光学透明感压胶配方设计理论

GMA
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一般来说官能基单体的数量或当量越多,后续与硬化剂及交联剂的反应速 率越快,但相对地,在二者混合后的安定性(或称Pot Life)则会降低,需要 针对硬化剂及添加剂的种类及混合方式作调整。 2.起始剂选择 常规溶剂型自由基起始剂多为热裂解起始剂,当起始剂受到温度影响时裂 解为自由基,再藉由自由基引单体双建的聚合反应。最常使用的二大裂解 型起始剂为偶氮型及过氧化物型。这二大系统起始剂经过长久发展,已衍 生出各种不同的化合物,各具有不同的裂解温度及裂解速率,可根据实际需 求,进行混用多种搭配,来达成最佳聚合效果。
根据式(2),高分子中引进高莫耳折射和低莫耳体积,可以有效增加高分子 折射率,如表一所示;当导入芳香环、卤素(F除外)、硫原子、金属原子皆 可使折射率提高,另外上述官能基互相结合使用,亦可达到协同效应,更能 提高折射率大小且阿貝數較高。
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偶氮二异庚腈
BPO(过氧化苯甲酰)
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3.溶剂选择 自由基聚合反应机构大略分为三个阶段 (1)起始阶段: 起始剂裂解产生自由基,与压克力单体上双键进行加成反应。 (2)链延长阶段: 被引发的单体成为新的自由基,与其他的单体上的双键进行加成反应。
(3)终止阶段: 反应過程中,二个自由基分子链碰撞形成化学键而终止聚合反应。 在链延长阶段中,溶剂系统中的酸性氢会影响自由基的传递效率,称之为链 转移,当聚合反应中有链转移反应中的干扰时,一般而言,分子量及转化率 会有显著的下降,在合成时要特别注意。 早年压克力感压胶聚合反应多以甲苯做为溶剂,其做为自由基聚合反应之 溶剂具有多种优点,首先,甲苯本身沸点高,因此可以溶許較高的反應溫度,
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补充一:有机材料折射率改質 由lorentz-lorenz式(1)可以预测官能基之种类对于高分子折射率大小
其中,n、R、M及V分别代表折射率、分子折射、分子重量及分子体在高 分子重复单元下,所以R/M和M/V分别可视为莫耳折射(RM)和莫耳体积 (VM),因此,式(1)可改写成式(2):
IBOA分子式 折射率 表面张力 dynes/cm Tg，℃ 官能度 分子量 C13H20O2 1.4738 31.7 88 1 208
光学透明胶配方设计ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ论 光學塗佈專案 - 光學膜相關
(2)Tg点 光学透明感压胶属于高分子,其Tg会随着分子链的长短以及组成分子链的 单体配方而有所不同,是各单体玻璃转移温度之间的综合结果。一般而 言,Tg点高的感压胶在常温(25度C)下会偏硬,机械强度会较高,但相对形变 特性较差,无法藉由分子链之间的移动去缓和受到的机械应力。 另外,高Tg点的压克力感压胶受到环境温度的限制较大,在热带及亚热带环 境由于室温较高,因此胶材能展良好黏弹特性,而具有一定黏着力,但在温 带或寒带则因环境温下降使得胶材受到Tg点的影响而偏硬,因此降低黏着 特性。相反地,Tg点低的胶材在常温胶性偏软,机械强度较差而容易形变, 但因分子链容易移动,因此具有释放应力的功能,适用的环境温度也较黄。 (3)折射率 另外对于折射率的要求,某些应用如偏光板的背胶或触控面板的绝缘胶,对 于压克力感压胶的折射率会有一定的要,一般是要求提高折射率的状况较 多。折射率属于物理特性,基本上为原料单体个别折射率的综合表现,但会
补充二:链转移反應 定义:链自由基从单体、溶剂、引发剂、大分子上夺取原子而终止，而失 去原子的分子成为自由基继续新的增长，使聚合反应继续进行的过程， 称为“链转移反应” CH2 CH Y + S CH2 CH + YS
2-phenoxyethyl Acrylate Benzyl Acrylate 折射率:1.518 折射率1.518
o-Phenyl phenoxy ethyl Acrylate折射率1.575
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(4)单体官能基 决定主要组成单体之后,接着需要设计感压胶中之官能基种类及数量。经 由合成制程产生的压克力感压胶本身为高分子聚合,具有一定的强度,但分 子链之间没有交联,因此耐侯性较差,后续可以用用交联剂及添加剂来改善 物性及耐候性,这就要求必须在原料单体中赋予可供交联的官能基单体。 最常用的官能包括羧酸、羟基及环氧基。带有羧酸基单体常用着如丙烯酸 及甲基丙烯酸;带有羟基的单体如2-HEA(2-hydroxyethylAcrylate)及2HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate);带有环氧基的单体如GMA(甲基丙烯 酸环氧丙酯;Glycidyl Methacrylate;2,3-Epoxypropyl methacrylate)。
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较常用的光安定剂有UV吸收剂(UV Absorber;UVA)及受阻胺光安定剂 (Hindered Amine Light Stabilizer;HALS)。常用的UV吸收剂包含苯酮 (Benzophenone )及苯并三氮唑(Benzotriazole )类光安定,随着化学结构 官能基的不同,UV吸收剂可以吸收不同波段的UV光,避免高能量的UV光对压 克力分子键造成断键破坏的劣化(光安定剂的种类及分子结构如补充三)。
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受到合成制程及分子量大小的影响。一般常用的压克力单体折射率都不高, 大约介于1.46-1.48之间,但仍有少数特殊的压克力单体具有较高的折射率, 较常用的有2-PEA(2-phenoxyethylAcrylate; 2-苯氧基乙基丙烯酸酯)或 BzA(Benzyl Acrylate;苯基丙烯酸酯)或OPPEA(o-Phenyl phenoxy ethyl acrylate ,邻苯基苯氧乙基丙烯酸酯)。这些压克力单体由于具有苯环结构, 因此折射率较其他单体高(有关高分子折射率公式说明在补充一)。
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在制程设计上弹性较大,其次由于沸点高,因此在聚合反应中溶剂可以承受 较多的反应热而不会在反应槽中形成太高的蒸气压,在安全性上,比低沸点 溶剂来的好;此外甲苯本身在结构上不具有酸性气,在自由基聚合反应中不 会有链转移(说明如补充二)的干扰,因此较容易合成出高分子量的压克力 高分子;最后以甲苯为溶剂的制程,其成品胶一般透明度较高,较能符合光 学胶的要求。
光学透明胶在多种产业应用广泛,举凡偏光板的背胶、车用隔热膜背胶、 玻璃防爆膜背胶、触控面板中绝缘胶、光学保护膜背胶,都可以见到身影。 如之前所说的,不同产业的应用,对物性、耐候性的要求,在配方设计端就 要考虑到原料单体的组成、起始剂选择、溶剂选择、安定剂选择。根据 不同领域的应用要求,使得压克力系感压胶的合成原料选用及组成设计、 合成方式与制程,乃至成品与硬化剂、添加剂的搭配方式,都可以因应需 求而调整。
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由于环保意识抬头,甲苯类溶剂(如甲苯及二甲苯)已逐渐被柰用,取而代之 的是酯类的溶剂。酯类溶剂的点随着碳数的提高而提高,例如乙酸乙酯的 沸点仅78度C,但乙酸丁酯的沸点高达126度C,比甲苯沸点110度C还高。 酯类溶剂在毒性上比传统甲苯大大降低,且其链转移特性不明显,目前已广 泛被用于自由基聚合反应中。除酯类溶剂外,还有酮类溶剂如丙酮或丁酮 也是另一种选择。酮类溶剂由于羰基的影响,其α氢酸度较高,对自由基反 应具有链转移的效果,因此可利用此等特性做为调控分子量的手段。 例如在乙酸乙酯溶剂中混入10-20%的丙酮,可有效降低聚合物的分子量,唯 一要注意的是低碳数的酮类溶剂沸点较低(丙酮沸点56度C;丁酮沸点79度 C),使用时比例不宜过高,以免反应槽蒸气压过高产生爆炸的工安意外。
光学透明胶配方设计理论
依应用选配单体种 类及数量、官能基、 与起始剂定义胶材 的内聚力 选配单体种类及数 量、官能基、溶剂 调制适合分子量大 小,对胶材之黏着力、 耐候、Tg点和软硬 性
视最终分子量挑 定起始剂与安定 剂,以得到较佳内 聚力与耐候性
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在显示器面板领域的应用上，除了黏着力及耐候性之外，光学上的要求 更是一大重点，如光学感压胶需要透明、无色、耐黄变。更有甚者，在 车辆或大型建筑的组装及施工过程中，甚至会要求感压胶要有缓和应力， 甚至耐高温的功能。
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应用 一般低阶胶带 3C设备应用 显示面板OCA 建筑用 黏着力要求 △ △ △ ○ 光学性 ╳ △ ○ ╳ 耐黄变 ╳ △ △ ○ 耐高温 ╳ △ ╳ ○ 耐冲击 ╳ ╳ ╳ ○
光学透明胶配方设计理论
前言 压克力系感压胶被广泛使用在各种领域,包括日常生活用胶带、3C设备、 显示器光学透明胶、汽机车、大阳能设备、大型建筑中。 在一般低阶胶带的应用，胶带本身属短期消耗品，可能对感压胶唯一要 求只有黏着力，而不考虑耐候特性；个人手持3C装置的应用中，装置会 通电而发热，也会长期暴露在温湿度不断变化的环境中，因此除了基本 的黏着力考虑外，耐候特性也成为考虑的因素。
1.原料单体的选择 (1)基材接着力 光学透明感压胶对二种不同基材间的黏着,首先考虑胶材对基材的wetting 效果。在原料单体的选择上必须根据基材表面特性做变更。 例如胶材是设计黏结在玻璃或金属等极性较高的表面,那么增加酸性单体 (如丙烯酸或甲基丙烯酸)的比例对黏着力会有显著提高。如果要黏着在塑 料表面上之感压胶,则必须选择在低表面能的单体,如IBOA(丙烯酸异冰片 酯)或2-HEA 。
比较特别的是光安定剂的保护机制是藉互变异构(Tautomerism)的结构变 化,接着经由放热而回到基态,因此其属于可逆的反应机制,故可以较长时 间地保护压克力胶材免于UV的破坏。(UV Absorber作用机制如补充四)
苯并三唑类的作用机制
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受阻胺光安定剂的保护机制则是藉由piperidine环上的氮原子补捉自由 基,接着经由modified Denisov Cycle回到基态,使自由基无法对分子键 持续性地破,而达到保护的效果。(受阻胺光安定剂作用机制如补充五) 实验显示,热安定剂、UV吸收剂及受阻胺光定剂之间有加成效果,因此一 般会在光学胶中复配使用以达到最佳保护效果。 结论 压克力感压胶的单体种类繁,有提高折射率、黏着性,也有具低表面能,种 种特性无法完整叙述。同样的单体组成,使用不同的制程设计可以聚合出 特性完全不同的胶材,所以配方设计必须与制程设计考虑在一起,生产制 程的条件与控制是另一个非常重要的的技术,在实验作的出来,量产不一 定得出和实验室一样的结果,尤其是在有机合成的部份。
乙酸乙酯EAC ; ethyl ethanoate 乙酸丁酯BAC ; butyl ethanoate
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4.安定剂的选择 实务上,聚合反应结束后会在胶体中添加若干安定剂，目的是避免高 分子胶材在后续的储存及运送过程中，受到氧气、温度或光照的影响 而产生劣化。在某些应用中，要求光学胶具有不黄变及抵抗UV的能力， 这也需要藉由安定剂来达成。安定剂依其功能可简单区分为热安定剂 及光安定剂，前者保护胶材不受高温影响而劣化，后者主要保护胶材 不受UV的高能量破坏。两类安定剂主要的保护机制大致不脱出抗氧化、 抗自由基的范畴，这也是压克力高分子胶材劣化的主要原因。 实务上,较常用热安定剂例如对苯二酚(Hydroquinone ; HQ)或对苯二 酚单甲醚(methyl ether Hydroquinone ;MEHQ)。热安定剂一般属于 亢氧化剂之范畴,藉由化学性的氧化还原变化而阻止胶材的受热劣化, 其反应为不可逆时,因此当所有的热安定剂皆消耗毕后,压克力胶材就 会失去保护。