功能薄膜可用于將附加功能集成到塑料部件中。例如，電致變色器件（ECD）可用于使透明表面變暗。但是，由于成本高昂且制造兼容性不佳，ECD尚未在市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟。在此背景下，卡塞爾大學(xué)材料工程研究所（IfW）的研究人員開(kāi)發(fā)了一套用于功能薄膜雙面注塑壓縮包覆的自動(dòng)化生產(chǎn)單元，可實(shí)現(xiàn)短周期的規(guī)模化生產(chǎn)。

標(biāo)題圖：圖為處于亮態(tài)的雙面注塑壓縮包覆電致變色多層系統(tǒng)，適用于透明應(yīng)用場(chǎng)景。調(diào)暗功能所需的直流電壓可通過(guò)兩側(cè)的銅觸點(diǎn)施加 ©卡塞爾大學(xué)IfW研究所

ECD層被涂覆在柔性聚碳酸酯（PC）薄膜上。這使其具備三維可成型性，對(duì)于某些應(yīng)用而言極具價(jià)值，例如一鍵變暗頭盔面罩或眼鏡鏡片。

為了將該涂層系統(tǒng)集成到用于透光應(yīng)用的三維部件中，ECD雙面均用PC進(jìn)行注塑包覆。這種封裝方式可保護(hù)敏感的ECD免受環(huán)境影響。

FIM生產(chǎn)單元的自動(dòng)化工藝步驟

為了在PC薄膜上加工ECD，塑料工程師使用了一套與Polar-Form Werkzeugbau GmbH公司合作開(kāi)發(fā)的注塑壓縮模具（圖1）并通過(guò)一臺(tái)雙組分注塑機(jī)（型號(hào)：Allrounder 470 S；制造商：阿博格）進(jìn)行薄膜嵌件注塑成型（FIM）。為此，他們特意選用了一種特殊的注塑成型方式——注塑壓縮成型。該工藝的特點(diǎn)是，在熔體注入時(shí)，模具型腔的尺寸大于最終部件。這意味著保壓壓力并非通過(guò)澆口施加，而是通過(guò)模具的壓縮功能均勻地分布在部件表面。

IfW這項(xiàng)方案的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其自動(dòng)化程度。集成于生產(chǎn)單元的六軸機(jī)器人手臂（型號(hào)：KR 16；制造商：庫(kù)卡）通過(guò)一個(gè)夾持器逐一拾取功能薄膜，隨后將其送入多個(gè)外圍設(shè)備以清除灰塵和其他雜質(zhì)，最后將薄膜嵌入1+1結(jié)構(gòu)的注塑壓縮模具中。薄膜嵌件通過(guò)四個(gè)角上的固定夾和集成的真空吸附孔固定在準(zhǔn)確位置。

EDC第一面PC的注塑在下方工位的型腔中完成。隨后，半成品轉(zhuǎn)上方工位，在此處由進(jìn)行另一面（同樣為PC）的注塑，對(duì)其進(jìn)行完全包覆封裝，最后由機(jī)器人將成品部件脫模取出。壓力和溫度傳感器在此過(guò)程中用于監(jiān)測(cè)薄膜嵌件所承受的載荷，位移傳感器則用于記錄成型間隙的變化。

圖1：模具的可動(dòng)側(cè)（左側(cè)）配備轉(zhuǎn)盤(pán)式分度板、成型框架和彈簧組件，固定側(cè)（右側(cè)）則裝有壓力和溫度傳感器以及薄膜夾持裝置 ©卡塞爾大學(xué)IfW研究所

圖2：成型框架的注塑壓縮模具示意圖展示了成型間隙閉合時(shí)的成型步驟 （來(lái)源：卡塞爾大學(xué)IfW研究所；制圖：© Hanser）

可動(dòng)模具上的成型框架

該注塑壓縮模具設(shè)有浸包邊并配備成型框架，該框架通過(guò)彈簧組件與動(dòng)模的其余部分連接（圖2）。當(dāng)動(dòng)模與定模合模時(shí)，即可達(dá)到最大合模行程。在周期開(kāi)始時(shí)，動(dòng)模被推向定模。所施加的力與彈簧組件的預(yù)緊力相結(jié)合可形成所需的成型間隙。例如，100kN的合模力對(duì)應(yīng)1mm的成型間隙，而150kN的合模力則對(duì)應(yīng)0.5mm的成型間隙。

在壓縮注塑過(guò)程中，合模力在熔體注入后持續(xù)增加，直至間隙完全閉合。壓縮的啟動(dòng)時(shí)間取決于螺桿何時(shí)到達(dá)預(yù)設(shè)的行程。這種方式有利于調(diào)整啟動(dòng)時(shí)間并研究各工藝參數(shù)對(duì)光學(xué)元件質(zhì)量以及功能薄膜所受熱力和機(jī)械應(yīng)力的影響。

為實(shí)現(xiàn)ECD兩個(gè)電極層的電氣連接，其銅觸點(diǎn)區(qū)域必須被引出至模具之外。因此，無(wú)法采用無(wú)成型框架的浸包邊設(shè)計(jì)。

圖3：注塑成型和注塑壓縮成型的對(duì)比（工藝參數(shù)相同）表明，壓縮成型的型腔壓力顯著更低 （來(lái)源：卡塞爾大學(xué)IfW研究所；制圖：© Hanser）

高光學(xué)質(zhì)量需要低殘余應(yīng)力

在其他參數(shù)相同的前提下對(duì)比注塑成型和注塑壓縮成型可見(jiàn)：型腔壓力曲線清晰地表明，壓縮成型對(duì)電致變色多層系統(tǒng)的作用更為溫和（圖3）。同時(shí)，其最高加工溫度也低于注塑成型。這兩大優(yōu)勢(shì)對(duì)于功能薄膜的加工而言至關(guān)重要，因?yàn)樵S多功能層對(duì)溫度和壓力極為敏感。

圖4：偏振光下的注塑壓縮薄膜：左側(cè)為注塑成型后（型腔壓力峰值301bar），右側(cè)則為注塑壓縮成型后（型腔壓力峰值88bar） ©卡塞爾大學(xué)IfW研究所

圖5：經(jīng)注塑壓縮成型加工用于透光應(yīng)用的ECD在亮態(tài)（1V電壓下透光率為62%）和暗態(tài)（-2.5V電壓下透光率為46%）下的效果。該ECD的有效面積為145cm² ©卡塞爾大學(xué)IfW研究所

注塑成型部件的光學(xué)質(zhì)量同樣不佳。部件在澆口附近存在一個(gè)光折射更強(qiáng)的區(qū)域。在偏振光下觀察時(shí)（圖4），該光學(xué)缺陷區(qū)域與著色區(qū)域重合，表明上述區(qū)域存在殘余應(yīng)力或強(qiáng)烈的分子取向。對(duì)于透光應(yīng)用中的光學(xué)部件而言，核心在于最大限度地降低冷卻后的殘余應(yīng)力以確保視野清晰。該區(qū)域在注塑成型過(guò)程中更為顯著，主要?dú)w因于保壓壓力的影響。注塑壓縮成型工藝則不包含保壓階段。此時(shí)，壓縮成型工藝能夠均勻且持續(xù)地將這一功能施加到整個(gè)功能表面，從而實(shí)現(xiàn)了源自澆口的殘余應(yīng)力最小化。

具有不同導(dǎo)電層的ECD的雙面注塑包覆

在對(duì)功能薄膜進(jìn)行注塑包覆的過(guò)程中，功能薄膜承受著較高的機(jī)械和熱載荷。若載荷超出單層的承載極限，將導(dǎo)致透光率下降和變色時(shí)間延長(zhǎng)。為了降低功能層在加工過(guò)程中所受的應(yīng)力，IfW團(tuán)隊(duì)不僅優(yōu)化了工藝參數(shù)，還調(diào)整了層結(jié)構(gòu)，使其滿足注塑壓縮成型工藝的要求。研究證實(shí)，各層間的粘附力和導(dǎo)電電極層的電阻對(duì)于注塑包覆后的變色性能至關(guān)重要。

首款類(lèi)電池層結(jié)構(gòu)ECD變體采用氧化銦錫（ITO）作為導(dǎo)電電極層。該材料兼具高導(dǎo)電性和高透光率，因此常被用于ECD。但是，ITO脆性極高。當(dāng)應(yīng)用于柔性塑料薄膜時(shí)，如果裂紋萌生應(yīng)變超過(guò)閾值，ITO層便會(huì)產(chǎn)生裂紋。這些裂紋會(huì)顯著降低其導(dǎo)電性，從而削弱亮態(tài)和暗態(tài)之間的透光率差異。裂紋萌生應(yīng)變很大程度上取決于層厚。當(dāng)ITO層厚為280µm時(shí)，由于PC薄膜和ITO層的熱膨脹系數(shù)不同，在35°C條件下作用于ITO層的應(yīng)變也足以引發(fā)微裂紋網(wǎng)絡(luò)。

此外，易開(kāi)裂的ITO層被一種導(dǎo)電性更高的有機(jī)材料PEDOT：PSS變體所取代。該導(dǎo)電聚合物以聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）的水性分散體形式涂覆于PC上。新型PEDOT：PSS層的導(dǎo)電性和透光率均低于ITO，因此變色時(shí)間和變色行程更短。另一方面，PEDOT：PSS層能夠承受注塑壓縮成型工藝中的高熱機(jī)械要求。這些涂層即使經(jīng)過(guò)后續(xù)加工仍能保持功能穩(wěn)定且無(wú)裂紋產(chǎn)生。采用這種改良的有機(jī)涂層體系后，于注塑機(jī)上加工后的變色質(zhì)量可與未受力狀態(tài)下的性能相媲美（圖5）。ECD呈現(xiàn)的藍(lán)色源于電致變色材料PEDOT：PSS。基材上印刷可見(jiàn)標(biāo)識(shí)表明，經(jīng)注塑包覆后的產(chǎn)品無(wú)論在亮態(tài)或暗態(tài)下均可實(shí)現(xiàn)透光應(yīng)用。

展望

通過(guò)在成型階段對(duì)整個(gè)型腔表面施壓，注塑壓縮成型工藝特別適用于薄壁透明應(yīng)用。同時(shí)，由于其對(duì)嵌件的應(yīng)力較低，該工藝也適合加工敏感的功能薄膜。除ECD外，此工藝還可用于其他功能部件，如顯示器、電容傳感器、LED、OLED、PCB導(dǎo)線和壓電傳感器等。當(dāng)電子元件被用作嵌件時(shí)，該工藝即稱(chēng)為模內(nèi)電子（IME）。最關(guān)鍵的因素在于基板和功能層之間的熱膨脹差異以及由部件結(jié)構(gòu)引起的彎曲應(yīng)變必須保持在最易開(kāi)裂層的裂紋萌生應(yīng)變閾值以下。

除了高昂的制造成本，ECD隨使用時(shí)間增加而出現(xiàn)的切換性能下降是其尚未得到廣泛應(yīng)用的另一原因。這主要源于水分、氧氣和紫外線輻射等因素所引發(fā)的降解和氧化過(guò)程。目前，IfW正參與一項(xiàng)德國(guó)研究基金會(huì)（DFG）的研究項(xiàng)目，致力于研究通過(guò)注塑壓縮成型對(duì)ECD進(jìn)行雙面包覆封裝將對(duì)其產(chǎn)生何種影響。

本文由榮格獨(dú)家翻譯自Plastics Insights雜志
作者：Miriam Meyer, M.Sc.，Dr.-Ing. Michael Hartung，Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Heim

來(lái)源：榮格-《國(guó)際塑料商情》

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