包括透光率、雾度和清晰度；按ASTM D-2457-21测试试样的光泽度(45°)，测试环境为25 ℃，55%RH。

摩擦系数测试：按ASTM D-1894-01测试试样的静摩擦系数和动摩擦系数。

力学性能测试：按ASTM D-882-18测试拉伸性能。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌分析

图1为不同含量的A母粒和B母粒制备的薄膜表面POM照片。从图1可以看出，开口剂粒子为规则的球形结构，大小均在亚微米级，当开口剂含量由0.012 5%增加至0.037 5%时，开口剂在薄膜表面分布依然保持均匀、无团聚、单分散状态，薄膜表面的平整性很好，这将对薄膜的光学性能非常友好。

2.2 粗糙度分析

薄膜粗糙度是指微观尺寸范围内薄膜峰谷之间不平整程度的综合评价，按照测试区域分为线粗糙度和面粗糙度。线粗糙度采用R _a、R _z和R _max表征，面粗糙度是采用S _a和S _z来表征。薄膜的粗糙度越大，说明薄膜表面的凹凸程度越大、平整性越差，对光的漫反射和折射越多，光学性能越差^[26]。表2为不同配比薄膜的线粗糙度和面粗糙度。图2为不同配比薄膜的3D表面轮廓。从表2和图2可以看出，对于使用同一种母粒制备的薄膜，随着粉体含量的增加，薄膜的R _a、R _z、R _max、S _a和S _z均有所增大，但是与未添加开口母粒制备的薄膜相比，变化较小，说明薄膜表面平整度较高，这与偏光显微镜的结果相一致。对比A母粒和B母粒制备的薄膜，发现开口剂含量相同时，A母粒薄膜的粗糙度数值更小，这是由于B母粒自身开口剂含量是A母粒的两倍，所以在拉伸成膜过程中A母粒的加工流动性更好，在基体树脂表面的分布更加均匀。但是不同母粒制备的薄膜的粗糙度总体变化不大，说明在一定范围内，开口母粒自身添加的开口剂含量对薄膜的粗糙度影响不大。

2.3 光学性能分析

开发光学薄膜最关键的就是开发适合薄膜生产工艺、提高薄膜开口效果，且降低对薄膜的透光率、雾度、清晰度和光泽度这些光学性能影响的开口母粒^[27-28]。本文采用自产的开口母粒A和B母粒制备了相关薄膜，图3为不同配比薄膜的光学性能。

从图3可以看出，随着开口剂含量的增加，薄膜的透光率、清晰度和光泽度略有所降低，但是变化幅度较小。当开口剂添加量增大至0.037 5%，A母粒制备的薄膜透光率、清晰度和光泽度分别可以达到90.7%、99.4%和133GU，B母粒制备的薄膜透光率、清晰度和光泽度分别达到90.4%、99.5%和133GU。当开口剂含量为0.012 5%时，A母粒和B母粒制备的薄膜雾度分别为0.83%和0.88%，均在1.0%以内；当开口剂含量逐渐增大至0.037 5%，A母粒和B母粒制备的薄膜的雾度分别为1.94%和2.33%。薄膜的微观形貌直接影响膜的光学性能，开口剂含量增加，薄膜表面粒子数量增加，导致膜的平整度有所下降，粗糙度增大，入射光产生的漫反射和折射增加，使得薄膜光学性能降低，但是由于本文采用亚微米级粉体，粒径较小，球形规则结构，分散均匀，对光通量的影响较小，所以对膜的透光率、清晰度和光泽度影响很小，这也与偏光显微镜和3D表面轮廓仪观察的结果一致。

2.4 摩擦系数分析

薄膜的摩擦系数是指两层薄膜之间的摩擦力与作用在其一膜表面的法向力之比，是考察薄膜开口性能的一项重要指标。按照运动性质可分为静摩擦系数和动摩擦系数，它们与薄膜的表面粗糙度有关。本文对比研究了不同开口剂含量的薄膜的摩擦系数，表3为测试结果。从表3可以看出，添加A母粒和B母粒后，薄膜的摩擦系数可以大幅度降低，当开口剂添加量仅为0.012 5%时，静摩擦系数/动摩擦系数可降低至0.36/0.30，说明开口母粒的抗黏结效果极佳，这主要是由于采用的开口剂粉体为球形的亚微米级粉体，粒径更小，结构更规则，相同含量的开口剂中粉体粒子数量更多，在薄膜表面形成的微小凸起更多，可以利于空气从空隙渗入，有效提高薄膜的抗黏结效果。对比相同含量的A母粒和B母粒制备的薄膜的摩擦系数，发现母粒自身的开口剂含量对薄膜的摩擦系数影响较小。

2.5 力学性能分析

薄膜的力学性能受拉伸工艺的影响较大，特别是拉伸温度、拉伸比、膜厚和定型温度等参数^[29-30]。图4为不同配比薄膜的力学性能。从图4可以看出，随着开口剂含量增加，A母粒制备的薄膜的拉伸强度和断裂伸长率先增大后减小；B母粒制备的薄膜强度有所降低，但是断裂伸长率呈现增大趋势。这可能是分布均匀的亚微米级球形粉体在聚酯基体内充当成核剂的作用，促进聚酯结晶，形成更规整、致密的结构；另外，当薄膜受到外部载荷拉伸时，均匀分布的细小开口剂粉体，可以帮助基体树脂承载和分担一部分载荷，从而提高薄膜的强度和断裂伸长率。结合A母粒和B母粒薄膜的粗糙度发现，A母粒粗糙度更低，在基体树脂表面的分布均匀性更好，所以其力学性能更优。

3 结论

通过偏光显微镜观察薄膜的微观形貌，发现开口剂粒子为规则的球形结构，尺寸在亚微米级。随着粉体含量的增加，薄膜的R _a、R _z、R _max、S _a和S _z均有所增大，说明薄膜表面平整度较高；当薄膜表层添加开口剂含量相同时，A母粒母粒制备的薄膜的粗糙度数值更小。当开口剂含量增至0.037 5%时，A型母粒制备的薄膜透光率、雾度、清晰度和光泽度分别达到90.7%、1.94%、99.4%和133GU；B型母粒制备的薄膜透光率、雾度、清晰度和光泽度分别达到90.4%、2.33%、99.5%和133GU。自产的A母粒和B母粒抗黏结效果较好，当开口剂含量仅为0.012 5%时，静摩擦系数/动摩擦系数降至0.36/0.30。随着开口剂含量增加，A母粒薄膜的拉伸强度和断裂伸长率先增大后减小；B母粒薄膜的拉伸强度有所降低，但是断裂伸长率仍然呈现增大的趋势。与常规薄膜相比，自制的薄膜的雾度更低，透光率、清晰度和光泽度更高，薄膜的粗糙度更低，抗黏结效果很好，力学性能优异，可以应用于窗膜和高亮基膜等光学性能要求更高的薄膜领域。

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