有机硅/TiO2耐擦伤透明涂层的研究

摘要

聚碳酸酯(PC)由于具有质轻、耐冲击、高透光率、易于加工成型等优点,被广泛应用于光学领域。与光学玻璃相比,PC表面硬度低,在日常使用过程中表面易擦伤而影响其正常使用,通过溶胶-凝胶法在PC表面上制备增硬耐擦伤的有机硅涂层,在保证良好透光率的前提下,可提高PC的使用寿命。然而,由于有机硅涂层与PC的折射率差别较大,制约了PC在高性能光学器件上的应用。近年来,高折射率的有机硅增硬涂层成为了研究热点。其中,通过溶胶一凝胶法将TiO2引入到有机硅涂层中可以获得折射率连续可调的高折射率的增硬耐擦伤涂层,并且加工工艺简单、价格低廉。
　　 本文采用溶胶一凝胶法,以正硅酸乙酯、硅溶胶、甲基三乙氧基硅烷、γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷和钛酸正丁酯等为前驱体,以盐酸为催化剂,醋酸为钛酸正丁酯的水解稳定剂,乙醇为溶剂,制备了储存稳定性良好(可稳定储存一年以上)的有机硅/TiO2复合溶胶。复合溶胶经涂膜固化制得高折射率的耐擦伤复合涂层。涂层对PC附着力可达到O级,在可见光范围内的透光率大于90；并系统研究了水解条件及组成对复合溶胶及涂层的性能的影响,得到如下的结果:
　　 (1)含水量对有机硅TiO2复合溶胶的稳定性及涂层性能有很大的影响,当含水量H2O:OR=1～1.5时,溶胶的陈化时间最短,涂层的显微维氏硬度值最高；控制含水量H2O:OR＜1.5及空气湿度小于60％,可以避免涂膜的发白。(2)聚酯附着力增进剂可有效提高涂层对PC的粘接性能,其最佳掺入量为1％,涂层的附着力为O级,在经受70℃热水处理1h后的附着力仍可达到2级。(3)有机硅/TiO2复合溶胶组成对涂层的硬度、折射率都有较大的影响。当Ti02含量在4.99％～32.09％范围内时,涂层在入射光波长为467.9nm处的折射率在1.5087～1.5778之间连续可调,经线性拟合得到TiO2含量与折射率的线性方程为:n=0.2442w％+1.4941。当涂层中TiO2含量为32.09％时,涂层在入射光波长为467.9nm处的折射率为1.5778,透光率达到90％,铅笔硬度为4H,涂层与PC表面附着力为1级。(4)在维持涂层的折射率相等的条件下(即组成中Ti原子与Si原子的摩尔比保持不变),以SiO2溶胶取代正硅酸乙酯制备SiO2/有机硅/TiO2复合涂层,可以进一步提高涂层的硬度。当反应组成配比SiO2:MTES:GPTMS:TPOT=1:2:4:4.5和2:0:5:4.5时,在120℃下固化3h后可得到无裂纹的涂层,其显微维氏硬度值可达到66.49和68.95,涂层经过破坏性擦伤测试后表面无肉眼可见的划痕产生,涂层的透光率大于88％。