光固化粘合(hé)劑的機遇與挑戰(zhàn)

摘要： 簡要總結了(le)光固化粘合劑及(ji)其應用的特點、配(pèi)方🔅設計要點、難點(dian)和核心性能指标(biao)；從技術特色和技(ji)術先進性角度🏃‍♂️提(tí)出了一些值得關(guān)注、并有較大市場(chang)空間的光固化粘(zhan)合劑，包括 UV 壓敏膠(jiao)、複合膠、建築膠、電(dian)子膠和光學膠；分(fèn)析了提高光固化(hua)的官能團轉化率(lü)的重要性以及新(xin)原料、新産🌏品開發(fa)方面的一些難題(tí)。

 

關鍵詞： 光固化；粘(zhān)合劑；光聚合

 

1 ． UV粘合(hé)劑

光固化粘合劑(jì)，簡稱 UV 粘合劑，其膠(jiāo)層是采用紫外光(guang)照射而固化。與熱(re)固化、濕氣固化🍓等(děng)固化方式相比， UV 固(gu)化有許多獨特和(hé)先進之處：

1 ）快速固(gu)化：可在 0.01 ～數秒的時(shí)間“瞬間”固化。例如(rú)， DVD 光盤的粘接用閃(shǎn)光曝光固化；

2 ）單組(zu)分：使用時無需配(pei)膠，打開即用；

3 ）常溫(wen)固化：光固化無需(xu)加熱，低溫也可以(yi)固化；

4 ）節能：與熱固(gu)化相比可節能 90% 以(yǐ)上；

5 ）無溶劑：光固化(huà)材料組分幾乎 100% 固(gù)化，幾乎無 VOC 排放。

上(shàng)述的前 3 個特征顯(xiǎn)示了 UV 膠在使用方(fang)便的優點，使得一(yī)些傳統的熱固化(hua)粘合劑升✨級🈲爲光(guang)固化粘合劑，并開(kai)拓新的應用領域(yù)，也推動 UV 膠在電子(zǐ)産品生産獲得廣(guǎng)泛應用，可通過程(chéng)序化控制使光電(dian)子元件連續、高效(xiao)、自動化地粘接、定(ding)位。在現代先進光(guāng)電子器件、觸摸屏(ping)器件、智能手機等(deng)電子産🐕品中， UV 膠成(cheng)爲必用品和必用(yong)技術。

近年來我國(guó)在光固化材料領(lǐng)域發展速度非常(cháng)快， UV 固化塗料已廣(guǎng)泛應用于日常生(shēng)活的各個方面，包(bāo)括建築裝飾、包裝(zhuang)和印刷、手機以及(jí)電器等的保護🈲和(he)裝飾等💰用途； UV 粘合(he)劑也在各個領域(yù)獲得廣泛應用，尤(you)其是需要快速、高(gao)效🔱裝配的高技術(shù)産業領域，例如照(zhao)相機、光盤、手機按(àn)鍵、磁電機的裝配(pèi)、印刷線路闆、偏光(guang)部件以及 LCD 模組、智(zhì)能手機、觸摸屏器(qi)件等光電信息産(chǎn)品的制造；在日用(yong)品💛領域， UV 膠，俗稱“無(wu)影膠”廣泛用于玻(bo)璃家具和玻璃工(gong)藝品、燈具、玩具、鍾(zhong)表、圖（像）片保護等(děng)，已經是粘合劑的(de)一🏃🏻個品種。

 

2 ． UV粘合劑(jì)的設計

UV 膠由光敏(min)劑、樹脂和單體爲(wèi)主要成分構成，光(guāng)敏劑吸👄收光能而(ér)激活，并分解出高(gāo)活性物種，引發樹(shu)脂和單體的聚合(hé)🥰官能團發生聚合(hé)反應，使得粘合劑(jì)固化并産生強的(de)粘合👉力。按照聚合(he)反🔞應的類型 UV 膠分(fen)爲自由基型和陽(yáng)離子型，前者的單(dān)體和樹脂💰含丙烯(xi)酸酯基團、後者主(zhǔ)要是環氧基團。 2 種(zhǒng)聚合反應的差異(yì)主要在于：自由基(jī)聚合反應速度快(kuài)，但體💃積收縮大，空(kong)氣有嚴重的聚合(hé)抑制作用；後者聚(jù)合體積收縮小，空(kōng)✔️氣無影響，但聚合(hé)速度稍慢，反應對(dui)水汽敏感，而且陽(yang)離子引發劑分解(jiě)的酸可能對一😄些(xie)粘接材💃質有腐蝕(shí)作用。總體來說，自(zì)由☂️基型粘合劑的(de)原料來源更多，成(chéng)本更低。

不同于 UV 塗(tú)料單面附着，以裝(zhuāng)飾和保護功能爲(wèi)主， UV 膠則是要使 2 個(gè)界面牢固地聯接(jie)，性能和配方設計(ji)的關注點不同。 UV 膠(jiao)的性能設計和傳(chuan)統的粘合劑有很(hěn)多相同，要考慮的(de)✌️因素☁️包📱括：

1 ）性能要(yào)求：粘接件的用途(tú)、使用環境、溫度範(fan)圍、電性能、光學性(xing)能、健康指标；

2 ）粘接(jie)材質，特别是表面(miàn)特性：塑料、金屬、皮(pi)革、薄膜、光滑性、多(duō)孔性、結晶或非晶(jing)性等；

3 ）粘接工藝：固(gu)化方式和速度、光(guang)源、施膠方式、黏度(du)；粘接件的😘用途🏃🏻‍♂️決(jué)定了粘合劑的性(xing)能要求：結構膠強(qiáng)調粘🏒接強🚶‍♀️度、穩定(dìng)性👌；電子膠要兼顧(gù)粘接力、電性能、固(gù)化速度；光學膠需(xu)要⁉️特定的光學指(zhi)标，包括透明性、折(shé)射率、黃變性和🎯高(gāo)低溫穩定性等；無(wú)🏃🏻影膠的重㊙️要性能(néng)是粘接力、環境穩(wen)定性、顔色。粘接力(lì)是所有粘合劑的(de)第一🙇🏻評價指标，它(ta)受💰粘接材質和固(gu)化工藝影響，非✉️極(ji)性、低表面能、光滑(huá)、結晶性基材通常(chang)難粘接；基材的透(tòu)光性🈲影響光固化(hua)的速度、程度和深(shen)度，一些透明的塑(su)料基材，可能含有(you)光穩定劑而對紫(zǐ)外光有屏蔽，需💰要(yào)選用光引發劑以(yi)避開穩定劑的吸(xī)收峰。

設計 UV 粘合劑(jì)時也需要考慮使(shi)用工藝的要求，電(dian)腦控制❄️的點膠和(he)😍印刷塗布施膠對(duì) UV 膠的黏度、感光特(te)性和光活性差别(bié)很大；用于玻璃💰家(jia)具和⛷️玻璃🈲工藝品(pin)的無影膠在陰天(tian)也可以自然光固(gù)⛱️化，無需 UV 燈。光纖耦(ou)合 UV 膠則用很弱的(de)熒光燈固化。這些(xiē)要求都是 UV 粘合劑(jì)設計的邊界條件(jian)，要通過 UV 樹脂、單體(ti)以及光敏劑的組(zǔ)合才能滿足這些(xie)條件。

 

3 ． UV粘合劑的機(jī)遇

UV 粘合劑大緻可(ke)以分爲有基材（膠(jiao)帶、雙面膠），和無基(ji)材❌（液态膠水）的 2 大(da)類，後者使用時 UV 光(guāng)照射固化，前者 UV 光(guāng)照射可以增加或(huò)減低粘接性， UV 減粘(zhān)膠帶作爲臨時保(bao)護或臨時定位，在(zai)微電子、光電子器(qi)🔞件，例如晶片、觸摸(mo)屏玻璃加工業有(you)很大的需求。

 

3.1 壓敏(mǐn)膠（PSA）

PSA 目前都是經過(guo)溶液塗布、幹燥和(hé)化學反應制得，超(chāo)過 60% 的溶劑要揮發(fa)、燃燒掉，排放高、生(sheng)産過程長、效率低(dī)，産品中🌍還可能殘(can)留溶劑等有害化(hua)學品。用 UV 固化方式(shì)生産 PSA ，将無溶劑的(de)液态成分塗布在(zài)基材上後，用 UV 光照(zhào)射進行光聚合就(jiù)制成，無需熱烘道(dào)，生産線簡化，生産(chǎn)過程環保，幾乎零(ling)排放，生産效率也(yě)大大提高。

PSA 的産品(pin)形式多樣，從裝飾(shì)膜、各種保護膜到(dào)工程結構膠帶，用(yòng)途非常廣，在廣告(gao)闆、電子産品到高(gāo)端包裝盒中都要(yào)用到。

 

3.2 複合膠

食品(pin)、飲料和一些生物(wu)醫藥制品需要高(gao)阻隔軟包裝💁，包裝(zhuāng)材料的阻隔性決(jué)定和影響可食用(yòng)的時間。高阻隔包(bāo)📐裝材料由塑料薄(báo)膜與紙張、金屬膜(mo)複合制成，具有強(qiáng)度高、隔氧和隔水(shui)性好、安全衛生無(wú)毒❤️、适應印刷的特(te)點，能耐凍和耐 120 ℃高(gao)溫。目前軟包裝行(hang)業的複合膠幾乎(hu)都是溶劑型粘合(he)劑，溶劑⭐的質量＞ 70% ，複(fú)合過程經由塗布(bu)、溶劑揮發、複合、存(cun)放和熟化的工藝(yì)步驟，除🌂了易燃、易(yi)爆，排放高、生産過(guò)程長、效率低，複🈚合(he)膜中還殘留✏️有溶(rong)劑。每到精美包裝(zhuāng)需求旺盛、交貨急(ji)的節日時段，許多(duō)複💞合包裝膜并沒(méi)有充⭐分反應和徹(chè)底揮發幹淨溶劑(jì)就交付使用，殘留(liu)的溶劑和未反應(yīng)完全的化學物質(zhì)可能滲透、污染食(shí)品，這是目前仍有(you)不少醫藥和食品(pǐn)包裝物的健康指(zhǐ)标不達标的一個(ge)主要原因。水性♌粘(zhan)合劑雖然無溶劑(ji)，但幹燥慢、生産效(xiao)率低，對塑料的粘(zhān)接性能也不理想(xiang)。用 UV 粘合劑取代溶(rong)劑型粘合劑，不僅(jin)複合膜的生産效(xiao)率将會大大⭕提高(gao)，由原來的幾小時(shi)的生産過程減小(xiao)到一分鍾就可完(wán)😍成； UV 粘合劑不含溶(rong)劑，無揮發，無有害(hài)殘留物，更可以保(bao)證🌂複合膜達到食(shí)品、醫藥等包裝材(cai)料的健康和衛生(sheng)要求。

 

3.3 建築膠

安全(quan)玻璃主要采用聚(jù)乙烯醇縮丁醛膠(jiao)片爲粘接材料，經(jing)過真空脫氣和熱(rè)壓的工藝将玻璃(lí)片粘接而成，總生(sheng)産時⚽間需要約十(shi)多個小時。采用封(fēng)邊、灌膠、自然光下(xia)存放數十🐪分鍾完(wán)成光聚合的液态(tai)粘貼方式生産夾(jia)膠安全玻璃，也已(yi)經有較長的時間(jian)，但目前還是非主(zhu)流産品，主要用在(zài)低端安全玻璃🐪市(shì)場。液态粘接🌈方式(shi)不能廣泛接受的(de)原因，主要是 UV 膠的(de)性能還不足，安全(quan)性缺乏可信賴的(de)數據。 UV 膠在建築領(ling)域的增長勢頭良(liang)好，商店廚窗和裝(zhuāng)修、彩色玻璃都在(zai)使用 UV 膠。随着性能(neng)的提高， UV 建築膠将(jiang)有很大的發展。

近(jìn)年來 PVC 石塑地闆的(de)應用在國内得到(dao)快速發展，施工方(fang)法是先🐉在施工地(di)面上刮平一層粘(zhan)合劑，然後将 PVC 地闆(pan)粘接上去。 PVC 塑料地(di)闆膠主要可分爲(wei)水乳型、溶劑型、反(fan)應型 3 大類。水乳型(xing)膠粘劑以水爲分(fen)散介質，産品無毒(dú)，成本低。但耐水性(xing)差，一般經水浸泡(pào)後，粘接力大幅下(xia)降，如✏️水性丙烯酸(suan)酯。溶劑型膠粘劑(ji)主要是聚醋酸🧡乙(yi)烯系和氯丁橡膠(jiao)系膠粘劑。反應型(xing)則有聚氨酯🆚系列(liè)膠粘📐劑。這類粘合(hé)劑施工後都需要(yao)等溶劑揮發幾個(ge)甚至幾十個小時(shi)，在此期間施工場(chǎng)所不能🔞使用，若使(shǐ)用光固化粘合劑(ji)則不存在這樣的(de)問題，可以先将光(guāng)固化膠塗布在地(dì)面上🎯，自流平後用(yong)紫外光照使其固(gu)化，表面具有粘性(xing)，然後将 PVC 地闆鋪上(shang)即可立即使用，不(bú)僅大大縮短了施(shī)工周期，而且整⭕個(ge)生産過程沒有溶(rong)劑揮發，不污染室(shi)内🌍空氣。

 

3.4 電子膠

電(dian)子産品領域已經(jīng)大量使用 UV 膠，包括(kuò)排線定位、管腳密(mi)封、液晶面闆的制(zhì)備、手機按鍵等， UV 固(gù)化粘接是電子産(chǎn)品制造中必用的(de)技術手段。随着電(diàn)子産品😍的薄層化(hua)以及有機光電子(zǐ)器件、柔性😄可彎🌍曲(qu)顯🚩示器件的出現(xiàn)，适應卷對卷工藝(yi)的 UV 粘合劑有巨大(da)的需求。 UV 固化的高(gao)效、快速、及時、可控(kòng)制性的特點将充(chōng)分顯現。

 

3.5 光學膠

觸(chù)摸屏目前是 UV 光學(xué)膠的最大單一應(ying)用。觸摸屏中的 UV 光(guāng)學膠有 3 個功能：粘(zhan)接、增加透光性和(he)提高抗沖能力，需(xū)要滿足嚴格的🌂性(xing)能要求，包括顔色(se)、耐候和環境穩定(ding)性🐕、電器性能⭐、光學(xué)性能等。觸摸屏貼(tiē)合涉及的粘接材(cai)質主要有：玻璃、 ITO 導(dao)電層、 PET 、 PMMA 、 PC 等。當觸摸屏(píng)采用藍寶石用後(hòu)，爲提高透光性将(jiang)需要更高🛀折🏃‍♂️射率(lü)的 UV 膠。目前用于觸(chù)摸屏的有液态（ LOCA ）和(he)固态的 （ O CA ） 光學膠，前(qián)者用程序控制點(dian)膠機點膠，蓋上玻(bo)璃蓋闆、流平🌍和充(chong)滿後透過蓋闆固(gu)化，具有填充性好(hao)、施膠方便的優點(dian)，但需要做溢膠清(qīng)理； OCA 是無基材的雙(shuang)面 PSA ，上下都是離型(xing)膜，使用時先去除(chu)輕離型膜進行貼(tiē)合，然🙇‍♀️後❓去除重離(li)型膜再與另一粘(zhān)接面貼合。早先的(de)觸摸屏采用的液(ye)态膠是熱固化，生(sheng)産過程長，效🈲率低(dī)，現🌈在已經全部轉(zhuan)👄變爲 UV 固化膠。目前(qian)的 OCA 還是采用傳統(tǒng)的溶劑型膠經過(guò)塗布、幹燥、熱交聯(lian)工藝🙇‍♀️生産，烘道長(zhang)，灰塵等引起的瑕(xiá)疵多。改用 UV 固化工(gōng)藝将大大提高生(sheng)産效率、降低設備(bèi)投入和生産成🥰本(běn)。

 

3.6 UV 醫用膠

UV 膠在醫療(liáo)領域有極大的增(zeng)長空間，例如醫用(yong)壓敏膠🛀🏻或❌膠帶改(gai)爲 UV 固化制備，可以(yi)形成系列産品，優(yōu)點已如前所述。

 

3.7 UV 粘(zhan)合劑面臨的挑戰(zhan)

要适應産業發展(zhan)和應用需求， UV 粘合(he)劑在固化技術、原(yuán)材料和開發新品(pin)種方面都面臨諸(zhū)多挑戰。

在 UV 固化技(ji)術方面，提高官能(neng)團以及單體的 UV 固(gu)化轉化率，降低固(gu)化的體積收縮率(lǜ)，對于提高 UV 膠的性(xìng)能、擴展應用性能(neng)特别重要。殘留的(de)官能團會使得光(guang)固📱化後的粘合劑(ji)層的性能逐步變(biàn)化，比如可能硬化(hua)、收縮、破🌂壞粘接層(céng)；單體轉化不完全(quan)，固化物會👣産生異(yi)⛹🏻‍♀️味或刺激性氣味(wei)，影響 UV-PSA 的可使用性(xìng)；固化過程的體積(jī)收縮越小，粘合劑(jì)的粘接力越強💘，界(jiè)面變形越小，這對(duì)光電子功能器件(jiàn)的粘接非常關鍵(jiàn)。自由基 UV 膠的體積(ji)收縮一般大于 5% ，陽(yang)離子 UV 膠的體積收(shōu)縮可以很小，但光(guang)産酸劑的分解物(wù)對一些應用有影(ying)響，同時原料品種(zhong)有限，導緻陽離子(zǐ) UV 膠應用有限。

開發(fa)基于天然産物以(yi)及生物質的 UV 固化(hua)樹脂，開發高分子(zi)質量、低黏度的 UV 固(gu)化樹脂，制備高折(she)射率的 UV 固化原材(cái)料。天然産物或生(sheng)物質原料的 UV 固化(hua)樹脂，可以完全分(fen)解，回歸自然，對環(huán)境和生态的影響(xiǎng)小，以此開發 UV 複合(he)膠、 UV-PSA 的經濟和社會(huì)意義都很大。 UV 樹脂(zhi)通常是分子質量(liàng)在一萬以下的齊(qí)聚物，高分子質量(liàng)的樹脂黏度大，需(xū)要稀釋劑降低黏(nián)度，但高分子質量(liàng)的樹脂，即使所帶(dài)的官能團少也可(ke)以快速固化，氧阻(zǔ)聚不明顯，體積收(shōu)縮小，非常适合高(gāo)性能 UV-PSA ；用高分子質(zhì)量、低黏度的 UV 固化(hua)樹脂可以開發出(chū)耐候性好、粘接力(li)強而穩定的 UV 建築(zhù)膠，可用于新型安(ān)全玻璃、節能玻璃(lí)，有巨大的應用市(shì)場💰。目前還沒有成(chéng)熟的高分子質量(liang)、低黏度的 UV 固化樹(shù)脂的制備方法。高(gāo)折射率的 UV 固化材(cái)料是大功率 LED 的封(feng)裝、藍寶石光學器(qì)件粘接的關鍵材(cai)料。通常有👅機✂️材料(liao)的折⚽射率在 1.6 以下(xià)，而且高折射率材(cai)料通常帶顔色，耐(nài)熱性不好✊；需要采(cai)用有機 - 無機納米(mi)複合才可能得到(dào)顔色淺、折射率高(gao)于 1.7 ，耐熱性較好的(de)材料。可以找到一(yi)些制備高折射率(lü)材料的實驗室方(fang)法。

高阻隔性 UV 膠、光(guāng)固化異向導電膠(jiao)（ UVACF ）、高耐水性“無影膠(jiāo)”、高強度 UV 複合膠、 UV 醫(yī)用膠等新産品和(hé)技術都待開發。

柔(rou)性、可卷曲光電子(zǐ)器件都需要 UV 膠進(jìn)行粘接和封裝，高(gāo)透明、高阻隔性封(feng)裝膠是關鍵材料(liao)。以性💞能要求最高(gao)的有機發光器件(jiàn)（ OLED ）爲例，封裝材料對(dui)氧氣和水的滲透(tou)率分别爲： H O ＜ 5 × 10^-6  g/m² · ₂  d ， O ＜ 10^-5  c m³  / m² · d 。現有的(de)有機材料的氧氣(qì)、水 ₂ 的滲透率低了(le) 4 ～ 5 個數量級，需要與(yu)最近剛出現的厚(hòu)度僅幾十微米的(de)可卷曲的🐇玻璃複(fu)合，才有望達到阻(zǔ)隔性能的要💃🏻求。

異(yi)向導電膠（ ACF ）是液晶(jīng)、等離子等顯示器(qì)件的定向導電材(cai)料，在電視機、電腦(nǎo)、觸摸屏以及智能(neng)可穿戴電子産品(pǐn)中用途廣泛，其結(jie)構🏃‍♂️和導電機理如(ru)圖 2 所示，圖 2 中的小(xiǎo)元點代表高導電(dian)的微球，粒徑小于(yú) 10 μ m ，在 ACF 中的填充量通(tōng)常小于 10% 。上圖爲包(bāo)含固化劑、需要低(di)溫保存、預塗在離(lí)型基材上的帶狀(zhuàng) ACF ，使用時去除上下(xia)離型層、貼合、熱壓(ya)固化；壓合後多❗餘(yu)🈲的導電微球被擠(ji)到空隙處，留在上(shàng)下微電極間💃🏻的微(wei)球導通電路，與左(zuǒ)右的微球不接觸(chu)，導電性被限制在(zài)上下方向。熱固化(huà)的 ACF 如果改成 UV 固化(hua)，可以使運輸、保存(cún)的條件大爲寬松(sōng)，無需低溫存放的(de)嚴格🥵要求，固化過(guo)程無需加熱，粘接(jie)後無熱應力殘留(liu)，也更高效和快速(sù)。由于 ACF 中的導電粒(li)子含量不多，采用(yòng)光固化是可能的(de)，但🐕由于在貼☂️合時(shi)電極可能僅部分(fèn)透光，需要從貼合(he)側面曝光，固化深(shen)度可能需要達到(dào) 10 mm 級，有一定的困難(nán)，需要新的固化技(ji)術。

“無影膠”廣泛用(yong)于玻璃、鍾表、工藝(yì)裝飾工藝品等的(de)粘接和制造，使這(zhè)些産品的生産過(guo)程大爲簡化，但目(mu)前的 " 無影膠 " 耐水(shuǐ)性不夠，比如不能(neng)用于魚缸一類玻(bo)璃制品的粘接✂️或(huò)㊙️封邊。對玻璃一類(lei)極性基材，需要極(jí)性的官能團提供(gong)粘接力，但極性的(de)官能團親水性高(gāo)，耐水性不足。需要(yào)新的技術和專用(yòng)☂️樹脂來開發對玻(bō)璃的呈高粘接力(li)的高耐水性“無影(ying)膠”。聚酯膜 PET 的光學(xué)性能好，強度高，阻(zǔ)隔紅外線的 PET 防曝(pù)膜技術也成熟，如(ru)果有高強度的 PET 膠(jiao)，可以形成一系列(liè)産品，例如新的建(jiàn)築節能安全玻璃(li)、安全玻璃膜，采用(yòng) UV 固化的方式生産(chan)。目前的防曝膜對(duì)玻璃的粘接力尚(shang)可，但還達不到安(ān)全玻璃的長期穩(wen)定性和耐水等的(de)🤟要求，而現有的 UV-PSA 膠(jiao)殘留氣味大，需要(yào)用新樹脂和新方(fang)法開發高性能的(de)💯 UV-PSA 。

 

4 ． 結束語

中國有巨(jù)大的制造業和産(chǎn)品市場，但目前先(xian)進技術主要依靠(kào)外面輸入，與先進(jin)制造配套的材料(liào)也是靠❤️進口，這種(zhǒng)狀況正在改變。雖(suī)然我國的粘合劑(jì)企業成規模的不(bú)多，但多年的按訂(dìng)單制造，仿制和改(gai)進實踐，還是積澱(dian)了技術，也形成了(le)不少有一定創新(xīn)能力的公司。“無影(yǐng)膠”就是我們逐㊙️漸(jiàn)優化成形的産品(pǐn)，我們也開發了 UV 光(guang)學膠。市場需求就(jiù)是最有效的推動(dong)力，未來幾年我國(guó)🔴 UV 膠産品和技術将(jiāng)有非常大的進步(bù)。
 

來源：《粘接》，作者：王(wang)躍川、趙衛宙