吴乐|杜静华|郭文和|董晓宇|李超|郑双|孙新瑞|尹浩岩|侯小花|张国兵|丁云生
中国合肥工业大学化学与化学工程学院聚合物材料与工程系，合肥，230009
摘要
液晶显示器中亮度增强薄膜的性能从根本上取决于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基层与紫外固化层之间的界面粘附力和光透射率。本研究合成了一系列水性聚氨酯（WPU），作为界面粘附层，以实现牢固的粘附力同时保持亮度增强薄膜（BEFs）的透明度。通过调节聚酯二醇与异山梨醇的摩尔比，改变了软段和硬段的结构比例。研究了硬段含量对WPU表面能、热稳定性、剥离强度和机械性能的影响。结果表明，加入异山梨醇结构的WPU提高了PET与紫外固化层之间的剥离强度，同时保持了PET的透明度。与未经处理的PET相比，引入WPU中间层后，PET与紫外固化层之间的剥离强度提高到了1.36 N/mm，提高了91%。这项工作为设计和合成具有强粘附力和高透明度的WPU中间层提供了一种有效策略。
引言
液晶显示器（LCDs）市场的不断增长[1]、[2]、[3]、[4]、[5]对亮度增强薄膜（BEFs）的性能要求越来越高，BEFs是背光单元中的关键元件，负责提高亮度[6]、[7]。通常通过将紫外固化层涂覆在PET基层上，然后通过滚压形成棱镜微结构并在紫外光下固化来制造BEFs。BEFs的光学性能和长期可靠性从根本上取决于PET与紫外固化层之间的粘附力和光透射率。然而，PET表面缺乏极性官能团，加上其形成结晶聚集结构的倾向，导致紫外固化层的粘附力不足。这进而导致界面光散射、雾度增加，甚至分层，最终降低了显示器的亮度、对比度和使用寿命[8]。因此，在保持光学透明度的同时确保牢固稳定的界面粘附力仍然是BEF制造中的关键挑战。
目前，提高PET与紫外固化层之间界面粘附力的主要方法依赖于对PET基材的表面处理，如电晕处理[9]和等离子体处理[10]。虽然这些物理方法可以有效提高表面能并改善粘合效果，但不可避免地会引入表面粗糙度和化学缺陷。结果，光散射增加，界面反射率改变，从而降低了BEFs的光透射率。此外，电晕或等离子体处理的时效稳定性有限[11]。因此，在确保PET基材与紫外固化层之间牢固粘附的同时，同时保持其最终的光学透射率已成为开发高性能BEFs的核心挑战。相比之下，通过底漆涂层进行表面预处理提供了一种更有前景的替代方案。这种方法不仅简化了工艺，还保持了基材的高极性，并确保了长期稳定性。因此，粘合层材料的设计和合成对于克服BEF技术中的当前性能瓶颈至关重要[12]、[13]。
水性聚氨酯（WPU）通常由多元醇、二异氰酸酯、二醇、中和剂、亲水链延长剂和添加剂[14]合成，其结构和性能具有很强的可调性。这类材料具有优异的安全性、环保性和加工便利性[15]。特别是，源自聚酯多元醇的WPU通常对各种基材表现出优异的粘附性[16]，因为它们具有较高的内聚能。此外，其分子结构不仅包含丰富的脲键，还含有尿素键、酯键和羧基等极性官能团。这些官能团可以与基材表面的极性位点形成氢键或化学键，从而增强界面粘附力[17]、[18]、[19]。这些优势使WPU成为BEF中间层材料的理想候选者。由于PET表面富含芳香环和酯基，PET与WPU之间的界面相互作用受到WPU中脲键含量的强烈影响[20]、[21]。然而，较高的脲键含量会导致折射率增加，从而降低材料的透射率[22]。因此，在保持高透射率的同时提高硬段（HS）含量对于开发适用于BEF应用的高性能中间层非常重要。
异山梨醇（IS）是一种从玉米糖浆中提取的淀粉衍生化合物。作为一种可再生且多用途的生物基单体，其独特的双环结构有利于合成高分子量聚合物[23]。由于其固有的刚性、手性和生物相容性，异山梨醇被广泛用于合成具有高玻璃化转变温度和独特光学性能的聚合物[24]、[25]。异山梨醇的刚性手性双环结构破坏了聚合物链的规则排列，显著降低了结晶度。因此，含有IS的聚氨酯涂层表现出保持的光学透明度以及改善的机械和热性能[26]、[27]、[28]、[29]。因此，将异山梨醇引入水性聚氨酯结构为PET光学薄膜表面的改性提供了有前景的方法。
在本研究中，使用市售的聚酯二醇（HDPOL）作为软段和异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）及IS作为主要硬段，合成了一系列用于界面粘附层的WPU分散体。通过调节HDPOL与IS的摩尔比，控制了HS含量，以研究其对粘附层表面能、热稳定性和机械性能的影响，并进一步评估了WPU作为中间层的可行性。
材料
聚酯二醇（HDPOL，Mn = 2000 g/mol）购自上海汇德科技有限公司。异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI，99%）、2,2-二甲基氧丙酸（DMPA，98%）、异山梨醇（IS，97%）购自上海麦克林生化科技有限公司。铋催化剂BiCAT®8210由Shepherd Chemical Company提供。丙酮、三乙胺（TEA，98%）、乙二胺（EDA，98%）购自中国医药化学试剂有限公司。二碘甲烷也进行了采购
WPU-x的乳液性能
WPU的粒径分布如图1所示，乳液的相关性能列于表2中。随着DMPA含量的增加，粒径逐渐从73.6 nm（WPU-26）降至31.5 nm（WPU-56）。同时，乳液的颜色从乳白色变为半透明，如图S1所示。乳液在离心（3000 rpm，15分钟）后表现出优异的稳定性。这种稳定性的提高可以归因于结论
本研究合成了具有高粘附力和高透射率的WPU中间层，适用于PET光学薄膜。所有WPU分散体都表现出良好的分散稳定性。由于相结构更均匀且HS含量适中，WPU-40表现出最高的机械性能，达到了38.6 MPa的拉伸强度、95.4 MJ/m3的韧性以及150.0 MPa的杨氏模量。含有40%或更高HS含量的WPU表现出优异的粘附力
CRediT作者贡献声明
吴乐：撰写——初稿、研究、概念化。杜静华：撰写——审阅与编辑、方法论、研究。郭文和：研究。董晓宇：撰写——审阅与编辑、监督、研究。李超：研究。郑双：研究。孙新瑞：方法论。尹浩岩：撰写——审阅与编辑。侯小花：撰写——审阅与编辑、概念化。张国兵：撰写——审阅与编辑、概念化。丁云生：监督，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了安徽省自然科学基金（资助编号：2308085UM05）和安徽省发展和改革委员会重大产业创新计划（资助编号：AHZDCYCXJH-QC2025-05）的支持。
