一种超亲水涂层及其制备方法和应用

1.本发明属于表面功能化涂层制备领域，尤其涉及一种超亲水涂层及其制备方法和应用。


背景技术：

2.目前，透明材料及反射材料应用在多个领域，透光性好是透明材料的基础，但在材料表面温度低于界面露点温度时，空气中的水蒸气易凝结在材料表面，凝结的小液滴吸收光线从而影响透光性，即发生雾化。例如汽车与航空行业挡风玻璃的雾化会导致视物失真，引起安全问题；在医疗行业，雾化导致内窥镜视野被损坏；在光伏发电行业，雾化导致太阳能电池转化效率降低；在食品工业，雾化导致作物产量受损，食品包装不美观等,争对以上问题可优选具有防雾性能的产品来提供清晰的视野。
3.已知，目前的防雾产品需要通过施加外部电压使材料表面温度升高，或增大气体流速使凝结的液滴快速蒸发来达到防雾的目的，但对于这种防雾产品需要额外电源，产品结构复杂且运行成本高。因此可以通过镀层的方法改变表面湿润特性，一般来说，表面带有亲水基团如羟基(oh)、羧基(cooh)、酯(coor)、氨基(nh2)与液滴具有强相互作用而使凝结水扩散成均匀的水膜，入射光不被散射而保留光传输率，形成高透光性防雾表面。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种超亲水涂层的制备方法，通过在基材表面镀层有机硅氧烷过渡层，通过等离子活化此有机硅氧烷过渡层，随后接枝亲水单体的方法得到一种超亲水的涂层，其具有较好的透光性与耐久性。
5.本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种超亲水涂层的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：
6.s1、将基底粘贴在等离子腔体内；
7.s2、将等离子腔体抽真空后，通入前驱体和氩气，进行等离子化学气相沉积反应得到聚合物层；
8.s3、等离子沉积反应结束后，再次将等离子腔体抽真空，通入氧气和氩气对聚合物层进行等离子预处理；
9.s4、等离子预处理反应结束后，关闭氧气进气，将单体和氩气通入腔体，等离子激活聚合物层后关闭电源，继续通入单体和氩气进行接枝反应得到超亲水涂层。
10.等离子化学气相沉积法(pecvd)是一种无溶液沉积涂层的方法，具有保形性好、沉积速率快、所需能量低等一系列优点。制备的涂层具有结构致密，膜基结合力高，基底适应性好等一系列优点。可以通过调控反应参数，能较为容易的改变涂层的化学成分与结构，从而达到理想涂层。
11.作为优选，所述步骤s1中，基材经过预处理，预处理步骤如下：将基材用乙醇或丙酮溶液超声清洗，而后用n2吹干。
12.作为优选，所述步骤s1中，基底的材质选自玻璃或聚合物。
13.作为优选，所述聚合物选自聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷中的其中一种。
14.作为优选，所述步骤s2中，前驱体选自四甲基环四硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、四甲基二硅氧烷、六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、正硅酸乙酯中的其中一种。
15.作为优选，所述步骤s2中，等离子化学气相沉积反应的条件如下：前驱体和氩气的流量比为(0.1-100):1，等离子腔体内的压强为20-100pa，采用13.56mhz射频电源，激发功率为50-650w，沉积时间为5-30min。
16.作为优选，所述步骤s3中，等离子预处理的条件如下：氧气和氩气的流量比为(0.1-100):1，等离子腔体内的压强为5-20pa，预处理时间为3-10min，预处理功率为10-100w。
17.作为优选，所述步骤s4中，单体选自丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯腈中的其中一种。
18.作为优选，所述步骤s4中，接枝反应的条件如下：单体和氩气等离子体的流量比为：(0.1-4)：1,等离子激活功率为10-100w，等离子激活时间为10-40s，激活时压强为5-20pa，激活后关闭电源，调节单体和氩气总压强为100-1000pa，接枝时间为20-300min。为提高接枝密度，需等离子激活单体，通过双键打开，使单体接枝在过渡层的活性位点上。
19.本发明的第二个目的在于提供一种超亲水涂层，由所述制备方法制得。
20.本发明的第三个目的在于提供一种超亲水涂层在防雾产品中的应用。
21.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
22.本发明采用等离子化学气相沉积技术，一步法立体制备了一种超亲水涂层，制备过程污染小，在透明材料表面镀层有机硅氧烷过渡层，通过等离子活化此有机硅氧烷过渡层，随后接枝亲水单体的方法得到一种超亲水的超亲水涂层，且将其应用于防雾产品中，能提供防雾产品较好的透光性与耐久性。
附图说明
23.图1为本发明实施例3、实施例6、实施例7和对比例1的防雾性测试结果光学图；
24.图2为本发明实施例3制得的样品的系列测试结果图。
具体实施方式
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
26.实施例1:将玻璃、pc、pdms和pet清洗后放入腔室中，整个实验过程均在真空腔体中进行，待抽至1pa通入四甲基环四硅氧烷和ar，等离子激发功率50w，沉积压强20pa，沉积5min制备硅氧烷过渡层，随后抽真空至1pa，继续通入氧气和氩气对过渡层进行等离子预处理3min，激发功率10w，腔体压强5pa，使过渡层表面产生羟基引发位点，随后关闭氧气，持续通入氩气和亲水单体丙烯酸，使氩气与单体流量比例为0.1:1,待压强稳定，打开等离子处理20s，激发功率10w，腔体压强100pa，随后关闭与泵的截止阀，使腔体压强增大至500pa，静待2h后，打开截止阀抽走腔体内气体后可取出样品。
27.实施例2：将玻璃、pc、pdms和pet清洗后放入腔室中，整个实验过程均在真空腔体中进行，待抽至1pa通入八甲基环四硅氧烷和ar，等离子激发功率100w，沉积压强40pa，沉积20min制备硅氧烷过渡层，随后抽真空至1pa，继续通入氧气和氩气对过渡层进行等离子预处理4min，激发功率50w，腔体压强10pa，使过渡层表面产生羟基引发位点，随后关闭氧气，持续通入氩气和亲水单体丙烯酸，使氩气与单体流量比例为0.5:1,待压强稳定，打开等离子处理20s，激发功率40w，腔体压强300pa，随后关闭与泵的截止阀，使腔体压强增大至500pa，静待2h后，打开截止阀抽走腔体内气体后可取出样品。
28.实施例3：将玻璃、pc、pdms和pet清洗后放入腔室中，整个实验过程均在真空腔体中进行，待抽至1pa通入四甲基二硅氧烷和ar，等离子激发功率200w，沉积压强40pa，沉积10min制备硅氧烷过渡层，随后抽真空至1pa，继续通入氧气和氩气对过渡层进行等离子预处理5min，激发功率70w，腔体压强12pa，使过渡层表面产生羟基引发位点，随后关闭氧气，持续通入氩气和亲水单体丙烯酸，使氩气与单体流量比例为1:1,待压强稳定，打开等离子处理30s，激发功率50w，腔体压强60pa，随后关闭与泵的截止阀，使腔体压强增大至500pa，静待2h后，打开截止阀抽走腔体内气体后可取出样品。
29.实施例4：将玻璃、pc、pdms和pet清洗后放入腔室中，整个实验过程均在真空腔体中进行，待抽至1pa通入六甲基二硅氧烷和ar，等离子激发功率550w，沉积压强60pa，沉积20min制备硅氧烷过渡层，随后抽真空至1pa，继续通入氧气和氩气对过渡层进行等离子预处理7min，激发功率80w，腔体压强18pa，使过渡层表面产生羟基引发位点，随后关闭氧气，持续通入氩气和亲水单体丙烯酸，使氩气与单体流量比例为3:1,待压强稳定，打开等离子处理35s，激发功率70w，腔体压强700pa，随后关闭与泵的截止阀，使腔体压强增大至500pa，静待2h后，打开截止阀抽走腔体内气体后可取出样品。
30.实施例5：将玻璃、pc、pdms和pet清洗后放入腔室中，整个实验过程均在真空腔体中进行，待抽至1pa通入六甲基二硅氧烷和ar，等离子激发功率650w，沉积压强100pa，沉积30min制备硅氧烷过渡层，随后抽真空至1pa，继续通入氧气和氩气对过渡层进行等离子预处理10min，激发功率100w，腔体压强20pa，使过渡层表面产生羟基引发位点，随后关闭氧气，持续通入氩气和亲水单体丙烯酸，使氩气与单体流量比例为4:1,待压强稳定，打开等离子处理40s，激发功率100w，腔体压强1000pa，随后关闭与泵的截止阀，使腔体压强增大至500pa，静待2h后，打开截止阀抽走腔体内气体后可取出样品。
31.实施例6：与实施例3的区别仅在于，本实施例中的亲水单体为甲基丙烯酸，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
32.实施例7：与实施例3的区别仅在于，本实施例中的亲水单体为丙烯酰胺，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
33.对比例1：与实施例3的区别仅在于，本对比例中的亲水单体为丙烯酸异癸酯，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
34.将实施例3、实施例6、实施例7与对比例1制得的样品进行防雾性测试和耐久性测试，其中防雾性测试的具体过程如下：
35.将上述所得到的防雾样品与未镀层的样品用夹子夹住，未镀层样品做为对比，使防雾面朝下，放置在50℃的恒温热水上，样品距离水面2cm，5s后观察样品起雾状况；
36.耐久性测试的具体过程如下：将实施例3、实施例6、实施例7和对比例1的样品放置
培养皿中，每隔30天测试表面静态接触角wca，以及对样品进行防雾测试，测试方法如防雾性测试具体过程所示。
37.其中，判定标准如下：
38.√：肉眼观察样品在热水上5s后未起雾，视野清晰透明
39.○
：肉眼观察样品在热水上5s后轻微起雾，视野受微弱影响
40.×
：肉眼观察样品在热水上5s后起雾，视野模糊不可见
41.防雾性测试的结果如图1所示,其中a、b、c、d分别为实施例3、实施例6、实施例7和对比例1的防雾性测试结果光学图；耐久性测试的结果如表1所示。
42.表1：实施例3、实施例6、实施例7和对比例1制得的样品耐久性测试结果
[0043][0044]
从表1和图1可以看出，采用本发明制得的防雾产品表现出较好的防雾性能与耐久性，其中实施例3中采用末端羧基的亲水性好，羧基与水分子形成的氢键比氨基多，所以实施例3的防雾性能表现优秀，而对比例1是一种较长链的丙烯酸衍生物，在接枝的过程中，由于长链所占空间较大，空间位阻大，使接枝密度降低，亲水性与亲水耐久性降低，所以防雾性能下降。
[0045]
本发明对实施例3制得的样品进行系列测试，测试结果如图2所示，图a为本发明实施例3制得的的防雾产品的紫外光谱图和光学图片,b为本发明实施例3制得的防雾产品的表面静态接触角随放置时间的变化图，c为本发明实施例3制得的防雾产品每间隔30天进行防雾测试所拍摄图。
[0046]
综上，我们采用等离子化学气相沉积技术，一步法立体制备了一种超亲水涂层，制备过程污染小，在透明材料表面镀层有机硅氧烷过渡层，通过等离子活化此有机硅氧烷过渡层，随后接枝亲水单体的方法得到一种超亲水的超亲水涂层，且将其应用于防雾产品中，能提供防雾产品较好的透光性与耐久性。
[0047]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。