uv固化防雾涂料| 2011-01-01 | PCI杂志

本文讨论了紫外光固化超亲水防雾涂料。

在一定的温度和湿度下，空气中的水蒸气在固体表面凝结。由于水的表面能比大多数固体表面高得多，冷凝水通常以小水滴的形式出现，这会散射光线并引起雾霾。雾是一个严重的问题，许多光学设备，如透镜，镜子，挡风玻璃和遮阳板等。基本上，避免雾霾水凝结的方法有两种。一是控制温度和湿度，使水凝结不能发生。

例如，一些设备使用加热元件来保持足够高的温度，使水不能凝结;一些设备通过惰性气体或干燥空气来去除水分。这些方法非常有效，但消耗能源，而且价格昂贵。另一种方法是在光学器件上使用防雾涂层。防雾涂层可以防止雾霾水凝结，保持光学清晰度。显然，这是一种更好的方法，因为防雾涂料更便宜，而且不消耗能源。考虑到防雾机理，防雾涂料可以分为三种类型。

I型:该涂层通过将液态水吸收到涂层中来去除冷凝水。I型涂料在含水率过高时会饱和，对水凝结反应不快;因此它们不是很有效。

II型:涂层降低了水的表面能，冷凝水均匀地润湿表面。II型防雾涂料通常含有可萃取的表面活性剂:(1)当水在涂层表面凝结时，表面活性剂溶解到液态水中，降低液态水的表面能，使水均匀地润湿涂层表面。只要有足够的表面活性剂可以被提取到水中，II型涂料就能有效工作;但表面活性剂会被水冲掉，二类防雾涂料会逐渐失去防雾性能。此外，由于水溶解表面活性剂需要时间，II型涂料对水凝结的反应不会很快。当突然暴露在高湿度下时，一些II型涂层会立即起雾，需要一段时间才能变透明。

第三类型:这些涂层具有超亲水的表面。水在超亲水表面上的接触角非常小，小于5°，在超亲水表面上凝结的水会很快均匀扩散。超亲水性涂层无需提取表面活性剂;他们工作迅速，几乎没有延迟时间。超亲水涂料(2)的防雾性能优于其他两类涂料。

本文讨论了紫外光固化的超亲水防雾涂料。uv固化防雾涂料(3)可瞬间固化。它们的生产消耗更少的能源，更重要的是，它们可以以卷对卷的方式高速生产。

实验

二氧化硅纳米颗粒粒径为10-15 nm，在甲醇中分散30%，可以直接使用，也可以用聚乙二醇改性硅烷和丙烯酸酯/甲基丙烯酸酯改性硅烷改性。

聚乙二醇改性硅烷的合成

表1点击放大

将单甲基醚聚乙二醇(mPEG) (Mw = 1100)溶解在甲苯中，并将混合物干燥。在室温和氮气条件下，将3-异氰基丙基三甲氧基硅烷的摩尔当量(相对于mPEG)滴入反应混合物中。加入几滴二月桂酸二丁锡作为催化剂。然后在50℃下连续搅拌反应混合物24小时。采用红外光谱法对反应进行了监测;异氰酸酯信号在2271 cm-1处。完成后，通过旋转蒸发去除大约三分之二的甲苯，mPEG三甲氧基硅烷沉淀成己烷并洗涤几次。所得到的固体被干燥，并通过1H NMR进行表征。反应收率达90%。

二氧化硅纳米颗粒表面改性
用mPEG三乙氧基硅烷和3-(三甲氧基硅基)丙烯酸丙酯或3-(三甲氧基硅基)甲基丙烯酸丙酯对二氧化硅纳米颗粒表面进行了功能化。表1显示了反应中每种组分的用量。将混合物在室温下搅拌一夜以完成反应。

涂料配方

表2点击放大

通过将改性或未改性的氧化硅纳米颗粒与活性稀释剂、聚乙二醇二丙烯酸酯(Mw = 575 g mol-1)、丙烯酸磺丙基钾盐和光引发剂1-羟基环己基二苯甲酮混合制备配方。将丙烯酸磺丙基钾盐作为溶液加入水中。用于涂料的确切重量见表2。所有液体涂料的固体含量都在12%左右。

涂料应用于PET或聚碳酸酯板使用#16线绕棒。涂层干燥半分钟，然后在300w /英寸汞蒸汽灯下以1j /cm2的剂量在氮气气氛中固化。固化涂层的厚度约为5微米。对涂覆后的样品进行了交叉粘结试验、铅笔硬度、光学性能和钢棉划痕试验。

结果与讨论

表3点击放大

所有固化涂料在经过处理的PET和聚碳酸酯基材上具有100%的附着力，99%的光学清晰度和90%以上的透过率。涂层的防雾性能通过将涂层基材在50°C的温水上保持15秒来测试。涂层的性能取决于雾化/透明程度。如果涂层完全起雾，没有透明度，则为1级。如果涂层完全不起雾，保持完全透明，则为10级。表3给出了对雾化等级和程度的完整描述。

表4点击放大

涂料的防雾性能见表4。所有含磺酸盐的涂料均具有良好的防雾性能;不含磺酸盐的涂料防雾性能较差。通常情况下，离子基团比乙二醇基团更亲水，这可能是含磺酸盐涂料在雾化试验中表现更好的原因。

因为所有的成分都交联成一个聚合物网络，所以在水洗涂层后，它们的防雾性能没有改变。使用丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯对防雾性能也没有影响。然而，甲基丙烯酸酯的聚合比丙烯酸酯慢得多。涂层E在空气中固化时，由于氧的抑制作用，涂层很粘。在氮气中固化时，涂层C和涂层E没有明显差异。

二氧化硅纳米颗粒的改性对涂层的防雾性能没有影响。由于改性二氧化硅纳米颗粒共价连接到聚合物网络中，改性二氧化硅纳米颗粒应赋予涂层更好的抗划伤性。由于未经改性的二氧化硅纳米颗粒已经具有良好的力学性能，因此并不总是需要对二氧化硅纳米颗粒进行表面改性。

图1点击放大

在柔性聚酯和聚碳酸酯薄板上采用辊涂机涂覆无改性二氧化硅颗粒的涂层。在一卷到一卷的过程中，涂层以5米/分钟的速度连续涂抹和固化。如表5和图1所示，涂层透明片具有良好的光学和力学性能，且厚度均匀。

表5点击放大

抗雾涂层也在高温和低温下进行了测试，它们在-20ºC到90ºC之间工作得非常好。如图2所示，将一块部分涂覆的聚碳酸酯板放在一杯90ºC的咖啡上。平板最初处于室温。当它暴露在90ºC咖啡的水分中时，未涂层的区域立即起雾，而涂层的区域始终保持透明。在低温试验中，将涂层样品冷却至-20℃，然后暴露在湿度为60%的室温空气中。涂层区域保持清晰，而未涂层区域很快就起雾了。