邱尚煌

（寧波激智創(chuàng)新材料研究院有限公司，浙江寧波315040）

新材料為近些年發(fā)展較快的領(lǐng)域，但研究和實踐表明，在很多情況下單層材料并不能提供充分的表面功能，或者達不到綜合的性能要求，因此復(fù)合材料便應(yīng)運而生且應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，如近幾年以薄膜基材而興起的光學(xué)薄膜［1］、鋰電池隔膜［2］、太陽能背板［3］、汽車裝飾膜［4］等新功能薄膜，以及隔熱降溫材料、納米材料［5，6］等復(fù)合材料領(lǐng)域。

隨著薄膜復(fù)合材料越來越多的應(yīng)用到生產(chǎn)生活的方方面面，由此衍生出的涂布技術(shù)也成為日益關(guān)注的焦點［7］。涂布技術(shù)分為干法涂布和濕法涂布，本文就復(fù)合材料在濕法涂布中產(chǎn)生的翹曲問題進行分析。

圖1 為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剖面圖，本文設(shè)定第一基材為主放卷基材，膠黏劑涂布在第一基材上，第二基材為副放卷基材，與上過涂層的第一基材進行復(fù)合。以下就幾個影響翹曲的因素進行分析。

1 影響因素分析

1.1 工藝因素

1.1.1 張力拉伸

對于復(fù)合材料，經(jīng)過復(fù)合輥的第一基材和第二基材，在復(fù)合前分別有張力拉伸作用其上，因此要得到一個不產(chǎn)生翹曲的產(chǎn)品，需要保證二者的應(yīng)變相等，即ε第一基材=ε第二基材。若拉伸應(yīng)變過大，在拉伸過程中會導(dǎo)致幅寬變窄，如圖2所示，MD方向的張力，會使CD 方向產(chǎn)生幅寬變小的趨勢，為了抵抗這種趨勢，會產(chǎn)生兩側(cè)向外的應(yīng)力，該應(yīng)力處于一個不平衡的狀態(tài)，與另一基材復(fù)合后，由于力處于不平衡狀態(tài)，會慢慢釋放，最終達到一種力的平衡，而應(yīng)力釋放會使該基材慢慢發(fā)生翹曲。

圖1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖及復(fù)合過程示意圖Fig.1 Schematic illustration of compound material and composite process

圖2 張力拉伸作用下基材受力情況Fig.2 Force situation of base material under the effect of tension

1.1.2 穿膜方式影響

在相同導(dǎo)輥分布的情況下，采用不同的穿膜方式會有不同的包角摩擦，產(chǎn)生不同的摩擦接觸面積，摩擦力越大其產(chǎn)生翹曲趨勢越大。實際工程應(yīng)用會以總包角來表征這一概念，具體是將工程布置圖例按照1∶1 將基材走過導(dǎo)輥繪制成公切線，穿過某一段特定區(qū)域的導(dǎo)輥的所有包角相加得出總包角［8］。圖3為采用相同一段導(dǎo)輥，兩種穿膜方式的示意圖。從圖中可以得出穿膜方式1的總包角為1075°，穿膜方式2的總包角為813°，可以得出方式2比方式1少了262°的包角摩擦。因此在其他條件一致的前提下，穿膜方式1會產(chǎn)生更大的翹曲趨勢。

圖3 穿膜方式示意圖Fig.3 Schematic illustration of two film piercing methods

1.2 設(shè)備因素

1.2.1 復(fù)合壓力及輥徑曲率影響

目前的復(fù)合機復(fù)合裝置普遍采用三輥式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。復(fù)合壓力指復(fù)合橡膠輥與熱輥（不一定加熱）之間的壓力，它是復(fù)合橡膠輥與熱輥間的或是施加在正在復(fù)合的材料單位長度上的壓力值，即線壓力。生產(chǎn)時復(fù)合壓力要適中，太小時可能會出現(xiàn)貼合不夠緊密，甚至出現(xiàn)小氣泡等產(chǎn)品問題；太大時基材有被壓延變形的可能，形成一個往橡膠輥方向翹曲的變形。

圖5 為輥曲率的應(yīng)變圖。假設(shè)復(fù)合前第一基材厚度為a（含干膠厚度），第二基材厚度為b，橡膠輥半徑為R，則可以得出第一、第二基材形變分別為：

圖4 三輥復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic illustration of three roll composite structure

因此，基材形變與橡膠輥半徑成反比關(guān)系，越大的輥徑其對復(fù)合基材的形變越小，反之越大，這也可以解釋為什么卷芯內(nèi)部比卷芯外部翹曲嚴重。

圖5 輥曲率的應(yīng)變示意圖Fig.5 Schematic illustration of effect of roll curvature on deformation

1.2.2 導(dǎo)輥導(dǎo)入位置影響

圖6 為導(dǎo)輥導(dǎo)入位置對材料翹曲的影響，其中假設(shè)圖示基材為第二基材。圖6（a）為合格的基材導(dǎo)入位置，若導(dǎo)入導(dǎo)輥存在平行度問題，如圖6（b）所示的不平行的情況（為表示清楚采取夸張畫法，實際生產(chǎn)中不平行問題肉眼較難觀察），則會存在左邊松、右邊緊，于是基材右邊便存在拉伸過渡，基材左邊造成松弛，因此按照這種導(dǎo)入位置生產(chǎn)的產(chǎn)品會產(chǎn)生右邊單邊往第二基材方向翹曲，左邊往第一基材方向翹曲。實際發(fā)生的不平行問題一般生產(chǎn)人員肉眼較難發(fā)現(xiàn)，需定期由專業(yè)的工程技術(shù)人員對導(dǎo)輥做平行度的測量［9］。

圖6 導(dǎo)輥導(dǎo)入位置示意圖Fig.6 Schematic illustration of guide roll position

1.3 原材料因素

1.3.1 基材熱收縮

薄膜加工時，一般會將其加熱至高聚物的高彈態(tài)溫度以上，采用拉延或淋膜等方式對其進行拉伸，大分子鏈就會沿外力作用方向，進行有規(guī)則的定向排列，之后對薄膜進行冷卻收卷，分子鏈段的定向被凍結(jié)起來。當(dāng)進入下游復(fù)合材料生產(chǎn)時，處于第一放卷的基材，涂膠進入烘箱后重新對薄膜進行加熱，由于分子鏈段的活動，高聚物有一種恢復(fù)其拉伸前尺寸的趨勢（記憶功能），被拉伸定向的薄膜產(chǎn)生應(yīng)力釋放，已定向的薄膜發(fā)生解取向，薄膜就沿原來拉伸方向收縮恢復(fù)到初始尺寸，產(chǎn)生熱收縮性［10］。

實際生產(chǎn)過程往往在工藝上對烘箱溫度進行調(diào)整來控制基材熱收縮，但本質(zhì)影響因素是在基材上。因此對應(yīng)涂布工藝參數(shù)，則體現(xiàn)為溫度越高熱收縮越大，基材翹曲趨勢表現(xiàn)越嚴重；車速越慢熱收縮越大，基材翹曲趨勢表現(xiàn)越嚴重。當(dāng)與第二基材進行復(fù)合時，二者因為不同的收縮量從而產(chǎn)生復(fù)合成品的翹曲（往第一基材方向翹）。

實際生產(chǎn)結(jié)合膠黏劑溶劑揮發(fā)及固化的設(shè)計，需要尋找到烘箱溫度的平衡點。

1.3.2 膠黏劑影響

圖7 為三種基材在涂布過程中的干燥曲線，實線表示溶劑含有率曲線，虛線表示基材升溫曲線［11］。可以看出溶劑含有率呈現(xiàn)極速下降后趨于穩(wěn)定，而基材溫度先平穩(wěn)后迅速上升，對于任意基材此趨勢是一樣的。假設(shè)生產(chǎn)過程中膠黏劑體系中溶劑沸點偏低，如使用乙酸甲酯之類的單一溶劑，會使得整體的曲線往左移，基材在高溫段的熱量沒有被溶劑揮發(fā)吸熱帶走，會使基材溫度迅速上升，造成基材熱收縮。最合理的溶劑設(shè)計應(yīng)該是有低沸點、中沸點、高沸點的梯度設(shè)計，保證在中、中高、高溫段均有溶劑參與揮發(fā)，可以及時帶走基材上的熱量，同時對于膠層內(nèi)部的溶劑擴散有一個緩慢均勻的過程。

圖7 三種基材的干燥曲線Fig.7 Drying curves for three base materials

復(fù)合膜的膠黏劑涉及熱固化、光固化或二者的混合體系，一般熱固化的工藝收卷下線后，如果此時工藝調(diào)整為翹曲合格，那么進入熟化后，膠黏劑反應(yīng)過程中會產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致膠黏劑最終往第一基材方向翹曲，因此最佳的下線品質(zhì)應(yīng)該做成第二基材方向微翹曲［12］。

至于光固化體系直接在線固化，同樣也會在固化后產(chǎn)生一定的收縮，但后續(xù)不進一步反應(yīng)，因此對于該體系膠黏劑，應(yīng)該將工藝調(diào)整為不翹曲下線。

由于溶劑體系和膠黏劑熟化反應(yīng)的影響，因此涂層厚度越厚，往第一基材方向翹曲的趨勢越嚴重，根據(jù)溶劑體系設(shè)計和膠黏劑熟化反應(yīng)的描述，可以推斷涂層越厚則收縮趨勢加強，其翹曲越嚴重。

1.4 其他

雖然以上陳述為引起翹曲的主要因素，甚至是源因素，但是產(chǎn)品從原材料到最終的成品，引起翹曲的因素還包含很多因素，如烘箱溫度、烘箱排風(fēng)、收卷方向、管芯尺寸、冷卻系統(tǒng)、熟化溫度、環(huán)境溫濕度等，均會影響到產(chǎn)品的最終翹曲。

2 結(jié)語

在新材料領(lǐng)域，對于模切后加工工段，對材料翹曲均有一定的要求，否則產(chǎn)生的生產(chǎn)效率低下、尺寸不對、位置偏移等一系列問題均會影響生產(chǎn)。另外一方面，在實際生產(chǎn)過程中，翹曲因素的產(chǎn)生和解決往往更加復(fù)雜，工藝技術(shù)人員和生產(chǎn)人員需要結(jié)合現(xiàn)場，多做總結(jié)，排除各項原因，做出最優(yōu)的方案。