單層/多層復(fù)合鍍膜樹脂鏡片耐磨性能分析

葉佳意，蔣偉忠，陳麗蕓，王立坤，楊建榮，張　朋

(1. 東華大學(xué) a. 研究院； b. 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620；2. 上海依視路光學(xué)有限公司， 上海 200001)

單層/多層復(fù)合鍍膜樹脂鏡片耐磨性能分析

葉佳意1a,1b，蔣偉忠1a,1b，陳麗蕓1a,1b，王立坤1a,1b，楊建榮1a,1b，張朋2

(1. 東華大學(xué) a. 研究院； b. 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620；2. 上海依視路光學(xué)有限公司， 上海 200001)

摘要：采用積分球霧度法對(duì)光學(xué)鍍膜樹脂材料進(jìn)行耐磨性能測(cè)試.確立摩擦壓力7.35N、摩擦次數(shù)1000次作為對(duì)膜層耐磨性能進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)所用的測(cè)試條件.比較不同因素組合下樹脂鏡片膜層的耐磨性能和老化性能，鍍單層加硬膜的鏡片基材的耐磨性能明顯優(yōu)于鍍多層復(fù)合膜，鍍多層復(fù)合膜的鏡片基材的老化性能略優(yōu)于鍍單層復(fù)合膜.在接近樹脂鏡片軟化、變形的臨界溫度時(shí)，鍍單層加硬膜的鏡片基材的老化性能明顯優(yōu)于鍍多層復(fù)合膜.

關(guān)鍵詞：霧度法； 樹脂鏡片； 膜層； 耐磨性能； 老化性能

光學(xué)樹脂材料作為鏡片新材料始于20世紀(jì)70年代，其分為熱固性樹脂材料(如CR-39)及熱塑性材料(如PMMA).光學(xué)樹脂鏡片輕且抗沖擊性強(qiáng)，安全性好，可吸收紫外線以及良好的光學(xué)矯正性能，是玻璃鏡片的良好替代品[1].樹脂鏡片雖然具有多種優(yōu)點(diǎn)，但其鏡片材料硬度低、易磨損、劃痕明顯，是影響樹脂鏡片使用期限的主要原因[2].針對(duì)這一情況，利用鍍膜技術(shù)對(duì)樹脂鏡片進(jìn)行工藝處理，以提高鏡片的耐磨性等多種性能，從而提高樹脂鏡片的實(shí)用性和保護(hù)性[3].鍍膜樹脂鏡片是在光學(xué)樹脂鏡片的基礎(chǔ)上發(fā)展而產(chǎn)生的，理想的樹脂鏡片表面通常做多層復(fù)合膜，分別為加硬膜、減反射膜和頂膜.底層為加硬膜，厚度為1.6～2.0μm，多層減反射膜介于加硬膜和頂膜之間，厚度為0.6～0.8μm，頂膜又稱抗污膜，厚度為0.005～0.010μm[4].耐磨性和老化性能是鍍膜樹脂鏡片膜層性能的重要特性.

膜層的耐磨性能是指負(fù)荷和滑動(dòng)速度對(duì)鍍膜摩擦因數(shù)和摩損量的影響，它與膜層的硬度、強(qiáng)度、柔韌性和黏著性等有密切關(guān)系.鍍膜的摩擦因數(shù)基本上是隨著滑動(dòng)速度或負(fù)荷的增加而減小.鏡片耐磨性測(cè)試方法的改進(jìn)，是研究人員促進(jìn)加硬技術(shù)提升的重要手段[5].早期膜層的耐磨性能表征通常采用測(cè)試膜層的硬度[6].后來(lái)許多研究者還模擬使用者的配戴條件，進(jìn)行膜層質(zhì)量評(píng)價(jià)的測(cè)試，包括磨砂法[7]、去離子熱水試驗(yàn)、冷鹽水試驗(yàn)、蒸汽試驗(yàn)[8]、沸騰鹽水試驗(yàn)、去離子冷水試驗(yàn)[9]等.目前采用的鋼絲絨法是有效而快速的膜層耐磨性能測(cè)試方法之一.老化性能是指鍍膜系統(tǒng)在進(jìn)行第一次大修之前所期望的有效工作年限，它是鍍膜材料綜合性能的表現(xiàn).鍍膜材料在鍍裝后干燥成膜，老化性能是一個(gè)很重要的技術(shù)參數(shù).老化性能取決于鍍膜材料本身的質(zhì)量、鍍膜工藝的質(zhì)量和實(shí)際使用環(huán)境，對(duì)于鍍?cè)谘坨R鏡片上的膜層的老化性能則還受到其基片老化性能的影響.

本文通過(guò)改變不同的試驗(yàn)測(cè)試條件，如摩擦壓力、摩擦次數(shù)、膜層性質(zhì)、溫度變化、持續(xù)時(shí)間，對(duì)光學(xué)鍍膜樹脂鏡片膜層性能進(jìn)行測(cè)試和分析，確定質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)所采用的最佳測(cè)試條件及試驗(yàn)參數(shù).

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)樣品

選用頂焦度為(0±0.25)m-1、厚度為(2.0±0.1)mm 的單層/多層鍍膜樹脂鏡片若干片.

1.2試驗(yàn)裝置

本文采用000#鋼絲絨折疊5層，尺寸一般為40mm×40mm，單層厚度約5mm,質(zhì)量大于5g.積分球霧度測(cè)定儀型號(hào)為XL 211 HAZEGARD SYSTEM，可見光透射比τV精度為0.1%，霧度H精度為0.01%，光源為標(biāo)準(zhǔn)C光源.電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱型號(hào)為DHG-9246A,量程范圍為0～300℃，中科美菱冷凍箱型號(hào)為DW-FL90, 量程范圍為-40～0℃.

1.3測(cè)試條件

在溫度為(23±5)℃、相對(duì)濕度為(50±20)%的環(huán)境條件下，摩擦儀和霧度儀接通電源后預(yù)熱30min.

1.4試驗(yàn)方法

采用積分球霧度儀測(cè)定未經(jīng)摩擦?xí)r鍍膜樹脂鏡片材料的初始霧度值，然后對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)記處理，啟動(dòng)摩擦儀，設(shè)置不同的壓力和摩擦次數(shù)，往復(fù)摩擦鏡片，再用積分球霧度儀測(cè)定經(jīng)摩擦后樣品的霧度值.采用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、冷凍箱、不同濃度的氯化鈉溶液對(duì)樣品進(jìn)行處理，用積分球霧度儀測(cè)定處理前后樣品的霧度值.霧度儀每組測(cè)量4次，取算術(shù)平均值.由式(1)計(jì)算鏡片摩擦霧度值.

(1)

2結(jié)果與討論

2.1耐摩擦試驗(yàn)中壓力和摩擦次數(shù)的選擇

多層復(fù)合膜樹脂鏡片在不同壓力、不同摩擦次數(shù)下的霧度值如圖1所示.由圖1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摩擦壓力為3.43和5.39N時(shí)，隨著摩擦次數(shù)的增加，鏡片的霧度值有所變化，但是并不明顯，因此不能較好地反映鍍膜鏡片膜層的耐磨性能.當(dāng)壓力為7.35和9.31N時(shí)，從摩擦次數(shù)為1000次起霧度值就有了較明顯的上升趨勢(shì)，與鍍膜鏡片的初始狀態(tài)相比變化較大，有利于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的量化分析和比較.在此基礎(chǔ)上，對(duì)摩擦壓力分別為7.35和9.31N時(shí)這兩組霧度數(shù)據(jù)的離散度進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2所示.由圖2可見，摩擦壓力為7.35N時(shí)的霧度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散度要小于9.31N時(shí)數(shù)據(jù)的離散度，這樣不僅說(shuō)明數(shù)據(jù)的誤差較小，同時(shí)也使得試驗(yàn)的可重復(fù)性提高，因此，建議選擇摩擦壓力7.35N、摩擦次數(shù)1000次作為鍍膜樹脂鏡片膜層的耐磨性能評(píng)價(jià)的測(cè)試條件.

圖1　　　　多層復(fù)合膜樹脂鏡片在不同壓力、　　　不同摩擦次數(shù)下的霧度值Fig.1　　　　Haze values of spectacle lenses with multiple coatings under different pressure and friction times

圖2　　　　多層復(fù)合膜樹脂鏡片在不同　　　壓力下霧度值的離散度比較Fig.2　　　　Haze values dispersion of spectacle lenses with　　　multiple coatings under different pressure

2.2單層加硬膜與多層復(fù)合膜樹脂鏡片膜層的耐磨性能

單層加硬膜與多層復(fù)合膜樹脂鏡片分別在相同壓力下摩擦不同次數(shù)和不同壓力下摩擦相同次數(shù)后的霧度值比較如表1和2所示，兩種不同膜層的樹脂鏡片在7.35N/2000次試驗(yàn)條件下的外觀形貌比較如圖3所示.由表1和2以及圖3可知，單層加硬膜樹脂鏡片的耐磨性能明顯優(yōu)于多層復(fù)合膜的樹脂鏡片，這可能與多層復(fù)合膜的下述幾點(diǎn)因素有關(guān).

表1　　　　單層加硬膜和多層復(fù)合膜樹脂鏡片在相同

表2　　　　單層加硬膜和多層復(fù)合膜樹脂鏡片在不同

(a) 單層加硬膜

(b) 多層復(fù)合膜

圖3單層加硬膜和多層復(fù)合膜樹脂鏡片在7.35N/2000次試驗(yàn)條件下的外觀形貌比較

Fig.3Appearance comparison of spectacle lenses with single and multiple coatings after 2000 friction times at 7.35 N friction pressure

首先，與減反射膜的結(jié)構(gòu)有關(guān).減反射膜層呈現(xiàn)孔狀結(jié)構(gòu)，在一定程度上削弱了膜層的耐磨性能，在減反射膜層上面再鍍上一層極薄的抗污膜，雖然可以覆蓋多孔的減反射膜層，但是這并不能從本質(zhì)上改變減反射膜的結(jié)構(gòu)，因此盡管在鍍加硬膜的基礎(chǔ)上鍍多層復(fù)合膜，但是減反射膜的孔狀結(jié)構(gòu)仍可能影響樹脂鏡片的耐磨性能.其次，由于鍍加硬膜時(shí)常采用化學(xué)浸漬法，使得加硬膜本身的成分或多或少浸潤(rùn)至樹脂鏡片的基材中，因此鏡片與膜層的緊密度相對(duì)較高；而鍍多層復(fù)合膜主要采用真空離子濺射的方法，這種方法不可能使膜層材料直接滲透進(jìn)鏡片基質(zhì)，因此膜層與鏡片的結(jié)合度就沒有加硬膜高，從而影響了膜層的耐磨性能.

2.3單層加硬膜與多層復(fù)合膜樹脂鏡片膜層的耐老化性能

2.3.1鹽水試驗(yàn)

在不同濃度鹽水條件下放置72h，單層加硬膜與多層復(fù)合膜樹脂鏡片的老化性能測(cè)試結(jié)果如表3所示.

表3　　　　不同濃度鹽水條件下單層加硬膜和

由表3可以發(fā)現(xiàn)，在不同濃度的鹽水中放置一定時(shí)間后，鍍兩種膜層的樹脂鏡片的霧度值都發(fā)生了變化，雖然這種改變并不明顯，但在相同的鹽水濃度和放置時(shí)間下，鍍單層加硬膜的樹脂鏡片的霧度值改變稍大于鍍多層復(fù)合膜的樹脂鏡片，因此其比鍍多層復(fù)合膜樹脂鏡片更容易被刮傷.

3.3.2高溫和低溫試驗(yàn)

單層加硬膜與多層復(fù)合膜樹脂鏡片在不同溫度下放置不同時(shí)間后霧度值變化如圖4所示.由圖4可知，在-18和55℃下放置不同時(shí)間，兩種膜層的樹脂鏡片霧度值均沒有明顯的變化.隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種膜層的樹脂鏡片霧度值均會(huì)增加，兩者之間的差別不大，但鍍單層加硬膜的樹脂鏡片在高、低溫下的耐老化性能稍遜于鍍多層復(fù)合膜的樹脂鏡片.

(a) -18℃

(b) 55℃

圖4單層加硬膜和多層復(fù)合膜鏡片在不同溫度下放置不同時(shí)間后霧度值的比較

Fig.4Haze values comparison of spectacle lenses with single and multiple coatings under different temperatures and time

2.3.3臨界溫度試驗(yàn)

單層加硬膜和多層復(fù)合膜樹脂鏡片在75℃(該溫度已接近樹脂鏡片材料軟化變形臨界溫度)的烘箱中放置2h后的試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖5所示.由表4可見，多層復(fù)合膜樹脂鏡片在試驗(yàn)前后霧度值變化比單層加硬膜樹脂鏡片明顯.由圖5可知，多層復(fù)合膜的樹脂鏡片表面已經(jīng)出現(xiàn)了龜裂等可見且不可恢復(fù)的受損現(xiàn)象，而單層加硬膜樹脂鏡片表面沒有明顯的目視可見損傷.由此可見，在臨界溫度試驗(yàn)條件下，單層加硬膜樹脂鏡片的耐老化性能要好于多層復(fù)合膜樹脂鏡片.這可能是因?yàn)槎鄬訌?fù)合膜各膜層間的膨脹系數(shù)各不相同，膜層與膜層的結(jié)合發(fā)生移位，從而導(dǎo)致這種明顯龜裂情況的發(fā)生.

表4　　　　單層加硬膜和多層復(fù)合膜樹脂鏡片在75℃烘箱

(a) 單層加硬膜 　(b) 多層復(fù)合膜

圖5單層加硬膜和多層復(fù)合膜樹脂鏡片在75℃的烘箱內(nèi)放置2h后的外觀形貌比較

Fig.5Appearance comparison of spectacle lenses with single and multiple coatings after 2 h in an oven of 75℃

3結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)單層加硬膜與多層復(fù)合膜樹脂鏡片的耐磨和耐老化性能進(jìn)行測(cè)試和分析，得到以下結(jié)論：

(1) 確立摩擦壓力7.35N、摩擦次數(shù)1000次作為對(duì)膜層耐磨性能進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)所用的測(cè)試條件；

(2) 通過(guò)相同壓力下不同摩擦次數(shù)和不同壓力下相同摩擦次數(shù)的試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，單層加硬膜樹脂鏡片的耐磨性能明顯優(yōu)于多層復(fù)合膜樹脂鏡片；

(3) 兩種膜層的樹脂鏡片的耐老化性能沒有顯著的區(qū)別，單層加硬膜的樹脂鏡片在高、低溫下的耐老化性能稍遜于多層復(fù)合膜的樹脂鏡片，在接近樹脂鏡片軟化變形的臨界溫度時(shí)，單層加硬膜樹脂鏡片的耐老化性能要好于多層復(fù)合膜樹脂鏡片.

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Abrasion Resistant Performance Analysis of Optical Single and Multiple Coatings of Spectacle Lenses

YEJia-yi1a, 1b，JIANGWei-zhong1a, 1b，CHENLi-yun1a, 1b，WANGLi-kun1a, 1b，YANGJian-rong1a, 1b,ZHANGPeng2

(a. Research Institute； b. College of Materials Science and Engineering, 1. Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Shanghai Essilor Optical Co.Ltd., Shanghai 200001, China)

Abstract:The abrasion resistant performance of resin materials with optical coatings was characterized by integrating sphere haze method. It was confirmed the testing condition rubbing for 1 000 times at 7.35 N friction pressure was the best to evaluate the quality of layer. By comparing different combinations of factors on abrasion resistant and aging performance, single hard coatings of spectacle lenses were better than multiple coatings of spectacle lenses on abrasion resistant. Multiple coatings of spectacle lenses were slightly better than single hard coatings of spectacle lenses on aging. Around softening or deformation temperature of spectacle lenses, single hard coatings of spectacle lenses were better than multiple coatings of spectacle lenses on aging.

Key words:haze method; spectacle lenses;coatings; abrasion resistant performance; aging

文章編號(hào)：1671-0444(2016)02-0204-04

收稿日期：2015-03-13

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(14D110624)

作者簡(jiǎn)介：葉佳意(1977—)，女，浙江臺(tái)州人，講師，碩士，研究方向?yàn)殓R片材料的性能與表征.E-mail：jiayiye@dhu.edu.cn

中圖分類號(hào)：TS 959.6+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A