聚乙烯醇基防霧鍋蓋涂料的開發(fā)與應(yīng)用

楊從浩 肖成博 朱光宇

摘 要：由于溫差導(dǎo)致的光學(xué)玻璃、光學(xué)塑料等光學(xué)透明材料表面起霧給人們的工作和日常生活帶來了極大的不便。在光學(xué)材料基體表面涂覆防霧涂料是改善基體防霧性能的主要方法之一。聚乙烯醇在防霧涂料領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用，但是聚乙烯醇的水溶性以及與基體材料的弱粘接性和弱粘附力嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。為解決這一問題，文章提出了聚乙烯醇防霧涂料的開發(fā)與應(yīng)用策略，列舉并闡述了硅酸鹽、氧化鋁、二氧化硅這三種填料的特點(diǎn)，梳理了以多種填料單組分、多組分配比的設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)化了聚乙烯醇基防霧涂料的開發(fā)方式，節(jié)約了成本。

關(guān)鍵詞：防霧涂料;聚乙烯醇;二氧化硅;硅酸鹽

0 引言

光學(xué)玻璃、光學(xué)塑料等光學(xué)透明材料，如眼鏡片、玻璃窗戶、炒鍋鍋蓋、汽車玻璃等，已被廣泛應(yīng)用于各種生活場(chǎng)景和工業(yè)場(chǎng)景中。然而，此類產(chǎn)品在使用過程中常常伴隨一個(gè)比較嚴(yán)重的問題，在高溫、高濕或者在環(huán)境溫差較大的情況下使用下時(shí)，水汽容易聚集在材料表面并以微小水珠的形式析出，從而在基材表面形成一層水霧，導(dǎo)致光學(xué)材料的透光率顯著降低，嚴(yán)重影響使用者的視線，給人們的工作和日常生活帶來了極大的不便。因此探究此類光學(xué)材料的防霧性能具有重要意義。

目前，光學(xué)材料表面除霧主要可以采取以下兩個(gè)手段。（1）通過加熱元件、發(fā)熱元件來快速消除基材與環(huán)境的溫差來防止結(jié)霧的產(chǎn)生或去除水霧，但是該方法過于繁瑣難以規(guī)?；瘧?yīng)用。（2）在光學(xué)材料表面涂覆防霧涂料，改變材料表面的潤(rùn)濕性，從而調(diào)控冷凝液在材料表面的形態(tài)，以此降低水霧對(duì)基體透光率的影響。由于該方法較為簡(jiǎn)單，目前的研究主要圍繞防霧涂料的開發(fā)與應(yīng)用展開。

防霧涂料的研究首先始于防霧劑的研究。通常防霧劑就是表面活性劑，將其噴涂在光學(xué)材料表面可以有效降低基材的表面張力，從而降低水在基材表面的潤(rùn)濕角，使水能在基材表面均勻鋪展成水膜而達(dá)到防霧的目的。但是防霧劑基本都是由小分子物質(zhì)組成，成膜效果不佳，不耐擦拭也不耐溶劑，使用一段時(shí)間后防霧劑會(huì)隨著水分的揮發(fā)而流失，導(dǎo)致光學(xué)材料失去防霧效果。為了解決防霧劑在使用過程中的這些不足之處，具有成膜物的涂層的出現(xiàn)使得涂膜涂料在防霧領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。涂膜涂料經(jīng)固化成膜后可大大增強(qiáng)涂層的機(jī)械性能，為持續(xù)防霧提供了有利保障。而隨著高分子科學(xué)的發(fā)展，以高聚物為成膜物質(zhì)的高分子涂層，逐漸發(fā)展成防霧涂料的主流產(chǎn)品。

聚乙烯醇（PVA）是一種親水性高分子材料，分子鏈上含有大量的羥基，經(jīng)調(diào)控后羥基基團(tuán)既可呈現(xiàn)出親水性也可呈現(xiàn)出疏水性。親水性PVA防霧涂層可使霧氣在涂層表面平鋪成水膜達(dá)到防霧效果，而疏水性PVA防霧涂層可使產(chǎn)生的霧氣凝結(jié)成水珠從而實(shí)現(xiàn)防霧效果。并且PVA還具有良好的成膜性和耐溶劑性，目前是防霧涂層原料的首選材料之一。然而，PVA是由聚醋酸乙烯脂醇解和水解制備得到，其水溶性隨著醇解度和水解度的不同而發(fā)生變化。在長(zhǎng)時(shí)間的使用過程中由于水霧的不斷形成，凝結(jié)的水霧珠和水膜會(huì)使水溶性的PVA涂層發(fā)生溶解。此外，以PVA作為防霧涂料時(shí)，與基體材料的粘接性和粘附力較弱，導(dǎo)致以純PVA涂料的耐磨性和使用壽命不盡人意。以上因素嚴(yán)重限制了PVA在防霧涂料領(lǐng)域的發(fā)展。為解決這一問題，白景奇等利用海藻糖對(duì)PVA接枝改性，將其與乙二醇二甲基丙烯酸酯混合，制備得到了具有半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PVA防霧防霜涂層，提高了PVA涂層的親水性和防霧性能。Maechler等將乙烯-馬來酸酐和PVA通過沉積、旋涂等方式制備了具有防霧性能的涂料，并以六甲基二硅氧烷為前驅(qū)體將有機(jī)硅沉積到基體碳酸酯材料表面，以此來增強(qiáng)涂料與基體之間的粘附性，該策略有效提高了基體材料的防霧性能。Wu等將PVA和親水性SiO2采用溶液共混的方式制備了PVA防霧涂料，實(shí)現(xiàn)了透明基體的長(zhǎng)期防霧性能和較高的透光率，并且具有較高的機(jī)械性能。

為了讓PVA能夠在防霧領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，以解決光學(xué)材料起霧問題給人們帶來的困擾，本文擬將多種不同的填料添加到PVA中，以降低PVA的水溶性，增強(qiáng)PVA與基體的粘結(jié)性，提高涂膜的耐化學(xué)、耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性與耐水性等多種性能。并闡述了試驗(yàn)填料與方法對(duì)PVA防霧性能的影響，為簡(jiǎn)單化制備PVA防霧涂料的開發(fā)與應(yīng)用提供了思路。

1 填料選擇

1.1 硅酸鹽

硅酸鋰、硅酸鉀是金屬鋰和鉀與硅酸根形成的硅酸鹽化合物，也稱鋰（鉀）水玻璃。硅酸鹽溶液中的水份揮發(fā)后將生成一種不溶于水的干膜，且具有不可逆性。將硅酸鹽應(yīng)用于防霧涂料中，利用硅酸鹽的成膜特性，可提高防霧涂料的防水效果，這不僅可以有效降低PVA的水溶性帶來的不利影響，同時(shí)還能提高防霧涂層的使用壽命。此外，硅酸鹽具有優(yōu)異的耐高溫性能、耐酸堿性、耐候性、強(qiáng)度高硬度大，且無毒無污染，可為PVA提供耐高溫防護(hù)性能。

2.2 氧化鋁

氧化鋁是鋁的氧化物，無臭無味，質(zhì)地極硬（莫氏硬度達(dá)到9），物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。將氧化鋁當(dāng)作填料加入防霧涂料配方中時(shí)，由于氧化鋁自身優(yōu)異的耐高溫性和耐熱穩(wěn)定性，以及氧化鋁形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可顯著提升防霧涂料的高溫使用壽命。此外，當(dāng)納米級(jí)氧化鋁均勻分散在涂覆涂料中時(shí)，制備的涂料并不會(huì)影響基體材料的透明度，這樣也能為防霧涂料的應(yīng)用提供有利保障。

2.3 二氧化硅

二氧化硅是由硅原子和氧原子長(zhǎng)程有序排列形成晶態(tài)無機(jī)物。二氧化硅目前已經(jīng)被成熟應(yīng)用于橡膠、塑料、涂料等各大領(lǐng)域。二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是一種堅(jiān)硬、脆性、不溶的無色透明固體，具備滿足制造光學(xué)儀器涂覆涂料的基本性能要求。但是二氧化硅在使用過程中常常以聚集體的形式存在，尤其是沉淀法制得的二氧化硅顆粒間的物理相互作用較強(qiáng)，容易在涂覆料中形成嚴(yán)重的團(tuán)聚。而氣相二氧化硅在反應(yīng)爐內(nèi)熔融黏結(jié)在一起，有特殊的“三維枝狀”結(jié)構(gòu)分散過后仍能保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以在此文中使用的填料為親水型氣相二氧化硅。

基于硅酸鹽、氧化鋁和二氧化硅的性能優(yōu)勢(shì)，本文以這三種填料作為PVA基涂覆料防霧性能的增強(qiáng)體，通過改變?nèi)N填料的配比，并設(shè)計(jì)單組分和多組分的不同方案，研究了填料對(duì)PVA基防霧涂料的光滑度、透明度和耐刮擦性的影響。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)原料

聚乙烯醇（PVA），分子量1750±50，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。硅酸鉀（K2SiO3），模數(shù)：3.3;波美度：40，青島海灣集團(tuán)有限公司。硅酸鋰（K2SiO3），模數(shù)4.8，臨沂市綠森化工有限公司。納米氧化鋁（Al2O3），ALUNA-100，比表面積（100±15 m2/g），粒徑：13 nm，湖北匯富納米材料股份有限公司。親水型氣相納米二氧化硅，HL-300，比表面積（300±30 m2/g），粒徑：7-40 nm，湖北匯富納米材料股份有限公司。十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

3.2 試驗(yàn)方法

制備聚乙烯醇基防霧涂料的配方和方法如下：聚乙烯醇（PVA）5-30份，硅酸鉀（K2SiO3）3～5份，硅酸鋰（Li2SiO3）3～5份，氧化鋁（Al2O3）1～3份，親水氣相納米二氧化硅（SiO2）3～8份，十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）1～3份，其余為水通常為50～70份。稱取一定比例的PVA溶解在相應(yīng)的水中，在100℃下冷凝攪拌2h得到PVA溶液基料，隨后根據(jù)不同比例添加填料，隨后在40℃溫度下超聲20 min，繼續(xù)以120-150轉(zhuǎn)/min速度攪拌2h得到涂料。使用方法為在0.3～0.5 MPa的空氣壓力下，霧化范圍為80～120 mm，涂-4黏度計(jì)黏度為25-30 s，均勻的噴涂在基體表面待干燥后即可。

如涂料⑧的制備方法為：稱取去離子水95g，PVA 5g在100℃下冷凝攪拌2h得到PVA（5%）溶液基料備用。隨后稱取11.3g去離子水、0.2g SDBS，攪拌至SDBS完全溶解，隨后一邊攪拌一邊加入0.2g氧化鋁，0.2g二氧化硅，緩慢加入1.5g K2SiO3、2.6g Li2SiO3、PVA（5%）溶液基料4g，攪拌20 min后在40℃溫度下超聲20 min，然后繼續(xù)以120-150轉(zhuǎn)/min速度攪拌2h得到涂料。

確定物料配比進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)（如表1）：

通過實(shí)驗(yàn)可以觀察到如圖A、B、C所示現(xiàn)象：①有少量的懸浮物;②呈無色透明狀;③有大量泡沫;④為無色透明泡沫;⑤涂料表面有膠狀膜，且呈無色透明狀伴隨大量氣泡;⑥有大量懸浮物且渾濁;⑦有少量懸浮物且渾濁;⑧渾濁且有少量懸浮物并出現(xiàn)沉降;⑨渾濁無沉降出現(xiàn)大量泡沫。

通過目測(cè)觀察、手指觸摸與小刀刻畫的方法，從固體膜來看樣品的透明度排列排序?yàn)椋孩?gt;①>④>⑨>⑥>②>⑦>⑧>⑤

平整度的光滑度：③>④>①>⑥>②>⑨>⑤>⑦>⑧

劃痕的深淺度（由深至淺）：⑧>⑦>⑤>⑨>⑥>②>③>④>①

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只需要在50份PVA與水的混合溶液中簡(jiǎn)單添加3份氧化鋁，就可以得到透明度良好的涂膜均勻耐刮擦的防霧涂層，大大降低了實(shí)驗(yàn)難度和生產(chǎn)成本。

將制備的PVA基防霧涂料涂覆到透明鍋蓋表面，發(fā)現(xiàn)各組樣品相比未涂覆的鍋蓋部分防霧效果都有提高，而透光度、透明度并未受到較大的影響，表明通過簡(jiǎn)單添加無機(jī)填料就可實(shí)現(xiàn)PVA基防霧涂料的良好防霧效果。本文列舉出的填料為PVA防霧涂料的設(shè)計(jì)與制備提供了方案，且闡述了對(duì)于每種填料的使用方式和作用效果，為后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

以上，本文通過溶液共混法將不同無機(jī)填料混入PVA中，制備得到了PVA基防霧涂料。通過控制不同的填料的配比以增強(qiáng)PVA水溶液在基材上的粘結(jié)性，以及在復(fù)雜使用條件下的耐化學(xué)、腐蝕性、耐高溫性等。該方法具有操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)。并且在實(shí)際的試驗(yàn)操作中發(fā)現(xiàn)，在PVA基防霧涂料的開發(fā)過程中，以不同的填料為方向可以選擇性的提高涂料在各個(gè)方面的性能特點(diǎn)，該策略對(duì)拓展PVA在防霧涂層領(lǐng)域的應(yīng)用有著重要意義。

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