钢管表面涂层材料研究

钢管表面涂层材料研究（通用3篇）

钢管表面涂层材料研究 篇1

金属基复合材料是近年来迅速发展的高性能材料之一, 与聚合物基及陶瓷基复合材料相比, 金属基复合材料因其防燃、耐高温、高导电与导热等特点而得到人们的极大关注[1]。但是, 在其制备及随后的加工、服役过程中, 金属基复合材料均会面临纤维与基体之间润湿性差、热膨胀不匹配、高温条件下熔融反应等问题, 由此均会导致复合材料部件的提前失效, 这也成为制约金属基复合材料发展与应用的关键[2]。

为了改进纤维与基体之间的界面结构, 纤维涂层处理是一种较为有效的手段。纤维涂层就是在纤维表面涂覆一层防止界面反应发生、提高纤维润湿性的物质, 以利于纤维与基体间形成一个良好的粘结界面, 从而达到提高复合材料性能的目的。本文将从涂层选取原则、分类及制备方法等方面对纤维涂层技术进行综述。

1 涂层的选取原则

涂层材料的选择要保证界面获得所期待的力学、化学和物理性质, 同时能缓解界面应力, 有效阻止高温界面反应, 保证界面性能在复合材料加工和使用过程中的稳定性, 以及防止在复合材料制备和使用过程中纤维遭受损伤或降解[3]。

纤维与基体的界面结合强度大小以及纤维和基体之间由于热膨胀系数不匹配导致的残余热应力能否得到控制, 是涂层选取必须考虑的问题。若界面结合强度太低, 在复合材料受力断裂时, 纤维容易拔出并吸收断裂能;而界面结合强度高时, 基体优先断裂, 裂纹前端应力集中不能引起纤维脱粘, 裂纹容易贯穿纤维, 使纤维断裂, 从而起不到增强作用。因此, 只有合适的界面结合强度才能充分发挥纤维增强金属基复合材料的优势。能否有效阻止纤维与基体之间的高温界面反应, 是涂层选取时需要考虑的另一关键问题。大量文献表明, 在纤维与金属基体间的高温界面反应是由元素扩散所主导。因此, 所选涂层不仅要能阻碍相关元素的扩散, 同时也应与纤维和基体同时保持热力学稳定性。

以此为原则, 常见的纤维表面涂层大致可分为如下几类:高稳定性的氧化物, 如Y2O3、MgO、Al2O3等;不活泼的耐温物质, 如C、W、BN和SiC等以及金属涂层、复合涂层等[3]。根据增强纤维的特点, 常用的涂层技术有化学镀、化学气相沉积 (CVD) 、溶胶凝胶法 (Sol-gel) 以及磁控溅射等。表1为常见纤维表面涂层及对复合材料的影响。

2 纤维表面涂层的分类

2.1 氧化物涂层

氧化物涂层高温稳定性好, 是目前研究最多且应用最广泛的涂层之一。氧化物涂层的存在, 会提高纤维的抗氧化性, 且选择适当的涂层材料可缓解纤维与基体之间的界面应力。常见的氧化物涂层有:Al2O3[9,10]、SiO2[11]、ZrO2[12]、莫来石[13]等。Al2O3熔点为2050℃, 具有高温稳定性好、耐化学腐蚀等优良性能, 广泛作为高温保护涂层应用材料[14], 并且在SiC纤维增强Ni基复合材料的研究过程中, 对Ni与Al2O3、Al2O3与SiC的物质反应Gibbs自由能的热力学计算结果表明各相物质可以稳定共存, 无反应。Al2O3的线膨胀系数为8.1×10-6/K, 介于SiC与Ni之间, 因此可选用Al2O3作界面层材料, 以达到缓解界面应力, 保护纤维和阻挡SiCf/Ni界面固相反应过程中反应物原子相互扩散, 抑制界面反应的目的[10]。李坤等[15]采用溶胶凝胶法在碳纤维表面涂覆SiO2涂层用于制备碳纤维增强镁基复合材料, 研究表明, 经过高温处理后, 界面处仅有少量的Mg和SiO2涂层发生化学反应。

2.2 金属涂层

在制备金属基复合材料时, 纤维与基体的润湿性往往较差, 为了在较低压力下使金属基体与增强相复合良好, 有效的方法是在纤维表面涂覆与基体润湿较好的润湿涂层, 一般为金属涂层, 常用的有Ni、Cu、Co等。Luo等[16]采用电镀的方式在SiC纤维表面镀镍用以增强Cu基复合材料。研究表明, 与SiC/Cu复合材料相比, 在700℃时, 表面镀镍SiC纤维增强Cu基复合材料SiC/Ni/Cu的抗拉强度未发生改变;但在800℃时, SiC/Ni/Cu的力学性能急剧下降。他认为原因主要有两点: (1) Ni镀层与SiC反应生成Ni的硅化物 (Ni2Si) 与石墨, 由此导致SiC纤维的力学性能下降; (2) Ni镀层与SiC的反应降低了界面结合强度。罗贤等[17]为研究纤维涂层法制备SiCf/Cu复合材料的性能特点, 通过磁控溅射法先后将Ti6Al4V界面改性层和基体Cu涂层涂覆到SiC纤维表面, 并通过真空热压法将被涂覆的纤维制备成SiCf/Cu复合材料。研究表明, Ti6Al4V提高了纤维/基体界面结合强度, 复合材料轴向抗拉强度高达500 MPa, 并且界面脱粘主要发生在纤维表面的碳涂层与纤维之间。在碳纤维表面涂覆的金属涂层有Cu[18,19]、Ni[16,17,18,19,20]、Ag[21]等, 在Cu涂层碳纤维增强的铝基复合材料的制备过程中, 涂层Cu熔于铝基体中形成固熔体, 同时暴露的碳纤维表面与熔体直接接触, 改善了碳纤维与铝基体的润湿性。

2.3 不活泼的耐温物质

C涂层是研究最多, 应用也最广泛的涂层。目前, 绝大多数商用SiC纤维表面均涂有C涂层。在高温热暴露情况下, C涂层会作为反应牺牲层。杨延清等采用表面富C的SiC纤维增强Ti基复合材料, 研究表明, 高温下C会优先与Ti基体反应生成TiC层, TiC会阻碍Ti的扩散。随着热暴露时间的延长, 界面反应会持续不断进行, C层也有可能被消耗掉, 因此C涂层厚度不宜太薄, 一般需要2~4μm[22]。

2.4 复合涂层

以上介绍的均为单一涂层, 单涂层一般具有一种功能, 如提高润湿性、阻挡界面反应或调节界面性能, 但在实际应用中难免顾此失彼, 所以, 为了满足界面的复杂要求, 双涂层以及多功能复合涂层愈来愈受到重视, 其结构较单涂层复杂, 但可实现更多的功能, 是常采用的一种涂层方式。属于此类涂层的材料有C/Al2O3、Al/Al2O3[9]、SiO2/Al2O3[10]等。

张露等[9]采用磁控溅射对向靶卷绕纤维镀膜的方式在SiC纤维表面制备Al/Al2O3复合涂层, 涂层较好地保护了纤维表面的富C层, 同时由于Al过渡层厚度的优化, 也会缓解界面处产生的界面残余应力, 起到改善界面物理相容性的作用。然后采用磁控溅射或电弧离子镀工艺在SiC纤维表面镀Ni, 制成SiC纤维先驱丝, 并采用真空热压法制备SiC纤维增强Ni基复合材料样品。从图1的线扫描能谱图中可以看出, 经热处理后, Ni并没有扩散进SiC纤维内部, 说明Al2O3复合涂层对Ni基复合材料具有很好的扩散障碍作用。

3 涂层的制备方法

常用的纤维涂层制备方法有:物理气相沉积 (PVD) 、化学气相沉积 (CVD) 、溶胶凝胶法 (Sol-gel) 、电镀、化学镀等。表2为几种常见纤维表面涂层制备技术的对比。

3.1 化学镀

化学镀是用来在纤维表面镀金属涂层的方法。化学镀液中同时含有欲镀金属的盐和还原剂, 只要纤维经活化和敏化处理, 便可获得金属涂层。化学镀铜涂层虽然已用于铝基和铜基复合材料, 但铜在高温下易氧化, 氧化后的涂层不易被金属润湿, 因此不是一种理想的金属涂层[32]。SiC纤维表面金属 (Ni、Cu) 或合金 (Ni-P、Cu-Ni-P等) 涂层的制备广泛采用化学镀技术, 涂层的存在对抑制SiC/金属界面固相反应有明显效果[33]。

3.2 化学气相沉积 (CVD)

化学气相沉积被广泛应用于纤维表面沉积金属、碳化物、氮化物、硼化物等涂层。该方法是利用气体在加热的增强相表面或附近发生化学反应, 将固体产物沉积在增强相表面上。CVD法设备简单, 通常在常压下即可进行, 沉积速率也较快, 但在高温下基体和沉积层中的合金元素相互扩散易在交界处形成脆性相, 降低复合材料性能。Ahamed等[34]在SiC纤维表面CVD镀金属W涂层, 其对SiC纤维可以起到一定的保护作用。Larkin等[35]采用CVD法在SiC表面沉积Y2O3涂层, 以阻碍SiC与Ni、Al等金属的反应。Choy等[25]在SiC纤维表面CVD涂覆TiB2、TiC、TiN的保护膜, 其可抑制SiC与Ti合金基体的反应, 提高增强相与金属基体的化学、物理相容性, 提高复合材料的力学性能, 其中涂TiB2的效果最好。郑杰[36]采用化学气相沉积工艺在W芯SiC纤维表面沉积B4C涂层, 以改善增强体W芯SiC纤维与基体Ti合金两者之间的界面反应, 对沉积温度、反应气体总流量及配比、走丝速度等工艺参数进行了详细研究, 并通过热压法制备了复合材料, 研究表明, B4C涂层作为牺牲层, 能够有效地减缓两者之间的界面反应。

3.3 溶胶凝胶法

溶胶凝胶法是利用有机或无机盐在溶液中经水解缩聚形成透明澄清的溶胶, 再采用浸渍提拉法于纤维表面制备薄膜或涂层。与上述几种制备方法相比, 溶胶凝胶法工艺简单, 制备过程温度低, 所需设备价格低廉, 因此得到了极为广泛的应用。

Baklanova等[37]研究溶胶凝胶法在SiC纤维表面分别涂覆Al2O3、ZrO2、TiO2等陶瓷涂层, 通过控制溶胶的粘度和浸渍次数可得到表面均一完整的涂层纤维, 通过对纤维表面形貌、拉伸强度的分析可知, 涂层对纤维起到了较好的保护作用, 高温下纤维力学性能稳定。Verdenelli等[38]采用溶胶凝胶法在SiC纤维表面涂覆多孔xAl2O3-ySiO2涂层, 通过控制浸渍次数得到厚度范围在100~1000nm之间的涂层, 与原始纤维相比, 涂层纤维的力学性能未降低。曾庆冰[28]采用溶胶凝胶法在碳纤维表面涂覆Al2O3涂层用于增强铝基复合材料, 涂层有效地覆盖了碳纤维表面的裂纹和缺陷, 涂层后碳纤维与熔融铝的润湿性和相容性明显改善, 并且涂层有效地阻止了碳/铝界面反应, 使预制丝强度明显提高。Tang等[39]用硝酸铝和氨水作原料, 通过溶胶凝胶法合成Al2O3溶胶, 并在碳纤维表面涂覆Al2O3涂层用于增强Al基复合材料, 结果表明所得α-Al2O3涂层的厚度在200~250nm之间, 并且通过α-Al2O3涂层的引入控制了界面间Al4C3的产生。

4 结语

金属基复合材料的界面问题的研究解决对确定有效的金属基复合材料的制备方法和确定金属基复合材料的使用范围都是十分重要的, 金属基复合材料增强相涂层是控制复合材料界面最有效的途径之一, 涂层的引入改变了界面的原始结合状态, 提高了界面结合强度, 且对避免增强体与基体之间的有害化学反应起到了一定的作用。

目前, 对C纤维、金属纤维等表面涂层的研究较为深入广泛, 但由于SiC纤维在国防军事等高科技领域的敏感用途, 对其表面涂层相关报道较少, 特别是关于SiC纤维增强金属基复合材料的公开资料很少, 因此, 对金属基复合材料中纤维涂层的研究仍有很多工作要做。在现阶段纤维表面涂层研究中主要存在以下问题[22]: (1) 涂层在实际工作条件下对复合材料的影响及作用机理没有很系统深入的研究; (2) 对复合涂层的研究较少, 一些比较复杂的涂层仅停留在试制及简单的测试阶段, 远未达到应用的程度; (3) 计算机模拟尚未应用于涂层设计中。

目前, 对材料的要求越来越高, 对复合材料界面也提出了更高的要求, 因而, 优化涂层结构和性能仍有大量工作要做。因此我们应该充分认识到涂层在纤维增强金属基复合材料中的重要性, 对涂层的研究给予更多的关注与投入。今后, 还需深入研究增强体涂层的以下几个方面: (1) 涂层在实际服役条件下对纤维和基体之间界面结合机理的影响以及界面的载荷传递问题等; (2) 开发出高质量、廉价的多功能复合涂层; (3) 界面特性的表征。

摘要：增强纤维与基体间的界面对金属基复合材料的性质起着重要的作用, 纤维表面涂层法是解决纤维增强金属基复合材料界面问题的有效途径之一。针对纤维表面涂层的选取原则、分类及制备工艺, 综述了金属基复合材料的界面稳定性及综合性能的影响。

关键词：金属基复合材料,界面,纤维涂层

钢管表面涂层材料研究 篇2

1实验材料与方法

1.1SiC涂层的制备

基体为低密 度C/C复合材料 (密度为0.18g/cm3),尺寸为40mm×40mm×10mm,表面用400# 砂纸打磨,然后用超声波清洗、烘干。首先配制热固性酚醛树脂与酒精的溶液(质量比为9∶1),将粒度为50,100,150μm的石墨粉与上述溶液混合(两者质量比为3∶35),并搅拌均匀,然后将浆料均匀地涂刷在基体表面,自然干燥后 放置于烘 干箱中固 化烘干,温度为100℃,时间为10h。将烘干后 试样放入 真空碳管 炉中,1150℃下保温2h,再经过1800℃下保温2h的石墨化处理,基体表面形成石墨涂层,作为硅蒸镀法制备SiC涂层的反应基体。将已在表面制备石墨涂层的基体置于盛有硅粉 (粒度为50μm)或硅块 (粒度为5~10mm)的石墨坩埚上方,再将坩埚放置于石墨筒中,如图1所示。采用真空碳管炉对试样进行热处理,温度为1450,1550,1650,1850℃,保温时间为0,2,3,4h,反应过程中保持真空度为1.0×10-3Pa或流动氩气状态,其流量为3L/min,炉内压强为0.05MPa,利用硅粉或硅块作为硅蒸发源,通过高温蒸发使基体表面聚集大量的硅蒸气,与石墨涂层以及基体中的碳反应生成SiC,最终在基体表面形成SiC涂层,如图2所示。

1.2SiC涂层的物相及微观结构分析

采用场发射扫描 电子显微 镜 (SEM,ZEISSSUPRA55)观察了涂层的表面以及截面形貌,并对涂层截面进行了面 扫描分析。 利用X射线衍射 (XRD,PE)分析了表面涂层的物相组成。

2结果与讨论

2.1蒸镀温度对涂层物相的影响

石墨粉的粒度为100μm,蒸镀时间为3h,反应过程中保持真空状态,硅粉为硅蒸发源(蒸镀后坩埚中残留Si),蒸镀温度为1450,1550,1650,1850℃条件下进行蒸镀实 验,所制备涂 层XRD分析如图3所示。

由图3可知,当蒸镀温度为1450℃时,样品的表面仅由石墨相组成,未反应生成SiC相,这是由于温度过低,硅熔体的蒸气压较小,几乎没有硅蒸气扩散到基体表面,未能形成SiC相。当蒸镀温 度为1550℃和1650℃时,涂层表面仅存在β-SiC相,这是由于随着蒸镀温度的升高,硅熔体的蒸气压逐渐增大(如图4所示),大量硅蒸气蒸发到基体表面,充足的C相和Si相发生反应,且反应速率较快,快速地形成 较多的SiC相,涂层表面 被β-SiC完整地覆 盖。当蒸镀 温度为1850℃时,涂层表面出现Si相,这是由于温度过高,聚集到基体表面的硅蒸气过多,形成致密涂层后表面仍残留未反应的硅,冷却后沉积到涂层表面。SiC涂层微观形貌如图5所示,随着温度的升高,SiC涂层表面平整度增加,产生的原因是随着温度的升高,硅的蒸气压逐渐增大,导致硅蒸发源表面的硅蒸气增多,且蒸发材料的蒸发速率也相应地提高,聚集在基体表面的反应气体浓度较高,使得硅蒸气与碳源充分接触,保证硅蒸气在基体表面的均匀性,同时随着温度的升高,SiC在基体表面的形核多,原子扩散率、原位反应的活化过程速率都增大,提高了SiC反应生成速率,生成的SiC颗粒增多,导致基体表面的石墨涂层被大量的SiC颗粒所代替,且颗粒分布更均匀,最终形成的涂层表面平整度增加。

2.2气氛及硅蒸发源对涂层微观结构的影响

蒸镀温度为1550℃,蒸镀时间为3h,石墨粉粒度为100μm,硅块为硅蒸发源(蒸镀后坩埚中残留Si),保持真空或流动氩气状态下制备SiC涂层,不同气氛和硅蒸发源制备的涂层微观形貌如图6所示。

对比图6(a),(b)可知,当硅块为蒸发源时,形成的涂层致密度高、表面比较光滑,这是由于相同温度及真空条件下,硅熔体的蒸气压是定值,硅粉之间是真空状态,被分隔成独立的小单元,彼此之间不存在固体传热,仅通过吸收周围环境的热量来熔化硅粉,而硅块表面熔化后可通过固体传热快速向内部传热,内部未熔化的硅容易吸热,吸收热量速率加快,单位时间内熔化形成的硅熔体多,较大的熔体表面积加快了硅蒸发速率,产生了较多的硅蒸气,反应生成SiC晶粒增多,晶粒相互镶嵌、叠加,形成致密度高、表面较光滑的涂层。由图6(b),(c)可知,流动氩气状态比真空状态所制备SiC涂层的表面平整度高,这是由于通入氩气产生了气体扰动作用,加快了硅蒸气的扩散,增加了与基体的接触概率和接触时间,同时氩气与硅蒸气混合后可以平衡反应容器内温度差,使整个坩埚内的温度保持均匀,反应生成的SiC晶粒多且分布均匀,最终制备的涂层致密度大、平整度高。

图6不同气氛和硅蒸发源条件下制备 SiC涂层的表面微观形貌(a)硅粉,真空;(b)硅块,真空;(c)硅块,氩气Fig.6MorphologiesofSiCcoatingpreparedbydifferentatmosphereconditionsandsiliconevaporationsource(a)siliconpowder,vacuum;(b)siliconblock,vacuum;(c)siliconblock,argon

2.3表面粗糙度对涂层微观结构的影响

选择蒸镀温度为1550℃,蒸镀时间为3h,反应过程中保持真空度为1.0×10-3Pa,基体表面无石墨涂层、基体表面为石墨 涂层 (石墨粉的 粒度分别 为50,150μm)、石墨片所制备SiC涂层的表面微观形貌如图7所示。

图7不同表面粗糙度的蒸镀基体所制备 SiC涂层表面微观形貌(a),(b)无石墨涂层;(c),(d)石墨粉粒度:150μm;(e),(f)石墨粉粒度:50μm;(g),(h)基体为石墨片Fig.7MorphologiesofSiCcoatingpreparedondifferentsurfaceroughnessmatrixes(a),(b)withoutgraphitecoating;(c),(d)graphitepowder:150μm;(e),(f)graphitepowder:50μm;(g),(h)graphitesheet

由图7可知,无石墨涂层的基体表面未形成SiC涂层,仅在纤维表面生成凹凸不平的SiC涂层,这是由于基体内部存在大量的微孔,硅蒸气容易快速扩散到基体内部,在石墨纤维表面形成SiC涂层,无法在复合材料基体表面形成致密涂层。但在基体表面制备石墨涂层形成预炭层 后,当涂层中 石墨粉粒 度为150μm时,涂层表面出现无规则形状、尺寸较大的SiC颗粒,并呈带状分布。当涂层中石墨粉粒度降至50μm时,局部区域形成了SiC致密体。当基体为石墨片,涂层表面完全被SiC致密体覆盖,SiC晶粒表面及晶粒之间均存在少量的Si单质。随着石墨涂层表面粗糙度的降低,基体表面反应生成的SiC涂层裂纹及孔洞减少,连续性和致密度增大,其原因是表面粗糙度低的石墨涂层表面形成了SiC致密体,同时反应生成的SiC晶粒较多,晶界数目增多,晶界两侧的晶粒取向不同,裂纹前端移动至晶界时受阻,界面应力被微裂纹所缓解,使得裂纹只能扩展到有限的距离,因此表面涂层中的裂纹缺陷变少,较完整地覆盖基体表面,有效地提高了涂层的连续性和致密度。

2.4蒸镀时间对涂层微观结构的影响

选择蒸镀温度为1550℃,真空度为1.0×10-3Pa,石墨粉粒度为50μm,蒸镀时间为0,2,3,4h的条件下所制备的SiC涂层截面微观形貌如图8所示,SiC涂层截面的硅元素分布如图9所示。

图8不同硅蒸镀时间制备的 SiC涂层的截面微观形貌(a)t=0h;(b)t=2h;(c)t=3h;(d)t=4hFig.8Cross-sectionimagesofSiCcoatingpreparedbysiliconevaporationtime(a)t=0h;(b)t=2h;(c)t=3h;(d)t=4h

图9不同硅蒸镀时间制备的 SiC涂层截面的硅元素分布图(a)t=2h;(b)t=3h;(c)t=4hFig.9Cross-sectionsiliconelementaldistributionmapsintheSiCcoatingpreparedbysiliconevaporationtime(a)t=2h;(b)t=3h;(c)t=4h

由图8可知,随着蒸镀时间的延长,涂层截面处堆积密度提高,由疏松堆积向紧密堆积过渡。由图9可知,SiC涂层厚度由硅元素在涂层中分布来表征,涂层厚度逐渐增加,这是由于时间的延长,硅蒸气缓慢扩散到孔隙、裂纹处,反应生成的SiC晶粒有效地填充涂层内部缺陷,涂层的致密程度增加,同时部分硅蒸气进一步扩散到基体内部,生成更多的SiC颗粒,使涂层的厚度增加。基体中除表面形成SiC涂层之外,垂直于表面位置处形成了树状碳化硅,深入到基体材料内部,如图9(b),(c)所示,这是由于基体材料采用针 刺工艺制得,针刺后导致部分纤维纵向排布,留存大量针孔的尺寸相对于纤 维之间的 空隙较大,形成硅蒸 气的扩散“通道”,有利于硅 蒸气通过 此空隙扩 散到基体的内部,使得该方向上快速反应生 成SiC颗粒,而嵌入基体内部的树状碳化硅增大了 表面SiC涂层与基体间的黏结力。

3结论

(1)当蒸镀温度为1550℃和1650℃,涂层表面制备得到单一的β-SiC相;当蒸镀温度为1850℃时,涂层表面出现少量的Si。

(2)采用氩气保护,硅块作为硅蒸发源时,基体表面所形成SiC涂层的表面平整度增加。

(3)随着石墨涂层中石墨粉粒径的降低,基体表面粗糙度的降低,逐渐形成SiC致密体,SiC涂层的致密度和连续性增加。

薄膜表面硬化涂层的研究和应用 篇3

高分子薄膜材料的应用非常广泛和普及,薄膜种类繁多如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)等等,这些高分子薄膜材料具有很好的光学性能和物理机械性能,适合于在各领域中应用。如液晶显示器面板及其背光源、等离子显示器;电脑、游戏机、手机、家电产品、仪器设备、机械仪表、建筑装潢等等众多领域。

高分子薄膜(如PET、PC、PVC、TAC等)具有优秀的光学性能和物理机械性能,但由于高分子自身的缺陷大多数高分子薄膜表面硬度较低,在使用中易被硬物锐器划伤,影响表观美观和使用功能。通过在材料表面实施附加的表面硬化涂层提高这些材料表面的硬度,使得这些高分子薄膜材料的耐擦伤功能得到完善,应用价值得以大幅提高。薄膜表面实施硬化涂层的目的一是对薄膜进行保护提升耐用率;二是对薄膜起到装饰作用。总之,通过在薄膜表面实施功能涂层可以使薄膜的品质得到提升,应用范围得到扩展。

为了满足高分子薄膜材料的使用性能,多年来人们一直在对这些材料进行改进,对高分子材料表面的硬化处理可以采用涂层或镀膜等方式进行,其中表面硬化涂层改进薄膜表面硬度工艺简单、成本低,是采用较多的技术工艺。

作为薄膜表面硬化涂层的涂料是多方面的,聚氨酯涂料、无机纳米陶瓷涂料以及辐射固化涂料都可以作为涂层材料应用在薄膜的表面硬化技术上。辐射固化技术是当前发展速度较快的一项工业技术,该技术自20世纪80年代进入快速发展期以来,至今的30多年时间里一直保持着快速的发展。辐射固化技术在薄膜表面硬化处理方面的应用,尤其适合卷对卷涂布工艺的需求,促进了功能性薄膜的发展,近年来一些高技术领域如纳米材料、涂料技术的快速发展也使得表面硬化薄膜的质量越来越高,品种越来越丰富。

2 塑料基材表面硬化涂层研究

2.1 热固化表面硬涂层研究

聚氨酯涂料具有优异的耐磨性、硬度和柔韧性,是应用极为广泛的涂料种类。聚氨酯是由异氰酸酯和含羟基或氨基化合物缩聚聚合而成,聚氨酯是分子结构中含有氨基甲酸酯重复单元的聚合物,根据缩合的羟基化合物种类分为聚酯聚氨酯、聚醚聚氨酯等,聚氨酯分子间易形成氢键如:

由于这些氢键的作用以及聚氨酯分子固化时的交联作用,聚氨酯树脂具有优异的性能如物理机械性能好、涂膜坚硬、柔韧性好、亮度高、耐磨性优异、附着力好、耐腐蚀性强等等[1]。由于聚氨酯具有一定的柔韧性,易于在薄膜等软基材上使用,具有较好的附着力。

聚氨酯涂层材料在薄膜上获得的硬度主要在于生成聚氨酯的原料组成,即组分中异氰酸酯基和含羟基化合物的分子结构,如芳香族二异氰酸酯(TDI)与己二异氰酸酯(HDI)由于分子结构的刚性不同,生成的聚氨酯固化后硬度不同等。聚氨酯涂膜中,除含有氨基甲酸酯外,还含有酯键等不饱和双键,可赋予聚氨酯涂层具有许多优异的性能,调整聚氨酯涂料配方,可获得要求的性能,如可以从坚硬的调节到柔韧的涂层[2]。

聚氨酯涂层的缺点是固化时间较长,一般需要几十分钟到数小时,并需要较高温度。为解决此类问题研究者进行了大量深入的研究,通过采取添加催化剂等加快分子间的反应速度,降低反应温度,如有机锡、有机汞催化剂等等。如美国专业涂料和树脂供应商Global Theming Products公司能提供一种用于软基体的硬涂料-双组分阻燃聚氨酯涂料,这种牌号为Euro.Seal 7000,该聚氨酯涂料的表干时间为10s,可生成了一种坚硬的、耐化学药品、耐水和阻燃的聚氨酯灌封胶,这种涂料在最佳的条件下可能有10年的寿命[3]。

2.2 辐射固化表面硬涂层研究

作为环境友好技术的紫外光固化材料自20世纪70年代在国外商品化以来,一直保持着10%以上的高速增长。其优势在于:固化快,生产线速度可达200m/min;无污染,紫外光固化涂料具有低VOC排放的特点;涂膜质量高、硬度高、耐划伤、耐腐蚀等[4],辐射固化技术已经广泛应用在电子、印刷、光学器件、装饰装潢等领域。UV固化硬化涂层的缺点主要是涂层与薄膜基材的附着力问题,塑料基材是一种非吸收性基材,涂料不能向基材中渗透而产生机械锚合达到提高附着力的目的,同时塑料表面属于“惰性”材料,几乎不存在能与涂层中组分发生反应形成化学键,故而塑料薄膜与涂层之间的附着相当困难。尤其在获得较高的表面硬度和优良的耐磨擦性时,要求涂层有较高的交联密度时,高交联密度使涂层产生较大的体积收缩对附着力不利[5]。因此,UV固化硬涂层配方的研究显得尤为重要,需要合理选择UV固化预聚物和活性稀释剂即合理调配各组分之间的比例,进而获得最大硬度和涂层最小体积收缩率,得到较好的涂层附着力。随着化工生产技术的提高,越来越多的新型紫外光固化材料提供配方研究应用(包括预聚物、功能性单体及光引发剂),为光固化技术的应用和发展提供了较雄厚基础。

UV涂料固化后具有较高硬度是由于涂料体系自身结构决定的,抗擦伤性与涂料的预聚物、单体组成及添加剂有关。表1是UV硬化涂层中预聚物与涂膜硬度和涂膜柔韧性的关系。

注:1.稀释剂40%,光引发剂4%;2.表中聚氨酯丙稀酸酯后的Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ数字符号表示聚氨酯丙稀酸酯的官能度。

从中可见在UV涂料体系中,高官能度脂肪族聚氨酯丙烯酸酯、特殊官能团改性丙烯酸酯及高官能度丙烯酸单体成膜后形成的交联密度高可使涂料固化成膜后有较高的硬度和抗擦伤性能,但硬化涂层的柔韧性将受到影响[6,7]。

在UV涂料体系中加入纳米二氧化硅及硅烷改性的丙烯酸树脂,可以使涂料具有较高的硬度和耐刮擦性[8]。目前,掺杂无机纳米材料的UV固化预聚物已有多种,可以很方便地配置高硬度高耐磨UV固化涂料,预聚物的种类尤其是高官能度预聚物在陆续开发和利用,为UV固化硬涂层的开发研制创造了丰富的条件。

2.3 纳米陶瓷耐磨涂层研究

纳米陶瓷涂料是以无机化合物为原材料的涂料体系,无机化合物一般选择纳米氧化物、氮化物、碳化物等化合物。这种涂料具有耐腐蚀、耐热、耐磨和高硬度等性能。是近几年发展最快的涂料种类,据报道发达国家纳米陶瓷涂料市场规模正以每年40%速度扩大 。

纳米陶瓷涂料是有机/无机杂化涂料的一种,具有优良的成膜性和柔韧性,但是与普通的有机/无机杂化材料相比又有所不同,这主要体现在它的成膜物主要成分是无机纳米粒子,无机纳米材料比例可高达70%～80%以上。所以,纳米陶瓷涂料具有非常好的防火阻燃性、抗划伤性、耐酸碱性和耐候性,它已经在韩国、日本和美国有了较广泛的用途,如公共设施、家用电器、船舶、军工和化工防腐等领域[9]。

有机硅具有硅氧键主链,可以由有机基团构成侧链,是一种典型的无机高分子材料。因为主链中具有硅氧键,故显示近似无机SiO2的硬度。如以三甲基乙氧基硅烷(MTES)水解产物为主要成膜物,正硅酸乙酯(TEOS)作为无机增强物,通过调节PH值浸涂于PC上。采用二月桂酸二丁基锡为固化剂在120℃下热固化3h,可得到PC表面硬度3H以上[10]。

据介绍天津市亨美淋纳米化工材料有限公司研发的水性无机纳米级氧化物涂层可抗摄氏700～800℃以上的高温,具有透明、稳定、耐磨和耐燃等无机体原料特性。铅笔硬度可达9H,而且纳米级微细颗粒成膜性好、适用性广,对各种不同素材有极佳的附着力,涂膜后不产生高密度的封闭,透气性好,是新型陶瓷涂层,大理石表面抗氧化,耐高温涂层,玻璃涂层,及有机玻璃透明增硬耐磨涂层的良好材料。

纳米陶瓷涂料用于薄膜表面硬化处理的缺点主要在于干燥温度高和固化时间长,这也阻碍了纳米陶瓷涂料在聚合物薄膜表面硬化方面的应用。

随着涂装材料的研究的不断进步,近些年UV固化的纳米陶瓷原料已经面世。它最大的优点就是实现了热敏基材(如PET、PC等薄膜)上涂装纳米陶瓷涂料,而目固化效率非常高。如上海衡峰氟碳材料有限公司介绍的NC-UVl 10就是一款可UV固化的纳米陶瓷涂料,它可以在20～60s内实现固化,硬度可高达7h,具有优良的耐候性和耐磨性[9]。

3 硬化涂层的应用

3.1 光学薄膜表面硬化

FPD平板显示面板除显示材料外,需要由多种功能薄膜产品组成。尤其是液晶显示器(LCD)更是多种功能薄膜的组合[11],包括偏光片、防反射膜、防眩光膜、扩散膜等等。在这些光学功能膜材料的制作工艺中均需要对薄膜进行表面硬化处理,有的是工艺需要,防止薄膜材料在组装和使用等过程中表面划伤;有的是技术需要,硬化层和其它功能层组合发挥功能作用。

3.1.1 防反射(AR及LR)膜

液晶显示器的显示画面在被周围环境的光线如阳光或外界灯光照射时会产生镜面反射而产生映入的现象,显示屏应该显示的画面就会和由外界映入的光和景观等重叠,使得显示图像清晰性下降,影响显示画面的观赏效果。解决此现象的较好方法是对显示屏进行防反射处理或在屏幕外侧使用防反射膜。具有防反射膜(AR膜)的LCD显示器适用于飞机机舱、终端移动电话、彩屏手机、笔记本电脑和大型监视器等高性能要求的场合[12]。防反射薄膜是利用光干涉的原理来减少镜片表面多余的反射光,提高透光率,保证屏幕画面的观赏效果。

防反射膜的生产可以采用溅射或化学气相沉淀(CVD)工艺,即将不同的金属或氧化物材料通过上述方法沉积在薄膜上形成表面硬化层和具有不同折射系数的多层结构,属于干法加工制作。用于防反射膜的薄膜基材主要是三醋酸纤维素薄膜(TAC)或聚酯薄膜(PET),CVD方法制作防反射膜要求条件复杂、成本高。为避免CVD苛刻的加工条件,当前湿法涂布技术取代干法工艺是制造防反射膜的发展趋势,表2是干法工艺与湿法工艺的对比。

湿法工艺防反射膜的关键技术主要是涂层材料折射率研究,防反射作用的原理是不同折射率的膜层界面对相应波长的光产生干扰而防止光的反射,涂膜厚度应由光的波长决定。理论上,由N层的多层防反射薄膜来防止N个波长的光的反射率。实际应用的防反射膜一般至少由4个涂层组成(如图1),基材选用透明的TAC或PET薄膜,自下而上依次是硬质涂层、高折射率层、低折射率层和防污抗划伤层,根据需要透明基材背面涂布压敏胶和隔离膜。

湿法生产的防反射膜的硬质涂层一般使用光固化硬涂层,该层位于基材和起折射功能的涂层之间。防反射薄膜因为位于显示器的最外端,是易于被外物或人们接触的层面,易造成污染和划伤等缺陷,施以防污抗划伤层即是为了避免产生该缺陷,防污染划伤涂层可选用光固化体系并添加含具有防污性能的特殊基团的树脂材料或无机纳米材料构成。

不同折射率的防反射层可以是由光聚合防反射膜的光聚合组合物还可以使用少量的聚硅氧烷丙烯酸树脂,尤其是在低折射率层可提高涂层表面的耐磨性,得到良好的抗磨损性能[13,14]。

高折射率层除了选择光聚合成膜体系具有高折光率外,一般需要掺杂无机纳米氧化物来提高涂层的折射率,用于提高折射率的纳米氧化物有氧化钛、氧化锆、氧化锑、氧化铟锡等等,这些氧化物的折射率一般在1.9～2.4左右。无机纳米材料在涂层体系中的分散是涂料制备的关键技术,市售的纳米分体是纳米粒子的聚积体状态,通过研磨、高剪切等分散技术将其在涂布液中分散成需要粒径的粒子(一般粒径≤50nm),这个过程中需要必要的分散剂等表面活性剂。当粒径大时尤其是大于涂层膜厚时,将会发生光线的散射,造成透光率等光学性能的降低。

通过将具有不同折射系数的UV固化涂料涂布并固化于塑料薄膜基材上,形成多层防反射结构,用于LCD的防反射薄膜基材除PET外,还可以是TAC和PC膜。

3.1.2 防眩光膜

在显示器应用领域产生的眩光有2个方面,一是显示器自身发光闪耀产生;另一方面是室内照明及户外光线投射到显示屏后产生的反射眩光。这种眩光使得显示器的使用者眼睛不适,尤其是长时间使用造成眼睛疲劳。外界光线对液晶显示屏幕具有非常大的干扰,一些LCD显示屏,在外界光线比较强的时候,因为它表面的玻璃板产生反射眩光,而干扰到它的正常显示。因此,在室外等明亮的场所使用LCD时,其显示性能会大大降低。所谓“抗眩光膜”是在光学薄膜内搀杂或表面镀上一层或数层光学折射材料,这些光学材料可以对光线产生散射现象,使得经由防眩光膜的光线和外界光线反射发生散射,致使见到的光线柔和,防眩光膜能够显著减少玻璃表面对可见光的反射眩光,增强画面清晰度[15]。

防眩光膜使用透明的醋酸纤维素薄膜(TAC)、聚酯薄膜(PET)或聚碳酸酯(PC)薄膜等透明性优良的薄膜作基材,主要使用双折射性小的醋酸纤维素薄膜。防眩光膜一般是同偏光片一同用于液晶显示器,主要用途是笔记本电脑、大型监视器等液晶显示屏。防眩光膜制作有多种方法,早期主要是在薄膜中添加具有抗眩光作用的无机材料和热压成型法。前者是在薄膜成膜前将不规则的抗眩光物质混入树脂中,在成膜过程中均匀分散在薄膜中,使薄膜自身具有一定的光散射性能,起到防眩光的作用。后者是在薄膜成形过程中使用压花辊在薄膜表面挤压而成,凹凸不平的薄膜表面造成光线的散射,起到防眩光作用。制作防眩光膜的这2种方法的特点是方法简单,但薄膜的防眩光性能不易控制,薄膜压花面硬涂层处理困难,影响使用效果。

防眩光膜的实用要求除本身光学性能外,还需具备一定的表面抗划伤性能,以保证材料在使用过程中不被损坏。抗划伤需要在薄膜防眩光涂层表面形成一个高度交联的硬性膜层,抗划伤涂层与防眩光层的匹配、涂布工艺、固化方式等的研究对合格材料的制备也是一个关键技术。

获得好的抗划伤涂层光聚合体系是理想的选择,光聚合固化硬涂层已广泛应用于薄膜材料的表面硬化处理。目前,选择多官能基丙烯酸预聚物树脂和多官能团丙烯酸活性单体得到的表面硬化涂层的铅笔硬度可达6～7H,并可以通过调节聚合物的结构组成获得理想的耐擦伤性和涂层间的附着力。

近年来,随着光聚合技术在光学功能膜制作中的应用日臻成熟,光聚合材料作为防眩光材料的载体已经在实际生产中广泛应用。将纳米无机氧化物、聚合物微粉分散在由聚氨酯丙烯酸脂树脂、环氧丙烯酸酯树脂、丙烯酸活性单体和光敏引发剂组成的光聚合体系中,通过调节预聚物树脂和光引发剂控制膜层的物理机械性质,由选用的抗眩光物质的折射率和粒径控制防眩光膜的光学性能,采用一次涂布即可制作性能可靠的抗眩光膜[15,16]如图2。

3.1.3 PET抗划伤膜

PET薄膜的抗划伤处理,使其薄膜表面具有抗擦伤性能,是薄膜表面进行硬化处理的典型代表。PET表面硬化处理后主要用于表面需要经常触摸的平板显示器,俗称触摸屏,如触摸式显示屏、手写式显示屏以及薄膜开关等领域。显示用触摸屏是一种位置传感器,它通过直接触摸显示屏上的显示图标,将触摸点的位置变成电信号,再经计算处理转变成需要的信息,触摸功能可直接进行人机对话,应用越来越广泛[17]。触摸屏由PET膜软上屏和含有导电点阵的玻璃下屏组成,PET膜软上屏需进行硬化处理和导电层制作,导电层是在PET薄膜一侧沉积ITO膜形成。由于聚酯薄膜是由双向拉伸生产,PET膜表面抗擦伤性能较弱,故膜的触摸面极易被刮擦产生痕迹。为解决此问题触摸式显示屏的PET膜表面须进行硬化处理,以改善膜表面的抗擦伤性能。PET触摸屏结构,如图3所示。

薄膜表面硬化处理技术是人们研究薄膜表面改性的重要内容之一,紫外光聚合技术的硬涂层用作薄膜表面的抗划伤层研究报道已有很多[18,19],光聚合涂层体系固化后具有的高透明性及抗擦伤性是最适合显示器用膜的硬化处理技术,并且也是当前最佳的选择。

触摸显示屏等所用聚酯薄膜是柔性薄膜材料,硬涂处理层要求有好的附着力、柔韧性、透光性、防水和耐化学品性及表面硬度。薄膜材料涂层的抗擦伤和耐磨性与涂层表面的硬度有关,同时与涂层的弹性模量和表面摩擦系数有密切关系,这些性能与光聚合体系所用预聚物树脂的分子结构和体系的交联密度有关,目前已可以达到6H以上的铅笔硬度,分子结构中的一些特殊基团及所用涂层助剂有助于涂层表面摩擦系数的调整。光聚合体系一般选择多官能基聚氨酯丙烯酸脂、环氧丙烯酸脂预聚物,前者能够赋予涂层较好的柔韧性,而多官能基环氧丙烯酸脂可以提供优良的硬度,合理的组合使涂层获得优秀的附着力和耐擦伤性能。

提高光聚合体系固化后与薄膜基材的附着力可在涂布硬涂层前先对PET表面进行电晕、腐蚀等处理。掺杂有无机或有机材料的光聚合涂料如含有纳米二氧化硅或氧化铝的涂料用于此类膜材料会有良好的抗擦伤效果,纳米氧化硅或氧化铝具有较强的耐磨抗擦伤性能,很多耐磨涂料如木地板涂料等均使用这类无机纳米材料作抗划伤填料,含有硅氧烷基的丙烯酸脂树脂可以使涂层表面获得滑爽的性能,作为耐磨添加剂有利于涂层固化后抗擦伤性能的提高。

3.2 模内装饰(IMD)工艺的应用

模内装饰技术(In-Mold Decoration,IMD),也称为免涂装技术。是目前国际上塑料材料表面装饰的新工艺技术,该技术生产的塑料产品表面是硬化透明薄膜,中间是印刷图案层,背面是塑料注塑层。由于油墨印刷图案在中间,可以防止表面被刮花和耐摩擦并使印刷图案不易退色,可长期保持图案色彩的鲜艳。

膜内装饰技术(IMD)一般分为:

IML(装饰表面无拉伸,曲面小产品):所用薄膜产品表面硬化硬度较高(铅笔硬度一般在2～3H),延伸倍率较低(轻微弯曲,一般在5%以内)的塑料装饰工艺,IML用薄膜应用前后如图4所示。

IMF(IN MOLDING FILM 适合表面高拉伸产品,3D 产品):是追求高成型性的产品,所用薄膜表面有一定的硬度(铅笔硬度一般是1H),延伸倍率较高(一般在20%左右)的塑料装饰工艺。

IMD工艺所用薄膜与触摸屏用硬化处理薄膜的区别主要表现为表面硬度的不同,触摸屏一般是表面硬度较高的PET薄膜,表面铅笔硬度在3H左右或以上,薄膜材料基本不需拉伸。

IMD技术是替代塑胶制品表面喷漆、电镀加工最好的新工艺,减少注塑的后续加工工序,在塑胶工业上推广、普及,能真正实现节能、环保的意义,将为社会及企业带来巨大的经济效益和环保效益。

IMD用功能薄膜的生产工艺相同,主要是在不同厚度(0.075mm、0.1mm、0.125mm、0.188mm)的PET基材的一面涂布防划伤层,而另一面涂布易印刷粘结树脂层即可得到膜产品。

防划伤层的涂料目前主要采用辐射固化型涂料,涂料由聚氨酯丙烯酸预聚物树脂、丙烯酸单体、光引发剂、所需要的助剂和为了降低涂料粘度和适应薄层涂布加入酯类、酮类或苯类溶剂组成。涂布采用凹版涂布,湿涂布量8～10g/m2,膜层干厚2～3u,紫外光固化。

IMD用功能薄膜硬化涂层涂料的区别主要体现在聚氨酯丙烯酸预聚物树脂和丙烯酸单体的丙烯酸基团官能度方面,涂料固化后的性能区别主要是硬度和柔韧性(可拉伸的伸长率)2个方面。

IMD的应用领域非常宽广包括汽车(仪表盘、空调面板、内饰性、车灯外壳、标志等)、通讯(手机按键、手机镜业、手机彩壳、小灵通及固定电话面板、视窗镜片)、电子(Mp3、Mp4、计算器、VCD、DVD、电子记事本、数码相机等装饰面壳、彩壳及标牌;)、电器(电饭煲、洗衣机、微波炉、空调器、电冰箱等的控制装饰面板)、仪表、仪器的面板医疗器械、化妆品盒、装饰盒、玩具、运动和娱乐休闲用品等等。

IMD工艺用薄膜的技术关键是硬涂层既要有一定的硬度和好的耐磨性,又要有一定的柔韧性。保证材料加工成型不会使硬涂层剥离或出现裂痕等弊病。

3.3 玻璃贴膜

3.3.1 玻璃隔热贴膜

建筑窗膜是用于建筑物窗户使用的一类节能降耗及提高玻璃窗安全性能的功能膜材料。

图5是窗膜结构示意图。膜的最基本构成是:聚酯基片(PET),一面镀有防划伤层(HC),另一面是安装胶层及保护膜。PET是一种耐久性强、坚固耐潮、耐高、低温性均佳的材料。它清澈透明,经金属化涂层、磁控溅射、夹层合成等多种工艺处理,成为具有不同特性的膜。膜的专业制造商通常使用各自专利的粘胶用于夹层合成和安装胶层。主要分为:压敏胶和水分子激活胶。建筑玻璃贴膜主要分为两大系列:太阳膜和安全膜。

玻璃贴膜主要品种有:透明热镜、热反射隔热膜、低反射隔热、低辐射(Low-E)膜、磨砂及半透明装饰膜、透明安全膜等。玻璃节能窗膜有四大基本特性:隔热节能,抗紫外线、美观舒适,安全防爆。玻璃贴膜在建筑工业中可以被称为:“两栖”产品,它既可用于旧楼翻新,也可用于新建大楼。

近年来,在纳米技术开发和应用的基础上,纳米隔热膜成为玻璃贴膜最新技术。应用纳米技术将纳米金属氧化物分散成浆料,把该浆料添加UV固化体系中在PET薄膜上固化成膜,如图6所示。隔热效果显著持久,而且不易氧化、寿命比金属膜多一倍,并且绝对不阻隔GPS。真正做到了不氧化、不褪色、不阻隔GPS、高隔热、高透光、低反光、色泽持久,寿命长的完美窗膜标准。

玻璃贴膜硬化层对薄膜的使用非常重要,无论是隔热膜还是防爆膜,在贴于建筑窗户玻璃上或汽车玻璃窗上后,在应用过程中清洗擦拭是必不可少的,表面硬化层及保护了薄膜不被损坏又可提高使用寿命。

3.3.2 手机防爆贴膜

手机防爆贴膜主要指触摸屏手机等用玻璃防爆贴膜,触摸屏玻璃面板防爆膜是一种贴在电容屏玻璃上(或者下)的一种起保护作用的薄膜,它可以有效防止手机不慎撞击造成玻璃面板的破碎飞散,减少玻璃面板的隐性伤害,保护用户安全,还可维持强化玻璃特有的光泽,质感和提高表面硬度。

图7是触摸屏防爆膜的结构,触摸屏玻璃面板防爆膜要求材料特性:基材厚度25～75um,透光率达91%以上,表面硬度2H以上,硬化涂层厚度一般在3～5um左右,胶层厚度10～25um。目前随着电容屏市场的大力发展,电容触摸玻璃的安全性能越来越被人们所重视。其生产简单:选择光学性能好的PET或PC基膜,一面涂布抗划伤硬化层复合保护膜;另一面涂布粘合剂层并符合离型膜即可。

4 薄膜硬涂层的发展前景

薄膜材料表面硬化处理的关键是硬化涂料的研究,采用辐射固化涂料技术在赋予薄膜各种功能的同时提高薄膜的耐擦伤性是薄膜表面硬化的发展方向。随着科学技术的发展,用于薄膜的硬化涂料种类越来越多,不同的功能可以赋予薄膜更完善的使用功能和保护装饰功效,可以极大地丰富这些膜材料的应用范围。

4.1 抗静电硬化涂层

由于种种原因而产生的静电,是发生最频繁,最难消除的危害之一。防静电薄膜除了应用在显示器件方面外,近年来随着IT行业的迅速发展,集成电路、组件及其制品,也大量采用价廉物美的薄膜类包装材料包装,如果采用容易产生静电的薄膜包装,薄膜会因电磁感应和磨擦产生的静电积累,对各种敏感性电子元件、仪器仪表等产生的高压放电,使所包装的商品遭到破坏,造成极大的经济损失,因此抗静电薄膜,作为功能性塑料包装薄膜的一个实用品种,倍受人们关注,得到了很快的发展[20]。

采用涂料生产防静电薄膜与采用外部抗静电剂生产抗静电薄膜不同,涂层型防静电技术,不使用表面抗静电剂的溶液对薄膜的表面进行涂布,而是采用导电性硬化涂料涂复在薄膜表面、形成均匀的涂层,从而赋予塑料导电性能,使之成为具有防静电性能的薄膜,薄膜同时具有防静电效果和抗划伤性能,还具有优异的防灰尘效果[21]。防静电涂层涂料由UV固化树脂材料组成,涂层表面电阻达到108Ω及以下。

4.2 耐指纹及防污染硬化涂料

涂料中添加指纹处理剂是一种为了提高薄膜表面不留有指纹而设计的一种有机涂膜,主要用于电脑,家电,汽车,建筑等的基板板材。优异的耐指纹效果增强了薄膜材料表面保护功能和装饰性。

耐指纹及防污染透明薄膜可以采用氟代烷基硅烷等有机或有机/无机复合材料构成涂层组分。其中氟代烷基硅烷中的氟碳基团起到疏水疏油的作用,从而得到耐指纹的效果。

利用纳米二氧化钛的光催化产生极强的自由基可以制造出持久性的防污涂层,目前已广泛用于内外墙涂料。如将高质量的纳米二氧化钛复合涂料涂布在透明薄膜上可制作防污染薄膜产品。

用于薄膜表面的防污处理,例如建筑及车窗的玻璃贴膜、IDM工艺的塑料产品等薄膜的防污处理。可以研究的薄膜表面不易粘附水和油而提高膜表面疏水性和疏油性的特点,进而达到提高耐污染性的目的。

4.3 亲水性硬化涂料

现实生活中我们可以看到许多玻璃及薄膜的结霜现象,例如冬天窗户玻璃上、 汽车风档玻璃、浴室玻璃、塑料大棚等,其相互隔开的两侧常出现一定的温差,温度低的表面水分的饱和蒸汽压低于周围环境的蒸汽压,从而引起水汽向物体表面聚集,并以微小的水珠形式析出形成雾,而每个小水珠都会使光线发生折射和反射,显著降低透明材料的透光率,影响视线。如一侧温度过低甚至还会结霜,这就给生产和生活带来诸多不便,甚至引起重大的损失[22]。

具有超亲水功能的薄膜,其在具有防静电防灰尘的特点外,还能够抑制薄膜变脏和易清洗的特点以及防雾效果,一旦表面有污物存在只需用水冲洗既可清洁而无需是用清洁剂。

5 结束语

克服高分子薄膜表面耐擦伤的缺陷,提高使用价值可以通过在薄膜表面实施附加涂层来实现。多种涂料类型可以作为薄膜硬涂层(Hardcoating),性能上各有利弊,合理选取涂层材料和调整涂层配方是获得优异薄膜抗划伤涂层的必经之路。薄膜的硬化处理,是赋予薄膜更好的保护功能、装饰功能以及完善它的应用功能,大大地提高了薄膜材料的质量和应用范围。随着科学技术的发展,技术交叉应用越来越广泛,薄膜表面硬化加工处理技术将会更全面和完善,使其薄膜的产质量更高。智能涂层的研究发展将会赋予薄膜更加完善的功能性,功能薄膜的应用会更加广泛。

摘要：聚合物薄膜的应用非常广泛,但薄膜存在表面易擦伤的缺陷,为保护薄膜和扩大应用领域,对薄膜表面进行硬化处理十分必要。本文对薄膜的硬化涂料及其应用做了详细的介绍,综述了未来硬化涂层的发展方向。