硬核論文丨光固化粘合劑的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
摘要:簡(jiǎn)要總結(jié)了光固化粘合劑及其應(yīng)用的特點(diǎn)、配方設(shè)計(jì)要點(diǎn)、難點(diǎn)和核心性能指標(biāo);從技術(shù)特色和技術(shù)先進(jìn)性角度提出了一些值得關(guān)注、并有較大市場(chǎng)空間的光固化粘合劑,包括UV壓敏膠、復(fù)合膠、建筑膠、電子膠和光學(xué)膠;分析了提高光固化的官能團(tuán)轉(zhuǎn)化率的重要性以及新原料、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面的一些難題。
關(guān)鍵詞:光固化;粘合劑;光聚合
1 UV粘合劑
光固化粘合劑,簡(jiǎn)稱(chēng)UV粘合劑,其膠層是采用紫外光照射而固化。與熱固化、濕氣固化等固化方式相比,UV固化有許多獨(dú)特和先進(jìn)之處:
1)快速固化:可在0.01~數(shù)秒的時(shí)間“瞬間”固化。例如,DVD光盤(pán)的粘接用閃光曝光固化;
2)單組分:使用時(shí)無(wú)需配膠,打開(kāi)即用;
3)常溫固化:光固化無(wú)需加熱,低溫也可以固化;
4)節(jié)能:與熱固化相比可節(jié)能90%以上;
5)無(wú)溶劑:光固化材料組分幾乎100%固化,幾乎無(wú)VOC排放。
上述的前3個(gè)特征顯示了UV膠在使用方便的優(yōu)點(diǎn),使得一些傳統(tǒng)的熱固化粘合劑升級(jí)為光固化粘合劑,并開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域,也推動(dòng)UV膠在電子產(chǎn)品生產(chǎn)獲得廣泛應(yīng)用,可通過(guò)程序化控制使光電子元件連續(xù)、高效、自動(dòng)化地粘接、定位。在現(xiàn)代先進(jìn)光電子器件、觸摸屏器件、智能手機(jī)等電子產(chǎn)品中,UV膠成為必用品和必用技術(shù)。
近年來(lái)我國(guó)在光固化材料領(lǐng)域發(fā)展速度非常快,UV固化涂料已廣泛應(yīng)用于日常生活的各個(gè)方面,包括建筑裝飾、包裝和印刷、手機(jī)以及電器等的保護(hù)和裝飾等用途;UV粘合劑也在各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,尤其是需要快速、高效裝配的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,例如照相機(jī)、光盤(pán)、手機(jī)按鍵、磁電機(jī)的裝配、印刷線(xiàn)路板、偏光部件以及LCD模組、智能手機(jī)、觸摸屏器件等光電信息產(chǎn)品的制造;在日用品領(lǐng)域,UV 膠,俗稱(chēng)“無(wú)影膠”廣泛用于玻璃家具和玻璃工藝品、燈具、玩具、鐘表、圖(像)片保護(hù)等,已經(jīng)是粘合劑的一個(gè)品種。
2 UV粘合劑的設(shè)計(jì)
UV膠由光敏劑、樹(shù)脂和單體為主要成分構(gòu)成,光敏劑吸收光能而激活,并分解出高活性物種,引發(fā)樹(shù)脂和單體的聚合官能團(tuán)發(fā)生聚合反應(yīng),使得粘合劑固化并產(chǎn)生強(qiáng)的粘合力。按照聚合反應(yīng)的類(lèi)型UV膠分為自由基型和陽(yáng)離子型,前者的單體和樹(shù)脂含丙烯酸酯基團(tuán)、后者主要是環(huán)氧基團(tuán)。2種聚合反應(yīng)的差異主要在于:自由基聚合反應(yīng)速度快,但體積收縮大,空氣有嚴(yán)重的聚合抑制作用;后者聚合體積收縮小,空氣無(wú)影響,但聚合速度稍慢,反應(yīng)對(duì)水汽敏感,而且陽(yáng)離子引發(fā)劑分解的酸可能對(duì)一些粘接材質(zhì)有腐蝕作用。總體來(lái)說(shuō),自由基型粘合劑的原料來(lái)源更多,成本更低。
不同于UV涂料單面附著,以裝飾和保護(hù)功能為主,UV膠則是要使2個(gè)界面牢固地聯(lián)接,性能和配方設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)不同。UV膠的性能設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的粘合劑有很多相同,要考慮的因素包括:
1)性能要求:粘接件的用途、使用環(huán)境、溫度范圍、電性能、光學(xué)性能、健康指標(biāo);
2)粘接材質(zhì),特別是表面特性:塑料、金屬、皮革、薄膜、光滑性、多孔性、結(jié)晶或非晶性等;
3)粘接工藝:固化方式和速度、光源、施膠方式、黏度;粘接件的用途決定了粘合劑的性能要求:結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)調(diào)粘接強(qiáng)度、穩(wěn)定性;電子膠要兼顧粘接力、電性能、固化速度;光學(xué)膠需要特定的光學(xué)指標(biāo),包括透明性、折射率、黃變性和高低溫穩(wěn)定性等;無(wú)影膠的重要性能是粘接力、環(huán)境穩(wěn)定性、顏色。粘接力是所有粘合劑的第一評(píng)價(jià)指標(biāo),它受粘接材質(zhì)和固化工藝影響,非極性、低表面能、光滑、結(jié)晶性基材通常難粘接;基材的透光性影響光固化的速度、程度和深度,一些透明的塑料基材,可能含有光穩(wěn)定劑而對(duì)紫外光有屏蔽,需要選用光引發(fā)劑以避開(kāi)穩(wěn)定劑的吸收峰。
設(shè)計(jì)UV粘合劑時(shí)也需要考慮使用工藝的要求,電腦控制的點(diǎn)膠和印刷涂布施膠對(duì)UV膠的黏度、感光特性和光活性差別很大;用于玻璃家具和玻璃工藝品的無(wú)影膠在陰天也可以自然光固化,無(wú)需UV燈。光纖耦合UV膠則用很弱的熒光燈固化。這些要求都是UV粘合劑設(shè)計(jì)的邊界條件,要通過(guò)UV樹(shù)脂、單體以及光敏劑的組合才能滿(mǎn)足這些條件。
3 UV粘合劑的機(jī)遇
UV粘合劑大致可以分為有基材(膠帶、雙面膠),和無(wú)基材(液態(tài)膠水)的2大類(lèi),后者使用時(shí)UV光照射固化,前者UV光照射可以增加或減低粘接性,UV減粘膠帶作為臨時(shí)保護(hù)或臨時(shí)定位,在微電子、光電子器件,例如晶片、觸摸屏玻璃加工業(yè)有很大的需求。
3.1 壓敏膠(PSA)
PSA目前都是經(jīng)過(guò)溶液涂布、干燥和化學(xué)反應(yīng)制得,超過(guò)60%的溶劑要揮發(fā)、燃燒掉,排放高、生產(chǎn)過(guò)程長(zhǎng)、效率低,產(chǎn)品中還可能殘留溶劑等有害化學(xué)品。用UV固化方式生產(chǎn)PSA,將無(wú)溶劑的液態(tài)成分涂布在基材上后,用UV光照射進(jìn)行光聚合就制成,無(wú)需熱烘道,生產(chǎn)線(xiàn)簡(jiǎn)化,生產(chǎn)過(guò)程環(huán)保,幾乎零排放,生產(chǎn)效率也大大提高。
PSA 的產(chǎn)品形式多樣,從裝飾膜、各種保護(hù)膜到工程結(jié)構(gòu)膠帶,用途非常廣,在廣告板、電子產(chǎn)品到高端包裝盒中都要用到。
3.2 復(fù)合膠
食品、飲料和一些生物醫(yī)藥制品需要高阻隔軟包裝,包裝材料的阻隔性決定和影響可食用的時(shí)間。高阻隔包裝材料由塑料薄膜與紙張、金屬膜復(fù)合制成,具有強(qiáng)度高、隔氧和隔水性好、安全衛(wèi)生無(wú)毒、適應(yīng)印刷的特點(diǎn),能耐凍和耐120 ℃高溫。目前軟包裝行業(yè)的復(fù)合膠幾乎都是溶劑型粘合劑,溶劑的質(zhì)量>70%,復(fù)合過(guò)程經(jīng)由涂布、溶劑揮發(fā)、復(fù)合、存放和熟化的工藝步驟,除了易燃、易爆,排放高、生產(chǎn)過(guò)程長(zhǎng)、效率低,復(fù)合膜中還殘留有溶劑。每到精美包裝需求旺盛、交貨急的節(jié)日時(shí)段,許多復(fù)合包裝膜并沒(méi)有充分反應(yīng)和徹底揮發(fā)干凈溶劑就交付使用,殘留的溶劑和未反應(yīng)完全的化學(xué)物質(zhì)可能滲透、污染食品,這是目前仍有不少醫(yī)藥和食品包裝物的健康指標(biāo)不達(dá)標(biāo)的一個(gè)主要原因。水性粘合劑雖然無(wú)溶劑,但干燥慢、生產(chǎn)效率低,對(duì)塑料的粘接性能也不理想。用UV粘合劑取代溶劑型粘合劑,不僅復(fù)合膜的生產(chǎn)效率將會(huì)大大提高,由原來(lái)的幾小時(shí)的生產(chǎn)過(guò)程減小到一分鐘就可完成;UV粘合劑不含溶劑,無(wú)揮發(fā),無(wú)有害殘留物,更可以保證復(fù)合膜達(dá)到食品、醫(yī)藥等包裝材料的健康和衛(wèi)生要求。
3.3 建筑膠
安全玻璃主要采用聚乙烯醇縮丁醛膠片為粘接材料,經(jīng)過(guò)真空脫氣和熱壓的工藝將玻璃片粘接而成,總生產(chǎn)時(shí)間需要約十多個(gè)小時(shí)。采用封邊、灌膠、自然光下存放數(shù)十分鐘完成光聚合的液態(tài)粘貼方式生產(chǎn)夾膠安全玻璃,也已經(jīng)有較長(zhǎng)的時(shí)間,但目前還是非主流產(chǎn)品,主要用在低端安全玻璃市場(chǎng)。液態(tài)粘接方式不能廣泛接受的原因,主要是UV膠的性能還不足,安全性缺乏可信賴(lài)的數(shù)據(jù)。UV膠在建筑領(lǐng)域的增長(zhǎng)勢(shì)頭良好,商店廚窗和裝修、彩色玻璃都在使用UV膠。隨著性能的提高,UV建筑膠將有很大的發(fā)展。
近年來(lái)PVC石塑地板的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)得到快速發(fā)展,施工方法是先在施工地面上刮平一層粘合劑,然后將PVC地板粘接上去。PVC塑料地板膠主要可分為水乳型、溶劑型、反應(yīng)型3大類(lèi)。水乳型膠粘劑以水為分散介質(zhì),產(chǎn)品無(wú)毒,成本低。但耐水性差,一般經(jīng)水浸泡后,粘接力大幅下降,如水性丙烯酸酯。溶劑型膠粘劑主要是聚醋酸乙烯系和氯丁橡膠系膠粘劑。反應(yīng)型則有聚氨酯系列膠粘劑。這類(lèi)粘合劑施工后都需要等溶劑揮發(fā)幾個(gè)甚至幾十個(gè)小時(shí),在此期間施工場(chǎng)所不能使用,若使用光固化粘合劑則不存在這樣的問(wèn)題,可以先將光固化膠涂布在地面上,自流平后用紫外光照使其固化,表面具有粘性,然后將PVC地板鋪上即可立即使用,不僅大大縮短了施工周期,而且整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有溶劑揮發(fā),不污染室內(nèi)空氣。
3.4 電子膠
電子產(chǎn)品領(lǐng)域已經(jīng)大量使用UV膠,包括排線(xiàn)定位、管腳密封、液晶面板的制備、手機(jī)按鍵等,UV固化粘接是電子產(chǎn)品制造中必用的技術(shù)手段。隨著電子產(chǎn)品的薄層化以及有機(jī)光電子器件、柔性可彎曲顯示器件的出現(xiàn),適應(yīng)卷對(duì)卷工藝的UV粘合劑有巨大的需求。UV固化的高效、快速、及時(shí)、可控制性的特點(diǎn)將充分顯現(xiàn)。
3.5 光學(xué)膠
觸摸屏目前是UV光學(xué)膠的最大單一應(yīng)用。觸摸屏中的UV光學(xué)膠有3個(gè)功能:粘接、增加透光性和提高抗沖能力,需要滿(mǎn)足嚴(yán)格的性能要求,包括顏色、耐候和環(huán)境穩(wěn)定性、電器性能、光學(xué)性能等。觸摸屏貼合涉及的粘接材質(zhì)主要有:玻璃、ITO導(dǎo)電層、PET、PMMA、PC等。當(dāng)觸摸屏采用藍(lán)寶石用后,為提高透光性將需要更高折射率的UV膠。目前用于觸摸屏的有液態(tài)(LOCA)和固態(tài)的 ( O CA ) 光學(xué)膠,前者用程序控制點(diǎn)膠機(jī)點(diǎn)膠,蓋上玻璃蓋板、流平和充滿(mǎn)后透過(guò)蓋板固化,具有填充性好、施膠方便的優(yōu)點(diǎn),但需要做溢膠清理;OCA是無(wú)基材的雙面PSA,上下都是離型膜,使用時(shí)先去除輕離型膜進(jìn)行貼合,然后去除重離型膜再與另一粘接面貼合。早先的觸摸屏采用的液態(tài)膠是熱固化,生產(chǎn)過(guò)程長(zhǎng),效率低,現(xiàn)在已經(jīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)閁V固化膠。目前的OCA還是采用傳統(tǒng)的溶劑型膠經(jīng)過(guò)涂布、干燥、熱交聯(lián)工藝生產(chǎn),烘道長(zhǎng),灰塵等引起的瑕疵多。改用UV固化工藝將大大提高生產(chǎn)效率、降低設(shè)備投入和生產(chǎn)成本。圖1 觸摸屏的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 of structure of touch panel
3.6 UV醫(yī)用膠
UV膠在醫(yī)療領(lǐng)域有極大的增長(zhǎng)空間,例如醫(yī)用壓敏膠或膠帶改為UV固化制備,可以形成系列產(chǎn)品,優(yōu)點(diǎn)已如前所述。
3.7 UV粘合劑面臨的挑戰(zhàn)
要適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用需求,UV粘合劑在固化技術(shù)、原材料和開(kāi)發(fā)新品種方面都面臨諸多挑戰(zhàn)。
在UV固化技術(shù)方面,提高官能團(tuán)以及單體的UV固化轉(zhuǎn)化率,降低固化的體積收縮率,對(duì)于提高UV膠的性能、擴(kuò)展應(yīng)用性能特別重要。殘留的官能團(tuán)會(huì)使得光固化后的粘合劑層的性能逐步變化,比如可能硬化、收縮、破壞粘接層;單體轉(zhuǎn)化不完全,固化物會(huì)產(chǎn)生異味或刺激性氣味,影響UV-PSA的可使用性;固化過(guò)程的體積收縮越小,粘合劑的粘接力越強(qiáng),界面變形越小,這對(duì)光電子功能器件的粘接非常關(guān)鍵。自由基UV膠的體積收縮一般大于5%,陽(yáng)離子UV膠的體積收縮可以很小,但光產(chǎn)酸劑的分解物對(duì)一些應(yīng)用有影響,同時(shí)原料品種有限,導(dǎo)致陽(yáng)離子UV膠應(yīng)用有限。
開(kāi)發(fā)基于天然產(chǎn)物以及生物質(zhì)的UV固化樹(shù)脂,開(kāi)發(fā)高分子質(zhì)量、低黏度的UV固化樹(shù)脂,制備高折射率的UV固化原材料。天然產(chǎn)物或生物質(zhì)原料的UV固化樹(shù)脂,可以完全分解,回歸自然,對(duì)環(huán)境和生態(tài)的影響小,以此開(kāi)發(fā)UV復(fù)合膠、UV-PSA的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義都很大。UV樹(shù)脂通常是分子質(zhì)量在一萬(wàn)以下的齊聚物,高分子質(zhì)量的樹(shù)脂黏度大,需要稀釋劑降低黏度,但高分子質(zhì)量的樹(shù)脂,即使所帶的官能團(tuán)少也可以快速固化,氧阻聚不明顯,體積收縮小,非常適合高性能UV-PSA;用高分子質(zhì)量、低黏度的UV固化樹(shù)脂可以開(kāi)發(fā)出耐候性好、粘接力強(qiáng)而穩(wěn)定的UV建筑膠,可用于新型安全玻璃、節(jié)能玻璃,有巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。目前還沒(méi)有成熟的高分子質(zhì)量、低黏度的UV固化樹(shù)脂的制備方法。高折射率的UV固化材料是大功率LED的封裝、藍(lán)寶石光學(xué)器件粘接的關(guān)鍵材料。通常有機(jī)材料的折射率在1.6以下,而且高折射率材料通常帶顏色,耐熱性不好;需要采用有機(jī)-無(wú)機(jī)納米復(fù)合才可能得到顏色淺、折射率高于1.7,耐熱性較好的材料。可以找到一些制備高折射率材料的實(shí)驗(yàn)室方法。
高阻隔性UV膠、光固化異向?qū)щ娔z(UVACF)、高耐水性“無(wú)影膠”、高強(qiáng)度UV復(fù)合膠、UV醫(yī)用膠等新產(chǎn)品和技術(shù)都待開(kāi)發(fā)。
柔性、可卷曲光電子器件都需要UV膠進(jìn)行粘接和封裝,高透明、高阻隔性封裝膠是關(guān)鍵材料。以性能要求最高的有機(jī)發(fā)光器件(OLED)為例,封裝材料對(duì)氧氣和水的滲透率分別為:H O <5×10-6 g/m2·2 d,O <10-5 c m3 / m2·d。現(xiàn)有的有機(jī)材料的氧氣、水2的滲透率低了4~5個(gè)數(shù)量級(jí),需要與最近剛出現(xiàn)的厚度僅幾十微米的可卷曲的玻璃復(fù)合,才有望達(dá)到阻隔性能的要求。
異向?qū)щ娔z(ACF)是液晶、等離子等顯示器件的定向?qū)щ姴牧希陔娨暀C(jī)、電腦、觸摸屏以及智能可穿戴電子產(chǎn)品中用途廣泛,其結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理如圖2所示,圖2中的小元點(diǎn)代表高導(dǎo)電的微球,粒徑小于10 μm,在A(yíng)CF中的填充量通常小于10%。上圖為包含固化劑、需要低溫保存、預(yù)涂在離型基材上的帶狀A(yù)CF,使用時(shí)去除上下離型層、貼合、熱壓固化;壓合后多余的導(dǎo)電微球被擠到空隙處,留在上下微電極間的微球?qū)娐罚c左右的微球不接觸,導(dǎo)電性被限制在上下方向。熱固化的ACF如果改成UV固化,可以使運(yùn)輸、保存的條件大為寬松,無(wú)需低溫存放的嚴(yán)格要求,固化過(guò)程無(wú)需加熱,粘接后無(wú)熱應(yīng)力殘留,也更高效和快速。由于A(yíng)CF中的導(dǎo)電粒子含量不多,采用光固化是可能的,但由于在貼合時(shí)電極可能僅部分透光,需要從貼合側(cè)面曝光,固化深度可能需要達(dá)到10 mm級(jí),有一定的困難,需要新的固化技術(shù)。
圖2 異向?qū)щ娔z(ACF)的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理
“無(wú)影膠”廣泛用于玻璃、鐘表、工藝裝飾工藝品等的粘接和制造,使這些產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程大為簡(jiǎn)化,但目前的"無(wú)影膠"耐水性不夠,比如不能用于魚(yú)缸一類(lèi)玻璃制品的粘接或封邊。對(duì)玻璃一類(lèi)極性基材,需要極性的官能團(tuán)提供粘接力,但極性的官能團(tuán)親水性高,耐水性不足。需要新的技術(shù)和專(zhuān)用樹(shù)脂來(lái)開(kāi)發(fā)對(duì)玻璃的呈高粘接力的高耐水性“無(wú)影膠”。聚酯膜PET的光學(xué)性能好,強(qiáng)度高,阻隔紅外線(xiàn)的PET防曝膜技術(shù)也成熟,如果有高強(qiáng)度的PET膠,可以形成一系列產(chǎn)品,例如新的建筑節(jié)能安全玻璃、安全玻璃膜,采用UV固化的方式生產(chǎn)。目前的防曝膜對(duì)玻璃的粘接力尚可,但還達(dá)不到安全玻璃的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐水等的要求,而現(xiàn)有的UV-PSA膠殘留氣味大,需要用新樹(shù)脂和新方法開(kāi)發(fā)高性能的UV-PSA。4 結(jié)束語(yǔ)
中國(guó)有巨大的制造業(yè)和產(chǎn)品市場(chǎng),但目前先進(jìn)技術(shù)主要依靠外面輸入,與先進(jìn)制造配套的材料也是靠進(jìn)口,這種狀況正在改變。雖然我國(guó)的粘合劑企業(yè)成規(guī)模的不多,但多年的按訂單制造,仿制和改進(jìn)實(shí)踐,還是積淀了技術(shù),也形成了不少有一定創(chuàng)新能力的公司。“無(wú)影膠”就是我們逐漸優(yōu)化成形的產(chǎn)品,我們也開(kāi)發(fā)了UV光學(xué)膠。市場(chǎng)需求就是最有效的推動(dòng)力,未來(lái)幾年我國(guó)UV膠產(chǎn)品和技術(shù)將有非常大的進(jìn)步。更多濾芯膠請(qǐng)?jiān)L問(wèn)s1l6e.cn- 上一篇:增幅超22%!2021Q2中國(guó)膠粘材料進(jìn)出口數(shù)據(jù)速覽 2021/8/7
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