增加亲水性防雾涂层和亲水性自洁涂层、疏水性自洁涂层表面硬度的方法与流程

本发明专利属于提高功能性产品品质的一种工艺方法，是从实践中来又回到实践中去的应用技术。实施本发明专利，可以达到增加功能性产品表面硬度的目的，小技术解决大问题。

背景技术：

一、增加功能性产品的表面硬度，具有现实性和迫切性！

目前，在防雾产品和亲水自洁产品上实施的防雾或自洁功能，基本上是采用亲水性的涂层来实现的。

防雾涂层与亲水性自洁涂层的区别是：防雾涂层的水分子接触角介于0-14度，亲水性自洁涂层的水分子接触角介于0-90度，接触角越小，亲水性能越好。防雾涂层和亲水性自洁涂层可以使用同一种涂料制造，做在透明材料上被称做防雾涂层，亲水性自洁涂层可以做在产品设计需要的任何基材上(透明或者不透明)。亲水性自洁涂层不一定具有防雾效果。

亲水性防雾或亲水性自洁涂层，有一个共性：功能效果即防雾效果或自洁效果越好，表面的硬度越低。相反，表面硬度提高了，功能效果反而会严重下降。目前亲水性涂层的表面硬度大多仅有hb或以下的水平。另外，由于涂层具有亲水的特性，就比较容易吸附空气中的水分子，当环境不利于这些水分子挥发的时候，亲水性涂层表面会因为吸附水分子而产生轻微的软化现象，硬度会进一步降低，耐磨性也变得更差。

对此我们是深有体会：光学眼镜片是防雾涂料的重要应用领域，其对表面硬度的要求更高。我们的合作伙伴——光学眼镜片制造厂对此反馈强烈，他们加工的防雾眼镜片还因此出现了比较严重的退货现象。

可以说，现有的这些功能性产品，包括我们推广的防雾涂料，都不能理想地满足日常生产和生活的需要。

所以，增加这些功能性产品的表面硬度，有效地延长其使用寿命，具有现实性和迫切性！

二、实验结果、实践经验和文献资料证明：增加这些功能性产品的表面硬度，具有可操作性！

1、通过对功能性产品几年测试的结果和实际使用的经验进行总结，我们发现：这些功能性产品的作用机理有两种类型：缓释型和表面溶解型，缓释型的功能性产品和表面溶解型的功能性产品相比，缓释型的功能性产品多出一个“微结构系统”，这个“微结构系统”不会被水溶解。

所以，缓释型的功能性涂层是始终存在的，并通过涂层自身的微结构系统来存储和释放功能性成分的(功能性成分是防雾成分、亲水自洁成分、疏水自洁成分的统称，下同)，只是功能性成分会因为逐渐释放而减少——涂层和功能性成分的寿命不一样；溶解型的功能性涂层会随着功能性成分的逐渐溶解而同时消失——涂层和功能的寿命相同，即没有“微结构系统”的存在。

由此，我们可以得出这样的结论：缓释型的功能性涂层表面，即使再披覆一个拥有“微结构系统”的膜层，只要有释放通路和出口，帮助功能性成分缓慢地释放，就还可以发挥相应的功能作用即防雾、自洁。

2、我们还从光学眼镜片的专家那里和查阅文献资料了解到，光学眼镜片的减反增透功能镀层，去掉最外面致密的疏水层，其镀层具有明显的、也是行业共知的微结构的特征，这是光学眼镜片采用电子束蒸镀工艺的必然结果。把这样的微结构膜层披覆在缓释型功能性涂层上，具有可行性和可操作性。

3、中国专利《专利号cn201510181288.1一种多功能防雾涂层及其制备方法》中，有一个观点“防雾涂层可以被覆盖，覆盖涂层能够令水透过”，其防雾效果不受影响。当然，覆盖材料是一种涂料，其涂层是通过“涂覆的方式为提拉、喷涂、旋涂、刮涂、滚涂或手工涂抹”来制备的，所以表面硬度就是覆盖涂层的硬度。“能够令水透过”的覆盖涂层，是含有“空心球纳米粒子的溶胶液”，“二氧化硅空心球层有许多间隙、孔、裂隙，能够使水分子穿梭过去”，这和本发明专利所说的采用真空镀膜制造的高硬度镀层的“微结构特征”，有异曲同工之妙，只是对这些“能透水的涂层”或者“微结构的镀层”作用机理的定义完全相反：本发明把他们定义为“功能性成分的释放通路和出口”，防雾涂层是“释放型”的，防雾涂层表面会“吸附”水分子而不是“吸入”水分子；而专利《一种多功能防雾涂层及其制备方法》是把他们定义为“水分子的入口和进入通路”，防雾涂层要“吸入”水分子而不是“吸附”水分子，我们主观判断：他所使用的防雾涂层应该是“溶解型”的。

4、《真空》杂志2003年3月第2期《电子束蒸发与磁控溅射镀铝的性能分析研究》一文中有一个研究结论：“电子束蒸发的a1原子碰到基片，很快失去能量，且迁移率很小，故原子在表面上重新排列较困难，即沉积的地方就是定位的地方，造成原子之间的空隙较大，表面粗糙度很大”，这可以描述为“原子间存在着空隙，这些空隙和气相沉积粒子组成的镀层，就具有本发明所表述的微结构特征的镀层”。这是光学眼镜片减反增透功能膜层拥有“微结构”的理论说明。

总而言之，把这些凡此种种出现的众多现象和因素联系在一起，就难免会让人产生联想：如果在具有微结构特征的缓释型功能性涂层表面采用真空镀膜工艺，披覆一层合适厚度的高硬度靶材制造的一个微结构镀层，结果会是怎样的？经过试验——在做好的防雾眼镜片上镀上一层二氧化硅后进行测试，结果发现：防雾效果和亲水性功能基本没有发生变化，防雾眼镜片的表面硬度，却和玻璃一样——5h！在此基础上，我们尝试用其他一些亲水性的高硬度靶材和疏水性的高硬度靶材做重复试验，结论同上面是一样的。

本发明专利的诞生，可以说是水到渠成，也是被市场和产品销售的窘境给逼出来的——如果没有办法增加防雾眼镜片的表面硬度，我们的防雾涂料可能就无法继续推广下去了！

技术实现要素：

在功能性涂料的配方和原材料、固化条件上找办法下功夫，是常规的技术手段和方法，结果经常是事倍功半，乏善可陈。

本发明另辟蹊径，在涂料的配方之外找到了突破，获得惊喜的发现，使得功能性涂层的表面硬度可以达到理想的硬度水平，比如可以达到玻璃或者金属的硬度(从hb提高到5h)，并且功能性涂层的表面也不会再因为吸附水分子而出现软化的现象，使高硬度、高耐磨的品质可以保持长期稳定不变。

具体的方法就是：把功能性涂层做为底漆，以高硬度材料为靶材，采用真空镀膜技术，在其表面披覆一层或以上具有微结构特征的高硬度的表面镀层，这样这些功能性产品的表面硬度就可以从hb提高到5h(以玻璃为参照，下同)。同时，真空镀膜制造的高硬度的表面镀层本身具有的微结构特征表明，制造镀层的、气相沉积在基材表面的靶材粒子之间存在着空隙，这些空隙和靶材粒子组成的网络就成为防雾、亲水、疏水等功能的释放通路和出口，从而不会影响产品本身的亲水防雾效果、或亲水自洁功能、或疏水自洁功能。另外，如果靶材选材得当，透明的微结构表面镀层还可以拥有一定的减反效果，用几种不同折射率的靶材叠加制造一个微结构的、透明的表面镀层，减反增透效果会更好，这对于光学眼镜片、安防镜头等产品的品质，可以实现一个质的飞跃！

本发明专利的工艺方法已经在光学眼镜片上做为申请人推广的防雾涂料的共享技术推荐使用，用以增加防雾眼镜片的表面硬度，使其成为一项从实践中来又到实践中去的应用技术。

具体的技术解决方案

一、增加防雾产品的亲水性防雾涂层表面硬度的方法：

把防雾产品表面的亲水性防雾涂层做为底漆，以亲水性高硬度材料或疏水性高硬度材料为靶材(如二氧化硅、二氧化锆、二氧化钛、二氧化钽、氧化铟锡、不锈钢、氟化镁、氟化硅、疏水性二氧化硅等等)，采用真空镀膜技术，在其表面披覆一层或以上具有微结构特征的高硬度、透明的表面镀层，这样防雾产品的表面硬度就可以从hb提高到5h以上。

如果靶材选择得当，透明的微结构表面镀层还可以拥有一定的减反效果。用几种不同折射率的靶材叠加制造一个微结构的透明表面镀层，减反增透效果会更好！这是光学眼镜片普遍使用的制造减反增透功能膜层的工艺方法。当然，用来制造防雾眼镜片的减反增透功能膜层，各种不同折射率的靶材膜厚需要重新计算，要同时兼顾防雾效果和减反增透效果。

亲水性高硬度靶材制造的防雾产品，其亲水的性能会更好，在水下以及高潮湿的环境，比如浴室、火锅店、厨房等环境，防雾效果会更好一些，而在寒冷的环境下使用，有结霜的可能。

疏水性高硬度靶材制造的防雾产品，其表面吸附的水分子会比较少，水分子在镀层表面停留的时间也会比较短即挥发比较快，所以在寒冷的环境下使用，结霜的可能性也就比较小，防雾功能会更好一些。

该方法适用于各种光学镜片、镜头、各种视窗产品、各种灯具、各种玻璃、浴室镜、塑料板片材等一切需要防雾功能的产品。

二、增加亲水自洁产品的亲水性涂层表面硬度的方法

把亲水自洁产品表面的亲水性涂层做为底漆，以亲水性高硬度材料或疏水性高硬度材料为靶材(比如二氧化硅、二氧化锆、二氧化钛、二氧化钽、氧化铟锡、不锈钢、氟化镁、氟化硅、疏水性二氧化硅等等)，采用真空镀膜技术，在其表面增加一层或以上具有微结构特征的高硬度表面镀层，这样亲水自洁产品的表面硬度就可以从hb提高到5h以上。

亲水性高硬度靶材制造的亲水性自洁产品在湿热的环境下使用效果会更好一些，比如浴室镜、玻璃锅盖等。疏水性高硬度靶材制造的亲水性自洁产品在寒冷的环境下使用效果会更好一些，比如我国北方地区的建筑玻璃。

该方法适用于制备各种金属、玻璃等表面具有亲水性自洁功能的产品。

三、增加疏水自洁产品的疏水性涂层表面硬度的方法：

把疏水自洁产品表面的疏水性涂层做为底漆，以亲水性高硬度材料或者疏水性高硬度材料为靶材，采用真空镀膜技术，在其表面增加一层或以上具有微结构特征的高硬度表面镀层，这样疏水自洁产品的表面硬度就可以从hb提高到5h以上。

亲水性高硬度靶材制造的疏水性自洁产品，应用于厨房电器和用具、装修材料等比较好。而疏水性高硬度靶材制造的疏水性自洁产品用在水下产品、船体上会比较好。

综上所述，本发明专利的技术解决方案中，有三个关键要素：1、防雾涂料、亲水性涂料、疏水性涂料的匹配选择；2、高硬度靶材的匹配选择；3、靶材表面镀层的微结构制造与维护。三者相辅相成，缺一不可：

1、防雾涂料、亲水性涂料、疏水性涂料的匹配选择——目前这类涂料的选择余地还是很小：

(1)涂料要与基材和靶材同时拥有良好的附着力，这是常识性的内容；

(2)涂料的作用机理要选择缓释型的(而非表面溶解型的)。缓释型和溶解型的区分方法是——把样品浸泡在40°的温水中10-30分钟(期间在水中摆动样品几次，更利于观察和评判)，擦干水分，在日光灯下观察：出现鸡皮现象的就是溶解型的，平整、光滑如初的就是缓释型的。如果连续泡水一天以后，缓释型的样品在水中触摸，表面有一层滑滑的东西出现，此时把样品拿出来晾干，表面会有一层白色的析出物，但涂层并看不出有被溶解破坏的痕迹，完整地存在着。

目前亲水性自洁涂料大多属于溶解型的涂料，使用寿命比较短。强行镀膜后，功能性涂层与靶材镀层之间的附着力遇水受潮后会变差直至丧失。所以，表面溶解型的功能性涂层，不适合采用本发明专利技术。

(3)涂层厚度越大越好：5um和15um膜厚对产品功能的影响肯定是不同的；

(4)涂料制备的产品室温下耐水泡的时间越长越好：耐水泡1小时和耐水泡100小时而不影响防雾效果或者亲水自洁功能的，其对应的产品功能使用寿命肯定是不同的，这是不言而喻的。

本发明专利的实施在更大程度上受制于这些功能性涂料的选择，目前这些功能性的涂料还面临着很多难以突破的技术瓶颈。这也是我做为申请人把这项技术共享给部分合作单位使用的原因：申请人推广的与之匹配的防雾涂料具有排他性！因为防雾或亲水(疏水)涂料与基材和靶材的附着力可是一个很不好解决的技术难题。申请专利或者进行理论探讨是一回事，能够应用到生产上，那就完全是另外一回事了！

2、高硬度靶材的匹配选择：要与功能性涂层拥有良好的附着力；高硬度的靶材要与基材的冷热收缩比一致或者接近，否则会有导致镀层在寒冷或炎热等恶劣环境下使用出现龟裂的风险。

3、高硬度靶材表面镀层的微结构制造与维护：采用真空镀膜工艺就可以制造出这种微结构的特征镀层，可以说，真空镀膜是制造高硬度微结构镀层最便利、最直接的方法。虽然采用含有空心球结构的纳米粒子制成的涂层，也可以制造出微结构特征的表面涂层，但是这样的表面涂层能否同时拥有“高硬度”，存在很大的不确定性。

维护微结构的镀层的方法就是保持镀层表面的清洁，不被其他膜层覆盖或被污物污染，否则会导致产品自身的防雾功能、自洁功能丧失！

本发明专利的有益效果是：

第一、把功能性产品的表面硬度从hb提高到5h以上(与玻璃或金属相同)：

使功能性产品的品质产生了质的飞跃，以玻璃做参照，其表面硬度可以提高10倍以上，表面的耐磨耐擦拭性能更加优异，使用寿命更长；

第二、有助于开拓思路，扩大功能性产品的原材料的选材范围。

第三、可以有效地促进功能性产品包括功能性涂料在内的市场容量和产业规模的扩大，使那些想用又不敢用、用了也不敢大范围使用的众多企业和行业，可以大胆使用，市场容量和产业规模有望倍增！

本发明专利从实践中来，到实践中去，无意中解决了国内外几十年未曾攻克的技术难题，并且使用现有的设备和工艺就可以实施，施工工艺简单易行，使功能性产品更具使用价值和经济意义。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，在基材树脂眼镜片表面1涂布匹配的防雾涂料2，固化后真空镀上一层二氧化硅的微结构镀层3(也可以选用二氧化钛、二氧化锆、二氧化钽、氧化铟锡、氟化镁等等光学眼镜片常用的靶材中的一种)，即可完成高硬度防雾眼镜片的制造过程。

安防镜头、航空玻璃、汽车玻璃、建筑玻璃、浴室镜、视窗产品等透明基材均可按此方法制造。

实施例2：如图2所示，在基材树脂眼镜片1上涂布匹配的防雾涂料2，固化后交叉真空镀上一个二氧化硅及钛、钽、锆、铟锡等金属氧化物的二层或以上复合的微结构镀层3、4，即可完成高硬度、拥有减反增透功能的防雾眼镜片的制造过程。当然，所选用的靶材要根据光学眼镜片的设计要求和靶材的不同折射率，重新计算膜层厚度——既不损害防雾效果又不影响减反增透的功能。其他需要减反增透功能的防雾产品，均可按此方法制造。

实施例3：如图1所示，在基材不锈钢表面1涂布上匹配的亲水(疏水)性涂料2，固化后真空镀上一层不锈钢的微结构镀层3，即可完成高硬度亲水自洁的不锈钢产品的制造过程。

靶材和基材可以差别选择，比如，不锈钢基材选择二氧化硅靶材等，以能达到产品设计和使用要求为准。

实施例4：如图1所示，在基材玻璃锅盖表面1涂布上匹配的亲水性涂料2，固化后真空镀上一层亲水性二氧化硅的微结构镀层3，即可完成高硬度、超亲水、防雾的玻璃锅盖的制造过程。同时亲水性的涂层有二氧化硅镀层覆盖，可以杜绝亲水性涂料的缓释溶解物对食物的污染，提高食品安全。

靶材也可以选择钛、不锈钢等材料，制造半透明的亲水性或疏水性玻璃锅盖。

附图说明

图1是实施例1、实施例3、实施例4的示意图，表示分别增加防雾涂层表面硬度、亲水(疏水)性涂层表面硬度、亲水性涂层表面硬度的实施示意图。其中，1是基材

2——亲水性防雾涂层或亲水性自洁涂层、疏水性自洁涂层

3——高硬度靶材的微结构膜层

图2是实施例2的示意图，是增加树脂眼镜片防雾涂层表面硬度和制造减反增透功能的实施示意图。

1——基材表面

2——亲水性防雾涂层或亲水性自洁涂层、疏水性自洁涂层

3——高硬度靶材的微结构膜层

4——1至多层不同折射率的靶材的微结构叠加膜层。