基于能量释放率的抑制被粘物边缘薄膜剥离技术

《International Journal of Adhesion and Adhesives》：Techniques to Suppress the Lift-off Peel of Films at the Edge of an Adherend Based on the Energy Release Rate

　　

薄膜层压是基材保护和赋予高附加值功能的关键工艺。当应用功能层时，设计可能要求强粘附以防止层压后剥离，或者在其他情况下，可使用可移除粘合层以在后续加工或运输期间临时保护基材。因此，易剥离粘合剂的开发以及其粘性评价方法的改进仍是活跃的研究领域。

近年来，将薄膜层压到几何形状日益复杂的基材上的转移技术已被研究。此类方法对于具有复杂曲率或脆性材料（如玻璃）的基材尤其有效。近期，一种薄膜转移装饰技术被证实可用于大型三轴弯曲玻璃基材，其中通过在玻璃表面形成涂层薄膜并随后剥离该薄膜来实现选择性层压装饰层。如图1(a)示意所示，基材放置在专用模具上，对带有粘合层的薄膜施加压差，使其贴合基材表面并精确粘附。当涉及薄膜显著变形时，限制粘合层与基材之间滑动的设计可能导致接触后起皱。因此，此类工艺中使用的粘合层理想地应表现出弱粘附性，允许一定程度的滑动。

然而，如图1(b)所示，此工艺可能导致基材边缘附近区域不发生转移。据推测，这是由于薄膜追随基材与模具之间的间隙，导致向上翘起所致。基材边缘处的这种剥离现象如图1(c)所示。此类缺陷可能严重损害产品功能性和外观，因此阐明该现象的机理并建立有效的抑制方法至关重要。

剥离建模通常采用二维线弹性梁模型来计算能量平衡，此类方法至今仍被广泛使用。Kendall使用从玻璃板（视为刚体）剥离弹性薄膜的剥离试验证明，剥离强度取决于粘附能和薄膜的弯曲刚度。剥离试验中界面强度、粘附功和塑性的影响也已被研究，表明区分界面断裂与粘合层塑性变形的重要性。此外，剥离角足够小的系统可用基于能量的公式描述。继这些发展之后，近期一项实验和数值研究评估了粘附在弯曲被粘物上的胶粘片材的剥离阻力，表明界面断裂能和薄膜变形对于预测局部载荷下的脱粘行为至关重要。因此，本研究采用能量平衡方法，将薄膜建模为梁，作为分析本文所考虑剥离现象的基础。

本研究的新颖之处在于所施加力的方向与先前研究不同，先前研究中施加的力通常在与薄膜位移大致相同的方向上促进分离。在用于测量I型断裂能量释放率的广泛使用的双悬臂梁（DCB）试验中，对被粘物施加拉伸张开载荷，导致裂纹在与施加载荷相同的方向上张开。当应用Winkler基础理论时，与拉力相反的位移局部发生；然而，施加载荷方向与剥离引起的变形方向仍保持一致。也有详细研究考察了薄膜从基材剥离的行为。在这些情况下，梁的位移沿其长度单调变化，未呈现极值。

相比之下，在本研究中，压差作用于被粘物，而薄膜在被粘物边缘局部翘离，导致位移曲线呈现极值，如图1(c)所示。类似的失效模式在钢筋混凝土梁层间分层中已部分报道为屈曲现象；然而，此前尚无研究在弹性变形范围内对此现象进行公式化，或基于能量释放率明确定义剥离准则。

该现象的另一个值得注意的方面是，即使发生剥离和翘起，粘合层仍附着在被粘物边缘。如图1(b)所示，当功能层未能正确层压时，被粘物边缘仍保留有功能层。先前研究表明，被粘物边缘的几何形状显著影响粘附性能。近期研究还强调，粘附界面末端附近的材料设计和局部几何形状可影响剥离应力和剪切应力集中，这可能促进粘接接头中裂纹萌生和过早失效。此外，在实际试验配置中，被粘物边缘不可能是数学意义上的完美直角。基于这些考虑，将边缘几何形状建模为严格直角以外的形状可能是解决本研究挑战的关键。

基于上述考虑，本研究旨在首次对小变形范围内被粘物边缘剥离现象进行力学分析，并基于能量释放率建立抑制剥离的条件。为此，通过将薄膜建模为二维欧拉-伯努利梁来公式化剥离过程中的薄膜行为。使用定制的实验装置与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜以及有限元分析验证了推导的方程。在公式推导中，模型考虑了被粘物边缘圆角化引起的边缘高度降低以及被粘物相对于模具的轻微倾斜，从而反映实际试验条件。利用推导的方程，计算了试验系统的能量释放率，并与实验观察到的剥离条件下带粘合层PET薄膜的临界能量释放率进行比较。该比较确定了适合用作剥离阈值的能量释放率。本研究建立的阈值预计可作为层压弱粘附薄膜时防止缺陷的简单实用指南。

本文其余部分组织如下：第2节介绍剥离现象的理论分析和建模；第3节描述实验方法、材料和装置，并给出模拟实现；第4节对实验结果与理论预测进行比较讨论，重点分析薄膜挠曲行为和能量释放率评价；最后，第5节总结本研究得出的抑制剥离的关键策略。

**论文解读：基于能量释放率的被粘物边缘薄膜剥离抑制技术研究**

**一、研究背景与问题**

薄膜层压是基材保护和功能化的重要工艺。在薄膜转移技术中，将带有弱粘合层的薄膜通过压差贴合到复杂形状基材上，随后剥离功能层。然而，该工艺常出现被粘物边缘区域转移失效的缺陷，表现为薄膜跟随基材与模具间的间隙向上翘起，即“剥离”现象。此缺陷严重损害产品功能性和外观。

既往剥离研究多采用二维线弹性梁模型计算能量平衡。Kendall通过刚性玻璃板上的剥离试验证明剥离强度取决于粘附能和薄膜弯曲刚度；后续研究考察了界面强度、粘附功和塑性效应，以及小剥离角系统的能量描述。然而，既往研究中的施力方向与薄膜位移方向基本一致——在双悬臂梁（DCB）试验中，拉伸张开载荷使裂纹沿载荷方向张开，梁位移沿长度单调变化，不呈现极值。本研究涉及的剥离现象则不同：压差指向被粘物，而薄膜在被粘物边缘局部翘离，产生具有极值的位移曲线。类似的失效在钢筋混凝土梁层间分层中曾以屈曲形式部分报道，但从未在弹性变形范围内被公式化，也未基于能量释放率建立剥离准则。

另一个关键发现是，即使发生剥离，粘合层仍附着于被粘物边缘，这提示被粘物边缘几何形状对粘附性能有显著影响。实际试验中，被粘物边缘不可能是数学上的完美直角，因此将边缘几何建模为圆角化或倾斜形式可能是解决该问题的关键。

**二、研究内容与结论**

本研究旨在首次对小变形范围内被粘物边缘剥离现象进行力学分析，并基于能量释放率建立抑制剥离的条件。研究人员将薄膜建模为二维欧拉-伯努利梁，考虑被粘物边缘圆角化引起的边缘高度降低（δ）和相对于模具的倾斜角（θ），推导出剥离行为的理论方程。通过定制实验装置与有限元分析（FEA）验证了理论模型。

研究得出以下主要结论：（1）当模具倾斜角满足条件θ ≥ (p·l3)/(6D)·(1/√3)时，可完全抑制剥离发生；（2）基于能量释放率的设计准则：当薄膜的临界能量释放率G_c大于系统的能量释放率G_lim时，可防止剥离；（3）对于带粘合层的薄膜，即使实际系统中存在边缘台阶高度δ=1.2 μm，在假设δ=0条件下计算的理论值G_lim仍可作为实用的剥离阈值。

**三、关键技术方法**

研究采用以下主要技术方法：（1）小变形欧拉-伯努利梁理论建模，结合自由体图分析力矩平衡，推导薄膜挠曲方程和能量释放率公式；（2）定制真空成型评价装置，采用激光同轴位移传感器和编码器精确测量薄膜变形曲线；（3）有限元分析（FEA）采用Abaqus 2024和HyperMesh 2021软件，在平面应变条件下用虚拟裂纹闭合技术（VCCT）计算能量释放率；（4）曲率失配断裂试验，通过不同半径（35、40、45、50 mm）的SUS440圆柱体观察薄膜剥离行为，估计临界能量释放率范围。试验材料为125 μm厚PET薄膜（Toray Industries，日本），带16 μm丙烯酸基压敏胶层（PS-250WA，Somar Corporation，日本），基材为SUS440C不锈钢板。

**四、研究结果**

**4.1 无粘合层薄膜的变形行为**

在Stage A（θ=0°）条件下，实验测量、理论预测和FEA结果在狭缝内最大挠度、边缘翘起位移和翘起长度方面均吻合良好，验证了理论方程的正确性。实验测得Stage A的边缘高度降低δ=1.2 μm。当δ=0时，翘起长度最多为l/2，例如当l=2 mm时，翘起长度为4.13 mm，与实验结果合理一致。该结果明确证明了薄膜在狭缝边缘发生了翘起剥离。

在Stage B（θ=1°）条件下，理论计算表明需要p≥6.37 kPa才能满足抑制条件。实验结果显示，在接近该值的压力5 kPa下，理论预测、FEA和实验均未观察到显著翘起，证实了基于方程(11)引入倾斜角可有效抑制剥离。但在更高压力下，实验观测到明显翘起，FEA预测与理论值吻合，偏差归因于薄膜固定时的扭曲。由于Stage B和C的倾斜表面使薄膜难以在加压前完全贴合模具几何形状，且倾斜面与水平面交界的尖锐边缘进一步阻碍了薄膜追随，导致实验变形大于理论预测。

Stage C（θ=11°）条件下，满足抑制条件所需压力为50.9 kPa。在50或60 kPa压力下几乎无翘起，但在10 kPa低压下，薄膜未能贴合狭缝边缘附近区域，留下无接触区域。这表明引入模具倾斜角也可能带来产品制造中粘附不完全的风险。

**4.2 带粘合层薄膜的剥离行为**

在Stage A（l=2 mm, θ=0°）条件下，实验观察到薄膜在30-40 kPa压力之间开始发生剥离。30 kPa以下边缘区域颜色不变，40 kPa开始出现白化现象，且随压力增大白化区域逐渐扩展。升压至50、60、70 kPa时，白化区域进一步扩大。压力与翘起高度的关系显示，30 kPa以下翘起高度无明显增加，35 kPa起随压力逐渐增大。

通过曲率失配断裂试验，研究人员估计了临界能量释放率范围：在R=35和40 mm圆柱上剥离随时间推进，而在R=45和50 mm上剥离可忽略。由此得出0.216 ≤ G_c ≤ 0.273 J/m2。能量释放率G的计算显示，当δ=0时，理论曲线从极限值G_lim单调递减至零；当δ=1.2 μm时，G在接近l_B处发散，随后随l_B增大而减小并在约2.4 mm处趋于零。FEA结果在δ=0时与理论曲线吻合，δ=1.2 μm时呈现中间趋势，凸显了基材边缘几何形状对能量释放率计算的显著影响。

比较计算结果与实验测量值发现，在40 kPa（明确观察到剥离）时G > G_c；35 kPa（翘起高度显著增加）时G略超G_c；30 kPa（未检测到翘起）时G接近G_c范围的下限。这表明即使在δ=1.2 μm的实际系统中，假设δ=0计算的理论值G_lim仍可作为防止剥离的实用阈值。其原理在于，尽管粘合层相对于薄膜的弯曲刚度可忽略不计，但其厚度约16 μm，远大于δ=1.2 μm，实际填充了台阶高度，近似于δ=0的状态。

**五、讨论与结论**

本研究通过梁挠曲理论分析了压差作用下薄膜在带狭缝基座上的变形行为和能量释放率，建立了抑制被粘物边缘剥离的设计准则。当根据理论调整被粘物角度时，FEA和实验结果均验证了剥离抑制的有效性。对于带粘合层的薄膜，通过将边缘台阶高度补偿为δ≈0，极限值G_lim与实验剥离阈值吻合良好。因此，设计薄膜的弯曲刚度和粘附强度以满足G_lim < G_c是防止剥离的有效设计准则。

本研究所建立的模具几何形状和临界能量释放率的设计原则，为实现粘合薄膜在基材上的均匀层压提供了基础性指标，有助于提高产品制造良率。未来工作应针对更高粘附强度或更厚粘合层的情况，纳入剪切应力和粘弹性效应，以开发更通用的设计准则。