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光学透明塑料表面的防雾原理及防雾处理方法

      光学塑料轻质、耐冲击、易于加工成型,随着透明材料的高速发展,具有防雾性能的涂料也不断向前发展。但在发展过程中也出现很多问题,如基材与涂层的粘接性不好;耐磨性能与防雾性能之间存在难于两全,即耐磨性能改善时,其防雾性能就变差,反之亦然;多数防雾涂料成本较高,且在低温下就失去效力,难于推广应用。现实生活中有许多上雾现象,如冬天汽车风挡玻璃、眼镜、塑料大棚、浴室玻璃等,其相互隔开的两侧常出现一定的温差,温度低的表面水分饱和蒸气压低于周围环境的蒸气压,从而引起水气向物体表面聚集,并以微小的水珠形式析出形成雾。每个小水珠都会使光线发生折射和反射,能显著降低透明基材的透光率,影响视线。

       那么实际生产中防雾效果的形成有哪些基本思路呢?

一、使材料表面亲水,接触角变小,水滴膜化。 

       亲水性分子中含有高表面能的强亲水极性基团,能形成氢键的基团或离子基团,这种基团有羟基、氨基、巯基、羧基、砜基、磷酸等。离子型基团可以以水合分子形式存在,如羧酸根基团、磺酸根基团、磷酸根基团、铵基等,使其对水的接触角变小,基本达 10°~ 30°左右,使凝聚到材料表面上的小水滴不形成微小的水珠而是在表面展开薄膜化,减少了光线的折射和反射,从而避免了材料透光率的降低,保证了材料的透明性(如左图 b 所示)。 

二、使材料表面疏水,接触角变大,水滴滑落。

       疏水性分子中除了有碳原子外,还含有大量低表面能的硅、氟等原子基团,它们能极大的降低材料的表面能,使其对水的接触角达到 100°~ 120°,表现为较强的疏水性质,使水滴更易滑落,以达到防雾效果(如左图 c 所示)。

       目前市场上对透明材料防雾处理的方法一般有四种。

一、表面活性剂直接涂覆法。

       将防雾剂直接涂覆在透明材料上,该方法配置防雾剂简便,易操作。如将甘油或肥皂类物质直接涂在玻璃上即可防雾,其缺点是涂膜不耐擦伤和磨损,不耐溶剂,防雾时间较短。

二、表面活性剂掺入法。

       在制造透明树脂时常将一些表面活性剂掺入其中,或在塑料混炼成型时将甘油、缩水山梨糖醇类多元醇的脂肪酸酯加入其中。这些方法问题很多,现很少被使用。

三、镀膜法。根据镀膜时发生的反应,可将镀膜法分为物理镀膜法和化学镀膜法。

        物理镀膜主要有真空镀膜法、等离子镀膜法、离子束辅助沉积(IAD)法和化学气相沉积(CVD)法等。此法镀出的膜层均匀、致密性好,人们已用此法镀出具有一定功能,同时机械性能和光学性能优良的膜层。但此法要求镀膜设备和工艺条件苛刻,成本较高。并且塑料的耐热性较差,物理镀膜法要求温度较高和较长,只对玻璃应用较多。

       通过在基材表面发生化学反应而成膜的方法为化学镀膜法。根据成膜方法的不同,又分为酸蚀镀膜法、气态法、表面氧化法、化学沉积镀膜法、高分子材料涂覆法。其中高分子材料涂覆法是在透明材料的表面涂覆一层高分子薄膜,是一种行之有效且被广泛使用的方法。这种方法防雾效果好,效力长,机械性能好,较为耐擦、耐磨和耐溶剂。最常用的成膜物是亲水性丙烯酸酯类或甲基丙烯酸酯类或其均聚物和共聚物。

      1、丙烯酸酯类防雾涂料 。其防雾原理是利用树脂涂层的亲水性,将表面凝聚的水滴铺展而不成水珠,达到不影响材料的透光率和反射性,起到防雾作用。如将甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、过氧化苯甲酰和乙二醇单乙醚的均匀混合液,在氮气保护下于 65 ℃反应 6~8 h 后停止反应,将聚合物溶液浓度调至 10%,再加入少量双甲基丙烯酸乙二醇酯及过氧化苯甲酰,在塑料或玻璃表面上喷涂,放置 1~2 h 后移入 120 ℃烘箱中烘 1~2 h,冷至室温即得防雾膜。有时为了增强涂膜的机械强度,可在均聚物或共聚物中加入少量多官能度的交联剂使之交联成网络结构的防雾薄膜。也可将羟甲基三聚氰胺与聚乙二醇的增强液涂覆于已涂有防雾涂料的玻璃表面上,然后加热,使其进一步缩合脱水固化形成聚乙二醇和三聚氰胺网络结构的缩聚物,从而提高涂膜表面的防雾性、耐磨性(耐磨损、耐擦伤和耐溶剂)。 

       2、其它酯(盐)类防雾剂 。将聚(羟基次乙基、羟基丙烯基)乙二醇的硫酸酯三乙醇胺盐 4%,乙烷 4%,蒸馏水 2%,三氯-1-氟甲烷 30%,二氯-2-氟甲烷 30%,混合制成喷射的防雾剂。该防雾剂喷涂在玻璃表面上,用呼气法观察其防雾效果可达 240 h 以上。聚羟基丙烯基 1-丁基醚(分子量为 2000)的硫酸酯钠盐 20 wt%,蒸馏水 8 wt%配制成的防雾剂也能达到上述防雾效果。 

       3、聚氧乙烯多元醇类防雾剂 。聚氧乙烯-乙二醇等二元型水溶性的高分子薄膜贴在玻璃表面上就可以起到防雾的作用。对其进行改性,则效果更好,如将聚乙烯醇和低分子的二元(多元)醇-硼酸盐在水中混合可制得三元型分子化合物,这种三元型化合物的水溶液很稳定,经过在玻璃上涂覆,水分蒸发后在玻璃上能形成均匀透明的薄膜,且附着力强,防雾时间长。用这种物质对汽车风挡玻璃、温室玻璃窗、浴室镜子、眼镜进行防雾实验,基本能达到理想效果。 

       4、硅树脂类防雾剂。对于玻璃和镜面,硅树脂类物质是一种经济有效的防雾涂料。如 E-甲基硅油的酒精溶液(1-95%),涂在玻璃或镜面上可取得很好的防雾效果,而由含有磺酸盐基的甲基聚硅氧烷与一种以上的主剂(甘油、一乙醇胺、二乙醇胺及三乙醇胺)混合物不仅具有很好的防雾、防露效果,而且还具备除去车辆玻璃油染物的优异功能,是非常值得发展的一种防雾剂。

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