制备超亲水性玻璃材料的离子束处理方法
【技术领域】
[0001] 本命的主题是用离子束处理玻璃材料的方法，旨在长时间内极大降低雾的形成。 本发明的方法应用于玻璃衬底，例如透明玻璃衬底（如镜子、镜片或玻璃板）的表面，从而 使所述表面获得亲水性，实际上甚至是"超亲水性"。
【背景技术】
[0002] 当表面的特征是其水滴的接触角小于45°时，该表面被认为具有亲水性。
[0003] 当表面的特征是其水滴的接触角小于20°，例如小于10°时，该表面被认为具有 "超亲水"性。在这些条件下，表面尤其具有防雾性。
[0004] 众所周知在寒冷的季节，汽车的挡风玻璃和车窗玻璃、结构玻璃和眼镜被雾遮盖， 这是由上述物体的表面温度低于环境空气的露点温度这一事实造成的。然后产生冷凝水， 这根据所需的能见度条件构成严重的麻烦。这种麻烦的表现是，光通过表面上覆盖的细滴 折射，带来图像变形并造成能见度损失。这种视觉麻烦可能，例如增加道路上事故的风险， 或当使用牙科镜或内窥镜时破坏医学诊断。
[0005] 机械设备，例如雨刮器能够除去挡风玻璃上的雾。也可以向表面施加亲水或疏水 化学制品以防止形成雾。然而，这些化学制品的有效性随时间是有限的，用水重复洗涤足够 使其消失。
[0006] 存在使表面亲水或疏水的方法。
[0007] 可以提及第一种用于覆盖有聚合物层的镜子的防雾方法，将聚合物层经受紫外 光，然后浸没在水性碱溶液中以形成高浓度的酸自由基，从而使聚合物表面亲水。然而，最 终聚合物的表面被污染物覆盖，因此逐渐失去其亲水的特征。因此需要洗涤，这在相对较短 的时间内可能破坏聚合物。
[0008] 可以提及第二种方法，其在于向包含亲水基团的单体聚合物层接枝包含疏水基团 的其他单体。在这些条件下，水滴的接触角不会低于50°，实际上不具有足够的防雾能力。
[0009] 另一种方法是沉积厚度为几十纳米，实际上甚至几百纳米的金属氧化物（Ti02、 Sn02、ZnO、Fe203)层，所述金属氧化物层在UV光的作用下具有引起亲水性，实际上甚至是超 亲水性的光催化功能，以及抑霉性和防尘性。然而，例如当表面在相对较长时间里置于黑暗 中时，这种亲水性，实际上甚至是超亲水性可能随时间变得不那么明显。因此，亲水表面的 性质取决于光的强度、位于UV区的其波长，以及光催化剂的光活化持续时间。然而在需要 有效防雾性的时候，在非常短时间内的非常低强度的UV光也可以阻止表面具有足够的亲 水特征。更准确地，光催化的概念与二氧化钛材料的锐钛矿晶体种类密切相关。Ti02是在 合适波长辐照作用下能够激活游离基反应，造成有机产物氧化的半导体。Ti02在两个能级 之间的空隙大约是3. 2eV，根据普朗克关系E=hv，其结果是只有波长小于或等于387nm 的光子在催化光氧化反应中是有活性的。这种辐照属于近UV区，其结果是光催化向可见区 的延伸暂时仍是有限的。从实践的角度看，这些光催化剂在玻璃材料上沉积一层大约200nm 的硅石。
[0010] "玻璃"理解为是指具有玻璃化转变现象的非晶态（无定形）固体。玻璃一般坚硬、 易碎、通常是透明且电绝缘的。玻璃通常由二氧化硅（硅石Si02)和助熔剂组成；制造的主 要成分是沙。在所有类型的玻璃中，最常见的是主要来自硅石、苏打和石灰的钠钙玻璃。低 于其非常高的玻璃化转变温度，玻璃呈现玻璃态。
[0011] 这导致需要一种方法用于处理玻璃材料的表面，以引入亲水性，实际上甚至是超 亲水性（防雾），这种性能在非常长的一段时间内，抗机械应力、对亮度条件不敏感且在需 要它的任何时刻均有效，优选根据工业上容易操作的方法，从而能够大量并以合理的成本 提供这种玻璃材料。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的是提供一种用于处理玻璃材料的方法，所述方法相对便宜，且能够 根据众多应用的要求处理表面。
[0013] 因此，本发明提供一种用离子束处理玻璃材料的方法，所述方法包括离子轰击，其 中：
[0014]-所述离子束的离子选自氮（N)和氧（0)元素的离子；
[0015]-所述离子的加速电压大于或等于5kV，且小于或等于1000kV ;
[0016] _金属层的温度低于所述玻璃的玻璃化转变温度；
[0017]-每单位表面积的离子剂量选自1012个离子/cm2_1018个离子/cm2,从而使玻璃材 料的表面特征向更大亲水性（更好的润湿性）（其特征在于水滴的接触角小于45° )的方 向改变，实际上甚至向超亲水性（其特征在于水滴的接触角小于20°，优选小于10° )的 方向改变。
[0018] 根据本发明选择离子以及这些离子轰击的条件能够有利地获得玻璃材料亲水性 的增加，其表现为经处理的玻璃材料的接触角减小和表面能增加。这些性质在减少汽车挡 风玻璃、眼镜镜片、光学装置的透镜或镜片或结构玻璃上雾的形成方面非常重要。防雾性能 表示玻璃材料在减缓、减少或预防雾状冷凝水的形成上的行为和质量。
[0019] 出乎意料地，本发明人发现根据本发明选择的加速电压和每单位表面积的离子剂 量的范围能够借助离子轰击选择其中将亲水性向与防雾性相关的超亲水性（其特征在于 水滴的接触角小于20°，优选小于10° )增强的实验条件。
[0020] 这种超亲水性对防雾性的作用也被证明对增加光纤光学覆层的表面能非常有利， 因此改进光学覆层周围的保护覆层（由聚合物制成）的粘附。
[0021] 也可寻找亲水性、实际上甚至是超亲水性以促进玻璃注射器体中弹性活塞的滑 动。
[0022] 此外，他们还发现根据本发明的方法可以在"冷条件下"进行，尤其是在室温下，适 当地，在实施所述方法期间将玻璃材料的温度保持在小于或等于玻璃材料的转变值。因此， 可以有利地预防在玻璃材料体内发生对其机械性能有害的晶体改性。
[0023]根据本发明在剂量范围内选择每单位表面积的离子剂量可以来源于先前的校准 阶段，在所述校准阶段中用来自N或0的离子之一轰击预期的玻璃材料组成的样品。可以 用根据本发明范围之内的多个离子剂量对材料的各个区域进行该玻璃材料的轰击，观察经 处理的区域以根据该玻璃材料的水滴接触角或还有通过将样品相对于水平面倾斜获得的 相同液滴的最小脱离角选择合适的剂量。超出这个最小脱离角，水滴滑落并与其他液滴融 合，同时夹带并去除组成雾的冷凝水。
[0024] 因此可以通过简单的观察技术观察经处理的区域，例如对取自置于桌上的玻璃材 料平面的液滴的图像，或液滴开始在玻璃材料上移动的倾斜角的记录。
[0025] 不希望受限于任何一种科学理论，这种现象可以通过玻璃材料中的入射离子生成 的化学键的性质来解释。入射离子优选以氧化硅或氮化硅的形式与硅重组，形成有利于增 加表面能的高度极化键，从而增加初始极性。出乎意料地，本发明人发现材料表面呈现极 性，也就是亲水性，这可以根据剂量和注入能量增强至超亲水性（水滴的接触角小于20°， 实际上甚至小于10° )的点。
[0026] 除了与曝光条件无关与防雾性相关的超亲水性的加强，本发明的方法能够在大约 微米的厚度硬化玻璃材料的表面。因此本发明的方法表现出增加了表面对环境机械应力的 抗性的优势。
[0027]根据不同的替代实施方案：
[0028]-玻璃材料不经过任何预先的离子轰击处理；
[0029]-玻璃材料用贵离子，如Ar、Kr或Xe预处理。这种预处理通过优选的原子溅射 机制具有贫化