透明耐磨薄膜材料的研究进展

透明耐磨薄膜材料的研究进展

摘要：透明耐磨薄膜材料性能优良，应用广泛。本文简述了透明耐磨薄膜的性能，种类和制备方法及研究重点和发展方向。

关键词：耐磨薄膜杂化材料有机-无机复合薄膜

一、透明耐磨薄膜材料的性能介绍

透明塑料具有很多优良的性能，如加工性能、耐候性、电绝缘性好，光学性能优异，且质轻性韧，广泛应用各个领域。不足之处就是使用温度低、耐热性差、吸水率高、耐磨及耐有机溶剂性差。人类为扩大透明塑料的应用范围，对透明塑料进行改性处理，使薄膜即就有以上优点，又能克服上述不足之处。

二、透明耐磨薄膜的种类和制备方法

能作为透明耐磨薄膜改善透明塑料耐磨性的材料很多，根据组成和结构，透明耐磨薄膜分成三类：无机薄膜、有机薄膜和有机-无机复合薄膜。

第一类薄膜主要有无机氧化物和非氧化物两大类材料。这两大类材料以晶态和非晶态形式存在，主要通过pvd和cvd技术沉积在塑料基板上。目前虽然在塑料基板上有多种无机薄膜在应用，但还是存在一些不足之处：设备所能生产的材料的尺寸和形状有限制，沉积塑料板温度过高引起塑料变形或软化，无机薄膜和塑料板之间易剥落。

第二类是有机薄膜，与透明塑料结合性能良好，不会对塑料基板产生不良影响，但抗划伤、耐磨性能较差，其中聚甲醛（pom）、全

芳族聚酯（pet，pbt）、（pa）、聚四氟乙烯（ftfe）耐磨性较好，同时具有低摩擦系数，自润滑等摩擦学性能，在涂料中应用较为常见。

第三类是有机-无机复合薄膜。目前大多数抗划伤透明有机-无机薄膜材料都是基于聚合有机硅或别的无机多聚体等具有网状结构

的物质作为骨架，同时掺入有机组成以提高与有机基板的附着力，它综合拥有上述两类薄膜的优点，同时又抗划伤、耐磨性强，是目前研究的重点。

三、当前研究的重点和发展方向

随着技术的进步，研究的深入，复合材料的性能越来越强。下面就成膜材料、耐磨增强材料和添加剂、溶剂、薄膜制备与固化工艺等方面进行介绍

1.成膜材料

为获得具有所需性能的薄膜材料，科研人员对薄膜中相互贯穿的有机-无机网状结构方面作了深入研究。目前能形成无机高分子的长链的元素很多，主要有全硅主链、磷和氮主链、硅氧及硅碳主链、全镓和全锡主链，硫磷氮和硫碳主链、含硼主链、以及含过渡金属主链的无机高分子。硅树脂出现对耐磨薄膜材料的发展起了巨大的作用。由于硅是地球上储量最丰富的元素，又因为聚硅烷既可用作结构材料又可用作功能材料。其中主链全部是硅原子且具有有机侧链的聚硅烷仍是透明耐磨薄膜的一个研究重点，研究主要集中在通过改变侧链组成达到改性的目的，包括薄膜涂层的耐磨性能、结合

性能和固化性能。侧链的选用跟薄膜材料的体系和基板有关，常用的侧链有r-氨丙基、乙烯基、r-甲基丙烯酰氧基等。为进一步改善无机多聚体的脆性，常引入mma 、羟基丙烯酸酯、双酚a 等多种官能团可聚合单体，实现分子水平的杂化，提高薄膜材料的柔韧性及与基板的结合性能。目前透明塑料用薄膜材料的研究取得了一些成果，主要研究工作集中在对有机硅水解形成的无机骨架的控制，有机-无机的杂化研究的深化，侧链各种功能性基团的引入等方面。

2.耐磨增强材料和添加剂

改进有机材料耐磨性最有效的办法是在机材料中引入无机微粒子，常用的有sio2， zro2，tio2 等。其中sio2价格便宜，工业上应用较为广泛：二氧化硅的引入分为二类，一类是通过采用硅溶胶的方法引入，另一类是通过烷氧硅烷水解、缩聚形成二氧化硅微粒子的方法引入。而zro2，tio2等在薄膜中的应用都是通过金属有机醇盐和无机盐的水解缩聚形成无机微粒子的方法引入。由于薄膜的耐磨性与无机粒子的含量有关，因此无机增强体颗粒含量和尺寸匹配及无机增强体颗粒的引入方法仍是当前的研究重点。随着生活水平和技术的提高，人们对薄膜提出了抗紫外线、自洁和抗静电等多功能化的要求，而多能化主要通过掺入各种功能添加剂实现，因此多功能添加剂的研究也是一个重点方向。

3. 溶剂

人们往往不重视溶剂在薄膜制备中的作用，认为它是挥发组份，

最后总是挥发掉而不留在薄膜中，对薄膜质量不会有很大影响。其实，各种溶剂的溶解力及挥发率等因素对于薄膜制备、与基板结合力、表面状态、透明性等多方面件能都有极大影响。溶剂一般为混合溶剂，由真溶剂、助溶剂和稀释剂三大部分组成。溶剂的选用一般是根据相似相溶原则，溶剂的组成配方应根据涂料粘度、溶剂挥发率及挥发平衡原则来考虑。随着多种不同性能的成膜材料和增强材料的变换，溶剂也要相应地加以变化以达到生产良好耐磨透明涂层的目的。

4.薄膜制备与固化工艺

薄膜制备中基板的表面处理是一个重要的过程，原因在于高分子聚合材料具有较低的表面能，表面呈现惰性和疏水性，为达到牢固结合的闷的，一些涂层需要对基板进行预处理。常用的薄膜制备方法有三种：浸涂、旋涂和喷涂，三种方法各有其优缺点。喷涂一般用于工业化大面积透明薄膜的制作过程中。在透明塑料表面涂层上涂一层薄膜并不意味着耐磨涂层制备完毕，还有一个固化过程，由于采用溶胶-凝胶和化学共缩聚技术，涂层中含有大量的溶剂、水和羟基，另外基板由于是透明塑料，一般承受能力低于180～c，因此在干燥的过程中需采取特别的措施才能制备出致密的耐磨透明

薄膜。研究发现，薄膜在氦气中固化能有效提高薄膜与基板的附着力及耐磨性，样品很容易地通过附着力和耐磨性测试，并发现薄膜厚度有20%的减少。人们为降低薄膜涂层固化温度和缩短固化时间，在薄膜组成中添加二甲基胺乙酸盐、乙醇胺乙酸盐、苯甲酸四乙基

铵等催化剂，可使薄膜涂层在75～150°c短时间按内固化。在制备有机-无机杂化材料过程中，光辐射固化和微波加热固化也是常用的办法。

四、结束语

透明耐磨薄膜改变了人们的生活，给人类带来很大的便利。但是基础工艺数据、原料品种、生产成本等距大规模工业性应用还有相当距离，耐磨透明薄膜多功能化的发展还有很长的路要走。

参考文献

[1]王晶，高宏材料科学与工程 2010年.

[2]余锡宾，王华林高分子材料科学与工程 2009年.

[3]王公善高分子材料学同济大学出版社 2007年.