新型防雾涂料的研究进展及其最新应用

新型防雾涂料的研究进展孙雪娇，夏正斌，牛林，李伟( 华南理工大学化学与化工学院，广州510640)透明基材( 如玻璃、塑料等) 是人们日常生活、工作和生产中不可或缺的材料，但在其使用过程中常常会产生结雾现象，造成基质的透光率、反射率降低，影响视线，给人们的生活带来不便，甚至会发生危险。

防雾方法目前主要有电热法和使用防雾涂料，前者效果好但造价高，且应用局限性大，而防雾涂料因制备工艺简单、设备投资低、成本低而更具有生产实用价值。

防雾涂料是一种功能型涂料，用以减缓或防止雾化现象的产生。

防雾涂料有疏水型和亲水型2 种［1 －2］，目前人们对亲水型防雾涂料的研究比较多。

通过疏水/亲水性能的提高还可以获得其他特殊功能，如耐腐蚀性能提高，还可使其具有自清洁功能［3］，这不仅能大大方便人们的日常生活，而且能创造较大的经济效益。

目前对于防雾涂料及其制备工艺已有不少研究报道，却鲜有推广应用，原因主要在于防雾涂料的一些关键问题尚未完全解决，如防雾性能不理想、防雾膜强度低和耐久性差等［4 －5］。

如果能用现代涂料技术解决防雾涂料应用中出现的各种问题，将带来巨大的经济效益和社会效益。

1 防雾机理与方法空气中总是有相当量的水蒸汽存在，一旦具有一定分压的水蒸汽冷却到其露点时，水蒸汽便达到饱和并冷凝析出小水珠，小水珠粘附在透明基材表面就会出现雾化现象( 结雾) 。

这是由于小水珠的曲率半径不同，对光产生的漫反射不同。

在不透明基材表面看不到明显的雾化现象，但可以看到露珠般的大水珠，称为结露。

从雾化现象产生的原因来看，其雾化产生的条件可以简单地分为2 个方面: ①水汽和温差的存在。

只有当基材表面的温度低于一定湿度的水汽的露点时，空气中的水汽才能冷凝成水滴; ②基材表面的润湿性质。

从力学角度分析，雾化产生与否，取决于气液固三相之间的表面张力。

通过分析固液间的接触角可以判断基材表面的润湿性质。

为了防止基材表面的结雾，通常有两类方法: ①消除水汽或温差。

消除空气中的水汽比较困难，但通过升温可以使基材的表面温度始终高于水汽的露点，方法有电源加热、红外线辐射，这些方法造价昂贵且消耗能源; ②改变基材表面的润湿性。

一是使基材表面亲水，降低基材表面对水的接触角，使凝聚在表面上的小水滴不形成微小的水珠，而是在表面铺展开形成薄膜，减少光线的漫射，从而保证了材料的透明度; 二是在材料表面涂布一层疏水性物质，改善材料表面的湿润状态，使接触角增大，水汽冷凝生成的小水珠不能吸附在基材上，而是形成水滴，水滴在其自身重力的作用下滑落，来达到防雾的目的。

2 新型防雾涂料的研究进展2. 1 水性防雾涂料随着人们对资源和环境保护意识的加强，涂料工业正朝着环保型、节约型和功能型方向发展，水性涂料越来越受到人们的重视。

虽然目前防雾涂料多是溶剂型体系，水性涂料技术在防雾涂料中的应用还比较少，但以水为主要溶剂的水性防雾涂料仍然是主要的发展方向。

水性防雾涂料的成膜物有聚丙烯酸酯、聚氨酯、氨基树脂、不饱和聚酯等。

作为成膜物的树脂很少是单一聚合物，大都是共聚或共混的产物。

胡静等［6］开发出环保型长效亲水性丙烯酸共聚合树脂亲水防雾材料，并通过亲水性丙烯酸共聚合防雾树脂在合成过程中工艺参数的变化对产物性能的影响进行了研究。

以产物的外观、水溶性及涂膜的亲水防雾性能和附着力为衡量标准，运用表观分析法确定了最优的工艺参数，以确保工艺的稳定性和重现性，便于工业化生产。

王晓峰［7］以自制改性防雾树脂与聚乙烯醇生成高分子合金双组分体系为研究对象，对其进行改性，以三聚氰胺为固化剂，成功研制了在相对湿度90% 条件下、防雾时间达到6 h 以上的透明防雾涂料，此水性防雾涂料具有优良的透光率、防雾性、力学性能，均达到一般涂料的标准。

为顺应防雾涂料向高耐候性、高耐沾污性、多功能性发展的潮流，Shiba 等［8］开发了一种含聚烯烃树脂、无机胶体以及含有机胺的水溶性聚合物的水性防雾涂料组合物。

将该组合物涂覆于塑料、金属或玻璃表面可形成膜厚为0. 05 ～30 μm 的防雾涂膜，此涂膜还具有一定的防污性能。

2. 2 紫外光固化防雾涂料紫外光( UV) 固化涂料是一种新型的绿色涂料。

随着涂料中VOC( 挥发性有机化合物) 低排放的趋势，UV 固化涂料得到了快速的发展。

与传统涂料固化技术相比，UV 固化的最大优点是固化速度快、涂膜质量高、环境污染少、能量消耗低、性能优异、固化设备体积小、投资少等，因此UV 固化防雾涂料将成为防雾涂料发展的主要方向之一［9 －11］。

Yoshida 等［12］开发了一种防雾涂料及涂装方法。

该方法是在基材上涂覆一层亲水树脂与含硅的单体或低聚物的混合物，再将涂覆后的基材加热或紫外光固化，从而解决了涂层耐磨性能虽好但防雾性能不够理想的问题。

Zoromba ［13］以聚乙二醇1000( PEG1000) 、异佛尔酮二异氰酸酯( IPDI) 、丙烯酸羟乙酯( HEA) 为原料，偶氮二异丁氰( AIBN) 为引发剂，制备了聚氨酯－丙烯酸酯复合乳液，并考察了不同的原料配比、固化时间等因素对其涂膜性能的影响，最终制得性能优异的UV 固化聚氨酯丙烯酸酯防雾涂料。

Li 等［14］发明了一种具有优异防雾性能的紫外光固化涂料，其组成包括亲水性活性低聚物、疏水性光固化树脂、亲水性聚合单体、疏水性活性稀释剂、光引发剂和助剂。

其中亲水性活性低聚物为亲水性聚氨酯丙烯酸酯，由聚乙二醇、二异氰酸酯与端羟基丙烯酸酯反应制得。

此UV 固化防雾涂料可用于聚碳酸酯、有机玻璃、聚酯合成纤维等热敏性塑料基材的表面涂覆。

赵子千等［15］以光敏丙烯酸酯低聚物( UVB) 、甲基丙烯酸丁酯( BMA) 、丙烯酸－β －羟乙酯( HEA) 、丙烯酰胺( AM) 及丙烯基烷醚羟磺酸钠( CAS) 为主要成膜物质，再配以适量的溶剂、交联剂、光敏剂及各种助剂制成UV 固化防雾涂料。

研究了单体的选择及用量、光敏剂的种类及用量对涂膜性能及涂膜固化速度的影响，进而得出了性能最佳的配方，各项测试表明，该涂料具有较好的机械性能及优异的防雾性能。

紫外光固化涂料虽然以其快干、节能和环保等优势而备受关注，但由于光固化体系的固化过程是由光引发的，因此，对于固化对象的形状、厚度、颜色有一定的限制。

为此，人们研究开发了具有不同反应原理的光－暗双重固化体系( light －dark dual curable system) 。

双固化技术不但解决了单独依靠光固化很难固化均匀的缺点，同时保证了固化速度快且涂膜性能优良，因而进一步研究光－暗双固化防雾涂料有望实现防雾涂层性能的全面提高。

2. 3 有机－无机杂化防雾涂料有机无机杂化亲水涂料实际上是无机亲水涂料和有机高分子涂料之间的综合产品，其与无机亲水性防雾涂料的区别在于涂膜的亲水性主要由有机高分子树脂提供，而加入的硅酸盐或有机硅溶胶则是为了进一步增强膜层的硬度和耐磨性能。

此类涂料具有贮存稳定性好、耐磨性高、附着力好、防雾持久等特点。

Imai 等［16］研制的有机/无机复合亲水防雾涂料，涂膜具有良好的耐蚀性和亲水性，但涂膜中的硅酸盐所发出的怪味不能完全被掩盖; Yamasoe 等［17］研制了一种主要成分为碱金属硅酸盐、胺基醇及水性树脂的防雾涂料，其中水性树脂一般为水性尼龙、天然聚糖、水性天然蛋白和水性硅烷偶联剂等，这样在保证亲水性的基础上大大减少了涂膜的怪味。

制备有机/无机杂化膜的方法包括: 原位聚合法、纳米微粒与高分子直接共混法、溶胶－凝胶法等。

Dong 等［18］通过二氧化硅纳米粒子与聚合物共混，制备了聚合物/SiO2纳米复合涂料，并对涂料及其涂层进行了分析表征。

结果表明，该涂料具有良好的成膜性，由于膜层中存在大量的亲水性羟基基团，使膜层具有良好的超亲水性能和防雾效果。

谢雷［19］以带有环氧基官能团的有机硅氧烷、对苯基三甲氧基硅烷、水解催化剂、固化催化剂等为原料，用溶胶－凝胶法合成硅树脂类有机－无机复合防雾/耐磨涂料。

有机硅氧烷提供了膜层的强度( 铅笔硬度可达6H) ，亲水性磺酸基提供了良好的防雾性。

此涂料可在基材表面形成一层可固化的耐磨层，并利用伸展在外面的亲水基团防止基材表面结雾。

溶胶－凝胶法是目前有机无机杂化膜材料最主要的制备技术［20 －21］。

研究人员还对有机无机杂化疏水防雾涂料进行了研究，Liu 等［22］用Sol －Gel 法( 溶胶－凝胶法) 制备了二元纳米粒子结构的SiO2 /含氟化合物杂化涂料，涂层表面具有优异的憎水性能，水接触角达到了150°以上，具有良好的防腐蚀、防雾、自清洁等性能。

2. 4 纳米防雾涂料纳米涂料不仅具有良好的附着力、耐冲击性、柔韧性，而且能提高涂膜耐老化、耐腐蚀、抗辐射性能。

此外，纳米涂料还可能呈现出某些特殊功能如: 自清洁、抗反射、抗静电、隐身吸波、阻燃、防雾等性能［23 －30］。

Zhang 等［31］通过用逐层涂膜法( LBL) 合成纳米多孔薄膜，经过焙烧后得到具有多孔二氧化硅层的复合涂料，该涂料具有稳定的机械性能、优良的防反射和防雾性能。

Tonar 等［32］涂覆15 nm 的SiO2于玻璃基材表面后再加一层TiO2薄膜，这样不仅能提高玻璃基材的自清洁防雾功能，而且在无紫外线照射的情况下其亲水性也能维持一段时间。

Zhang 等［33］研制了一种高透明度含亲水－疏水复合物的防雾涂料，其粒径小于光的波长，以保持高透明度。

该复合物含多官能团丙烯酸酯、亲水性丙烯酸酯、表面改性的无机纳米粒子及带有疏水链节和亲水链节的表面活性剂等。

此防雾涂料可以应用在玻璃、塑料等基材上，涂层水接触角小于10°。

目前，用于涂料的纳米粒子主要是某些金属氧化物( 如:Fe2O3、TiO2、ZnO 等) 、纳米金属粉末( 如: 纳米Al、Co、Ti、Cr、Nd、Mo 等) 、无机盐类( 如: CaCO3) 和层状硅酸盐( 如: 一维的纳米级粘土) ，其中纳米TiO2是研究较多的纳米材料之一。

纳米TiO2薄膜表面具有超亲水特性，即水在纳米TiO2薄膜表面的接触角很小，这一特性赋予了材料防雾、自清洁、易洗和快干等功能［34 －35］。

Sadjadi 等［36］以钛酸四丁酯为无机前驱体进行溶胶－凝胶反应，制备出亲水性有机/无机杂化纳米复合涂料，采用浸涂工艺在玻璃表面施涂膜层。

利用透射电子显微镜、接触角仪、原子力显微镜等对TiO2涂层性能进行了表征。

结果表明纳米TiO2的形成增大了无机和有机相的相容性，有效地避免宏观相分离，得到透明的杂化薄膜。

3 结语与展望为了克服现有防雾涂料实际应用中存在的一些问题，国内外在水性涂料技术、紫外光固化技术、有机无机杂化技术、纳米技术等方面进行了大量的研究，并取得了可喜的进展。

其中，这4 种技术相互结合使用，是防雾涂料发展的重要方向。