复合材料在涂布中的翘曲因素分析

邱尚煌

（宁波激智创新材料研究院有限公司，浙江宁波315040）

新材料为近些年发展较快的领域，但研究和实践表明，在很多情况下单层材料并不能提供充分的表面功能，或者达不到综合的性能要求，因此复合材料便应运而生且应用领域不断扩大，如近几年以薄膜基材而兴起的光学薄膜［1］、锂电池隔膜［2］、太阳能背板［3］、汽车装饰膜［4］等新功能薄膜，以及隔热降温材料、纳米材料［5，6］等复合材料领域。

随着薄膜复合材料越来越多的应用到生产生活的方方面面，由此衍生出的涂布技术也成为日益关注的焦点［7］。涂布技术分为干法涂布和湿法涂布，本文就复合材料在湿法涂布中产生的翘曲问题进行分析。

图1 为复合材料结构剖面图，本文设定第一基材为主放卷基材，胶黏剂涂布在第一基材上，第二基材为副放卷基材，与上过涂层的第一基材进行复合。以下就几个影响翘曲的因素进行分析。

1 影响因素分析

1.1 工艺因素

1.1.1 张力拉伸

对于复合材料，经过复合辊的第一基材和第二基材，在复合前分别有张力拉伸作用其上，因此要得到一个不产生翘曲的产品，需要保证二者的应变相等，即ε第一基材=ε第二基材。若拉伸应变过大，在拉伸过程中会导致幅宽变窄，如图2所示，MD方向的张力，会使CD 方向产生幅宽变小的趋势，为了抵抗这种趋势，会产生两侧向外的应力，该应力处于一个不平衡的状态，与另一基材复合后，由于力处于不平衡状态，会慢慢释放，最终达到一种力的平衡，而应力释放会使该基材慢慢发生翘曲。

图1 复合材料结构示意图及复合过程示意图Fig.1 Schematic illustration of compound material and composite process

图2 张力拉伸作用下基材受力情况Fig.2 Force situation of base material under the effect of tension

1.1.2 穿膜方式影响

在相同导辊分布的情况下，采用不同的穿膜方式会有不同的包角摩擦，产生不同的摩擦接触面积，摩擦力越大其产生翘曲趋势越大。实际工程应用会以总包角来表征这一概念，具体是将工程布置图例按照1∶1 将基材走过导辊绘制成公切线，穿过某一段特定区域的导辊的所有包角相加得出总包角［8］。图3为采用相同一段导辊，两种穿膜方式的示意图。从图中可以得出穿膜方式1的总包角为1075°，穿膜方式2的总包角为813°，可以得出方式2比方式1少了262°的包角摩擦。因此在其他条件一致的前提下，穿膜方式1会产生更大的翘曲趋势。

图3 穿膜方式示意图Fig.3 Schematic illustration of two film piercing methods

1.2 设备因素

1.2.1 复合压力及辊径曲率影响

目前的复合机复合装置普遍采用三辊式结构，结构如图4 所示。复合压力指复合橡胶辊与热辊（不一定加热）之间的压力，它是复合橡胶辊与热辊间的或是施加在正在复合的材料单位长度上的压力值，即线压力。生产时复合压力要适中，太小时可能会出现贴合不够紧密，甚至出现小气泡等产品问题；太大时基材有被压延变形的可能，形成一个往橡胶辊方向翘曲的变形。

图5 为辊曲率的应变图。假设复合前第一基材厚度为a（含干胶厚度），第二基材厚度为b，橡胶辊半径为R，则可以得出第一、第二基材形变分别为：

图4 三辊复合结构示意图Fig.4 Schematic illustration of three roll composite structure

因此，基材形变与橡胶辊半径成反比关系，越大的辊径其对复合基材的形变越小，反之越大，这也可以解释为什么卷芯内部比卷芯外部翘曲严重。

图5 辊曲率的应变示意图Fig.5 Schematic illustration of effect of roll curvature on deformation

1.2.2 导辊导入位置影响

图6 为导辊导入位置对材料翘曲的影响，其中假设图示基材为第二基材。图6（a）为合格的基材导入位置，若导入导辊存在平行度问题，如图6（b）所示的不平行的情况（为表示清楚采取夸张画法，实际生产中不平行问题肉眼较难观察），则会存在左边松、右边紧，于是基材右边便存在拉伸过渡，基材左边造成松弛，因此按照这种导入位置生产的产品会产生右边单边往第二基材方向翘曲，左边往第一基材方向翘曲。实际发生的不平行问题一般生产人员肉眼较难发现，需定期由专业的工程技术人员对导辊做平行度的测量［9］。

图6 导辊导入位置示意图Fig.6 Schematic illustration of guide roll position

1.3 原材料因素

1.3.1 基材热收缩

薄膜加工时，一般会将其加热至高聚物的高弹态温度以上，采用拉延或淋膜等方式对其进行拉伸，大分子链就会沿外力作用方向，进行有规则的定向排列，之后对薄膜进行冷却收卷，分子链段的定向被冻结起来。当进入下游复合材料生产时，处于第一放卷的基材，涂胶进入烘箱后重新对薄膜进行加热，由于分子链段的活动，高聚物有一种恢复其拉伸前尺寸的趋势（记忆功能），被拉伸定向的薄膜产生应力释放，已定向的薄膜发生解取向，薄膜就沿原来拉伸方向收缩恢复到初始尺寸，产生热收缩性［10］。

实际生产过程往往在工艺上对烘箱温度进行调整来控制基材热收缩，但本质影响因素是在基材上。因此对应涂布工艺参数，则体现为温度越高热收缩越大，基材翘曲趋势表现越严重；车速越慢热收缩越大，基材翘曲趋势表现越严重。当与第二基材进行复合时，二者因为不同的收缩量从而产生复合成品的翘曲（往第一基材方向翘）。

实际生产结合胶黏剂溶剂挥发及固化的设计，需要寻找到烘箱温度的平衡点。

1.3.2 胶黏剂影响

图7 为三种基材在涂布过程中的干燥曲线，实线表示溶剂含有率曲线，虚线表示基材升温曲线［11］。可以看出溶剂含有率呈现极速下降后趋于稳定，而基材温度先平稳后迅速上升，对于任意基材此趋势是一样的。假设生产过程中胶黏剂体系中溶剂沸点偏低，如使用乙酸甲酯之类的单一溶剂，会使得整体的曲线往左移，基材在高温段的热量没有被溶剂挥发吸热带走，会使基材温度迅速上升，造成基材热收缩。最合理的溶剂设计应该是有低沸点、中沸点、高沸点的梯度设计，保证在中、中高、高温段均有溶剂参与挥发，可以及时带走基材上的热量，同时对于胶层内部的溶剂扩散有一个缓慢均匀的过程。

图7 三种基材的干燥曲线Fig.7 Drying curves for three base materials

复合膜的胶黏剂涉及热固化、光固化或二者的混合体系，一般热固化的工艺收卷下线后，如果此时工艺调整为翘曲合格，那么进入熟化后，胶黏剂反应过程中会产生收缩，导致胶黏剂最终往第一基材方向翘曲，因此最佳的下线品质应该做成第二基材方向微翘曲［12］。

至于光固化体系直接在线固化，同样也会在固化后产生一定的收缩，但后续不进一步反应，因此对于该体系胶黏剂，应该将工艺调整为不翘曲下线。

由于溶剂体系和胶黏剂熟化反应的影响，因此涂层厚度越厚，往第一基材方向翘曲的趋势越严重，根据溶剂体系设计和胶黏剂熟化反应的描述，可以推断涂层越厚则收缩趋势加强，其翘曲越严重。

1.4 其他

虽然以上陈述为引起翘曲的主要因素，甚至是源因素，但是产品从原材料到最终的成品，引起翘曲的因素还包含很多因素，如烘箱温度、烘箱排风、收卷方向、管芯尺寸、冷却系统、熟化温度、环境温湿度等，均会影响到产品的最终翘曲。

2 结语

在新材料领域，对于模切后加工工段，对材料翘曲均有一定的要求，否则产生的生产效率低下、尺寸不对、位置偏移等一系列问题均会影响生产。另外一方面，在实际生产过程中，翘曲因素的产生和解决往往更加复杂，工艺技术人员和生产人员需要结合现场，多做总结，排除各项原因，做出最优的方案。