CN212655722U - 薄膜表面功能化生产装置和聚酰亚胺薄膜生产系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种薄膜表面功能化生产装置和聚酰亚胺薄膜生产系统。该薄膜表面功能化生产装置包括沿聚酰亚胺薄膜的前进方向依次的：碱液槽，用于盛装碱液；离子交换槽，用于盛装金属盐溶液；加热组件，用于加热聚酰亚胺薄膜。本装置首先对聚酰亚胺薄膜进行表面处理，使表层的聚酰亚胺形成聚酰胺盐，进入金属盐溶液中发生离子交换反应，得到聚酰胺酸与金属离子的络合物；随后经由加热组件的热处理使聚酰胺酸重新环化成为聚酰亚胺，金属离子则被还原为金属原子或进一步氧化得到金属氧化物，在聚酰亚胺表面形成金属层或金属氧化物层，实现聚酰亚胺薄膜的表面功能化的高效连续生产。

Description

薄膜表面功能化生产装置和聚酰亚胺薄膜生产系统

技术领域

本实用新型涉及复合材料领域，尤其是涉及薄膜表面功能化生产装置和聚酰亚胺薄膜生产系统。

背景技术

在有机工程薄膜中，聚酰亚胺(PI)薄膜以其优异的耐热性、高强度以及模量、尺寸稳定性和可大面积化连续加工(如卷对卷工艺，Roll-to-Roll)等诸多优点，被广泛应用于柔性电子材料、微电子封装和太阳能电池等领域。在PI薄膜表面负载无机功能化材料形成的复合材料可以同时拥有PI和无机材料的优异性能，达到协同优化的效应，具有广泛的应用前景。目前在PI薄膜表面负载无机材料通常采用磁控溅射或化学沉积的方法，但这种方法工艺复杂，无法大面积化连续加工。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种能够连续加工生产的薄膜表面功能化生产装置和聚酰亚胺薄膜生产系统。

第一方面，本实用新型的一个实施例提供了一种薄膜表面功能化生产装置，该薄膜表面功能化生产装置包括沿聚酰亚胺薄膜的前进方向依次的：

碱液槽，用于盛装碱液，碱液用于与聚酰亚胺薄膜发生水解开环反应；

离子交换槽，用于盛装金属盐溶液，金属盐溶液用于与发生水解开环反应后的聚酰亚胺薄膜发生离子交换反应；

加热组件，用于加热聚酰亚胺薄膜。

本实用新型实施例的聚酰亚胺薄膜表面功能化生产装置至少具有如下有益效果：

本实用新型实施例所提供的装置首先将聚酰亚胺薄膜浸入碱液对其进行表面处理，使薄膜表层的聚酰亚胺发生水解开环反应形成聚酰胺盐，表面的聚酰胺盐进入金属盐溶液中发生离子交换反应，得到聚酰胺酸与金属离子的络合物；随后经由加热组件的热处理使聚酰胺酸重新环化成为聚酰亚胺，而络合的金属离子则被还原为金属原子或进一步氧化得到金属氧化物，从而在聚酰亚胺表面形成金属层或金属氧化物层(即无机层)，实现聚酰亚胺的表面功能化。通过上述连续的几步操作，可以实现在聚酰亚胺薄膜上负载金属层或金属氧化物层的高效连续生产。

根据本实用新型的一些实施例的薄膜表面功能化生产装置，还包括顺序设于碱液槽与离子交换槽之间的第一清洗槽，第一清洗槽用于除去聚酰亚胺薄膜上的碱液。聚酰亚胺薄膜在经过与碱液的水解开环反应后，及时洗去表面未反应的碱液，避免影响离子交换反应的进行，从而保证金属层或金属氧化物层的形成能够均匀致密。

根据本实用新型的一些实施例的薄膜表面功能化生产装置，还包括顺序设于离子交换槽与加热组件之间的第二清洗槽，第二清洗槽用于除去聚酰亚胺薄膜上的金属盐溶液。聚酰亚胺薄膜在经过与金属盐溶液的离子交换反应后，及时洗去表面未反应的金属盐，避免加热处理中多余的金属盐影响金属层/金属氧化物层的结构，从而保证均匀致密且能够与作为基底的聚酰亚胺层紧密结合。

根据本实用新型的一些实施例的薄膜表面功能化生产装置，碱液槽和/或离子交换槽设有加热部件。通过加热部件的设置及时调整碱液槽和/或离子交换槽内的温度，控制开环反应和/或离子交换反应的进程，调节所形成的金属层/金属氧化物层的厚度。

根据本实用新型的一些实施例的薄膜表面功能化生产装置，加热部件为加热板。通过在碱液槽和/或离子交换槽的底部设置加热板，使溶液能够均匀受热，避免聚酰亚胺薄膜不同位置两种反应的速率相差过大导致金属层/金属氧化物层厚度不均而影响使用。

根据本实用新型的一些实施例的薄膜表面功能化生产装置，碱液槽和/或离子交换槽设有浓度调节部件。通过浓度调节部件的设置能够及时调整碱液槽和/或离子交换槽内的碱液和/或金属盐溶液的浓度，避免因反应的进行导致溶液浓度下降，进一步使得反应的程度和速率难以准确调控。

根据本实用新型的一些实施例的薄膜表面功能化生产装置，浓度调节部件可以是设有调节部件(如流量阀)的进液口和出液口。通过进液口和出液口的设置，在碱液槽和/或离子交换槽内的溶液浓度发生下降时，及时补充高浓度的溶液，排出过低浓度的溶液，保证内部溶液的浓度不发生过大变化，从而实现对反应过程的准确控制和精准调节。

根据本实用新型的一些实施例的薄膜表面功能化生产装置，在聚酰亚胺薄膜的两侧还依次设有放卷辊和收卷辊。由放卷辊将聚酰亚胺薄膜在其上进行放卷后依次通过碱液槽、离子交换槽和加热组件发生反应随后由收卷辊对形成无机层的聚酰亚胺薄膜进行收卷，完成连续生产的快速工作。

根据本实用新型的一些实施例的薄膜表面功能化生产装置，放卷辊和收卷辊之间还设有牵引辊，牵引辊传动连接有牵引电机。通过牵引辊可以实现对聚酰亚胺薄膜进出碱液槽、离子交换槽和加热组件的速度，实现对聚酰亚胺表面无机层生长速度的控制，从而调整无机层的厚度。

根据本实用新型的一些实施例的薄膜表面功能化生产装置，放卷辊和收卷辊为气胀辊。气胀辊作业时间短、使用时间长，保养简单，容易上手，能够有效提高薄膜表面功能化生产装置的使用便利性。

第二方面，本实用新型的一个实施例提供了一种聚酰亚胺薄膜生产系统，该聚酰亚胺薄膜生产系统包括上述的薄膜表面功能化生产装置。

本实用新型的一个实施例的聚酰亚胺薄膜生产系统由于使用了前述的薄膜表面功能化生产装置，可以通过几步连续的简单操作条件，实现在聚酰亚胺薄膜上负载金属层/金属氧化物层的高效连续生产。

根据本实用新型的一些实施例的聚酰亚胺薄膜生产系统，还包括聚酰亚胺薄膜生产装置，更进一步还可以包括进行其它二次加工处理的装置或设备。该系统首先通过聚酰亚胺薄膜生产装置产生聚酰亚胺薄膜，随后经由薄膜表面功能化生产装置在聚酰亚胺薄膜表面形成无机层从而完成聚酰亚胺复合薄膜的生产。

附图说明

图1是本实用新型的一个实施例的薄膜表面功能化生产装置的结构示意图；

图2是本实用新型的另一实施例的薄膜表面功能化生产装置的碱液槽的局部示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本实用新型的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。在本实用新型实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

实施例1

参考图1，示出了本实用新型的一个实施例的薄膜表面功能化生产装置的结构。该薄膜表面功能化生产装置用于对聚酰亚胺薄膜100进行表面功能化，即，在该聚酰亚胺薄膜100的上下两侧表面形成无机金属层或金属氧化物层。该薄膜表面功能化生产装置在其沿聚酰亚胺薄膜100的一侧(沿其前进方向的末端)设有放卷辊101和放卷调整辊102，在其沿聚酰亚胺薄膜100的另一侧(沿其前进方向的前端)设有收卷辊106和收卷调整辊104，在收卷辊106和收卷调整辊104之间还设有牵引辊105，牵引辊105传动连接有牵引电机(图中未示出)，用于带动聚酰亚胺薄膜100在整个装置中由放卷辊101向收卷辊106前进。放卷辊101和收卷辊106为气胀辊。在放卷调整辊102和收卷调整辊104之间，沿聚酰亚胺薄膜100的前进方向依次设有碱液槽111、第一清洗槽112、离子交换槽113、第二清洗槽114和加热组件121。碱液槽111、第一清洗槽112、离子交换槽113、第二清洗槽114通过位于槽体边缘和槽体底部的若干个导辊103实现对聚酰亚胺薄膜100的前进导向。碱液槽111底部设有第一加热板131，离子交换槽113底部设有第二加热板132。第一加热板131和第二加热板132可通过加热调节碱液温度和金属盐溶液的温度来控制聚酰亚胺薄膜100表面的水解开环速率和离子交换速率来对形成的金属层或金属氧化物层(即无机层)的厚度进行控制。另外，通过调节牵引辊105的转速、碱液和金属盐溶液的浓度也都可以在一定程度上影响无机层的厚度。

本薄膜表面功能化生产装置中，碱液槽111内的碱液可以选择氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钙溶液中的至少一种。碱液中溶质与溶剂的质量比一般为1：(5～50)。离子交换槽113中的金属盐溶液可以选择铁盐溶液、银盐溶液、铜盐溶液、铬盐溶液、铝盐溶液、镁盐溶液、锌盐溶液、锆盐溶液、钇盐溶液中的至少一种或者多种。金属盐溶液中金属盐与水的质量比一般为1：(5～20)。加热组件121要求最好能够达到500℃的温度条件，例如，可以选择电加热网，第二清洗槽114后设置一组相间的电加热网，控制导辊103和收卷调整辊104使聚酰亚胺薄膜100由两电加热网中穿过。同时，控制牵引辊105的转速使得聚酰亚胺薄膜100能够在加热组件121中热处理10～30min以形成较致密的金属层或金属氧化物层。

实施例2

参考实施例2，示出了本实用新型的另一实施例的薄膜表面功能化生产装置的碱液槽的局部示意图。本实施例所提供的薄膜表面功能化生产装置与实施例1的区别在于，碱液槽111还设有进液口201和出液口202。进液口201位于碱液槽111的下方，靠近第一加热板131的位置；出液口202位于碱液槽111的上方，靠近槽口附近导辊103的位置。进液口201上设有第一流量调节阀211，出液口202上设有第二流量调节阀212。进液口201与外置的碱液容器(图中未示出)相连。第一流量调节阀211为单向阀，碱液容器中的碱液可以进入碱液槽111，碱液槽111中的碱液无法向碱液容器回流。进液口201和出液口202在碱液浓度下降后，可以通过由进液口201从碱液容器内补充新的高浓度碱液，以及将反应后的低浓度碱液由出液口202排出，来避免碱液浓度下降。进一步可以通过在碱液槽111设置pH计(图中未示出)监控碱液槽111内碱液的浓度，以及和第一流量调节阀211和第二流量调节阀212配合调整进出碱液的流速来精确控制碱液槽111内部碱液浓度的变化。

从上述实施例可以看到，本实用新型所提供的薄膜表面功能化连续生长装置实现了在聚酰亚胺薄膜表面大规模可连续生长致密均匀的无机层。无机层通过牵引辊、加热板以及碱液和金属盐溶液浓度的调整可实现从纳米至微米级的有效调控，且与聚酰亚胺薄膜结合紧密。另外，还可通过改变不同的盐溶液中的金属离子来实现不同的无机层的生长，赋予薄膜不同的功能，如介电性能、催化性能、光电性能以及磁性能等，从而可被广泛应用于柔性电子材料，微电子封装和太阳能电池等领域。除此之外，利用本实用新型所提供的装置进行聚酰亚胺薄膜的表面功能化具有配置灵活、成本能耗低、普适性强、处理速度快、工艺流程简单、无污染等特点。

实施例3

本实施例提供一种聚酰亚胺薄膜生产系统，该系统包括依次设置的聚酰亚胺薄膜生长装置以及实施例1或2的薄膜表面功能化连续生长装置。该聚酰亚胺薄膜生长装置可以是现有的聚酰亚胺薄膜生长装置，例如，由包括搅拌器、集液器、成膜机构、溶液槽、横向拉伸机构、纵向拉伸机构等组成的聚酰亚胺薄膜生产装置。本生产系统利用前述的薄膜表面功能化连续生长装置，能够在聚酰亚胺薄膜表面大规模可连续生长无机层，从而形成聚酰亚胺复合薄膜。

上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.薄膜表面功能化生产装置，其特征在于，包括沿聚酰亚胺薄膜的前进方向依次的：

碱液槽，用于盛装碱液，所述碱液用于与所述聚酰亚胺薄膜发生水解开环反应；

离子交换槽，用于盛装金属盐溶液，所述金属盐溶液用于与发生水解开环反应后的所述聚酰亚胺薄膜发生离子交换反应；

加热组件，用于加热所述聚酰亚胺薄膜。

2.根据权利要求1所述的薄膜表面功能化生产装置，其特征在于，还包括顺序设于所述碱液槽与所述离子交换槽之间的第一清洗槽，所述第一清洗槽用于除去所述聚酰亚胺薄膜上的所述碱液。

3.根据权利要求1所述的薄膜表面功能化生产装置，其特征在于，还包括顺序设于所述离子交换槽与所述加热组件之间的第二清洗槽，所述第二清洗槽用于除去所述聚酰亚胺薄膜上的所述金属盐溶液。

4.根据权利要求1所述的薄膜表面功能化生产装置，其特征在于，所述碱液槽和/或所述离子交换槽设有加热部件。

5.根据权利要求4所述的薄膜表面功能化生产装置，其特征在于，所述加热部件为加热板。

6.根据权利要求1所述的薄膜表面功能化生产装置，其特征在于，所述碱液槽和/或所述离子交换槽设有浓度调节部件。

7.根据权利要求1所述的薄膜表面功能化生产装置，其特征在于，在所述聚酰亚胺薄膜的两侧还依次设有放卷辊和收卷辊。

8.根据权利要求7所述的薄膜表面功能化生产装置，其特征在于，所述放卷辊和所述收卷辊之间还设有牵引辊，所述牵引辊传动连接有牵引电机。

9.根据权利要求7所述的薄膜表面功能化生产装置，其特征在于，所述放卷辊和所述收卷辊为气胀辊。

10.聚酰亚胺薄膜生产系统，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的薄膜表面功能化生产装置。

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