聚乙烯醇基防霧鍋蓋涂料的開發與應用

楊從浩 肖成博 朱光宇

摘 要：由于溫差導致的光學玻璃、光學塑料等光學透明材料表面起霧給人們的工作和日常生活帶來了極大的不便。在光學材料基體表面涂覆防霧涂料是改善基體防霧性能的主要方法之一。聚乙烯醇在防霧涂料領域具有重要的應用，但是聚乙烯醇的水溶性以及與基體材料的弱粘接性和弱粘附力嚴重限制了其應用。為解決這一問題，文章提出了聚乙烯醇防霧涂料的開發與應用策略，列舉并闡述了硅酸鹽、氧化鋁、二氧化硅這三種填料的特點，梳理了以多種填料單組分、多組分配比的設計方案，簡化了聚乙烯醇基防霧涂料的開發方式，節約了成本。

關鍵詞：防霧涂料;聚乙烯醇;二氧化硅;硅酸鹽

0 引言

光學玻璃、光學塑料等光學透明材料，如眼鏡片、玻璃窗戶、炒鍋鍋蓋、汽車玻璃等，已被廣泛應用于各種生活場景和工業場景中。然而，此類產品在使用過程中常常伴隨一個比較嚴重的問題，在高溫、高濕或者在環境溫差較大的情況下使用下時，水汽容易聚集在材料表面并以微小水珠的形式析出，從而在基材表面形成一層水霧，導致光學材料的透光率顯著降低，嚴重影響使用者的視線，給人們的工作和日常生活帶來了極大的不便。因此探究此類光學材料的防霧性能具有重要意義。

目前，光學材料表面除霧主要可以采取以下兩個手段。（1）通過加熱元件、發熱元件來快速消除基材與環境的溫差來防止結霧的產生或去除水霧，但是該方法過于繁瑣難以規模化應用。（2）在光學材料表面涂覆防霧涂料，改變材料表面的潤濕性，從而調控冷凝液在材料表面的形態，以此降低水霧對基體透光率的影響。由于該方法較為簡單，目前的研究主要圍繞防霧涂料的開發與應用展開。

防霧涂料的研究首先始于防霧劑的研究。通常防霧劑就是表面活性劑，將其噴涂在光學材料表面可以有效降低基材的表面張力，從而降低水在基材表面的潤濕角，使水能在基材表面均勻鋪展成水膜而達到防霧的目的。但是防霧劑基本都是由小分子物質組成，成膜效果不佳，不耐擦拭也不耐溶劑，使用一段時間后防霧劑會隨著水分的揮發而流失，導致光學材料失去防霧效果。為了解決防霧劑在使用過程中的這些不足之處，具有成膜物的涂層的出現使得涂膜涂料在防霧領域得到了迅速發展。涂膜涂料經固化成膜后可大大增強涂層的機械性能，為持續防霧提供了有利保障。而隨著高分子科學的發展，以高聚物為成膜物質的高分子涂層，逐漸發展成防霧涂料的主流產品。

聚乙烯醇（PVA）是一種親水性高分子材料，分子鏈上含有大量的羥基，經調控后羥基基團既可呈現出親水性也可呈現出疏水性。親水性PVA防霧涂層可使霧氣在涂層表面平鋪成水膜達到防霧效果，而疏水性PVA防霧涂層可使產生的霧氣凝結成水珠從而實現防霧效果。并且PVA還具有良好的成膜性和耐溶劑性，目前是防霧涂層原料的首選材料之一。然而，PVA是由聚醋酸乙烯脂醇解和水解制備得到，其水溶性隨著醇解度和水解度的不同而發生變化。在長時間的使用過程中由于水霧的不斷形成，凝結的水霧珠和水膜會使水溶性的PVA涂層發生溶解。此外，以PVA作為防霧涂料時，與基體材料的粘接性和粘附力較弱，導致以純PVA涂料的耐磨性和使用壽命不盡人意。以上因素嚴重限制了PVA在防霧涂料領域的發展。為解決這一問題，白景奇等利用海藻糖對PVA接枝改性，將其與乙二醇二甲基丙烯酸酯混合，制備得到了具有半互穿網絡結構的PVA防霧防霜涂層，提高了PVA涂層的親水性和防霧性能。Maechler等將乙烯-馬來酸酐和PVA通過沉積、旋涂等方式制備了具有防霧性能的涂料，并以六甲基二硅氧烷為前驅體將有機硅沉積到基體碳酸酯材料表面，以此來增強涂料與基體之間的粘附性，該策略有效提高了基體材料的防霧性能。Wu等將PVA和親水性SiO2采用溶液共混的方式制備了PVA防霧涂料，實現了透明基體的長期防霧性能和較高的透光率，并且具有較高的機械性能。

為了讓PVA能夠在防霧領域得到更廣泛的應用，以解決光學材料起霧問題給人們帶來的困擾，本文擬將多種不同的填料添加到PVA中，以降低PVA的水溶性，增強PVA與基體的粘結性，提高涂膜的耐化學、耐腐蝕性、熱穩定性與耐水性等多種性能。并闡述了試驗填料與方法對PVA防霧性能的影響，為簡單化制備PVA防霧涂料的開發與應用提供了思路。

1 填料選擇

1.1 硅酸鹽

硅酸鋰、硅酸鉀是金屬鋰和鉀與硅酸根形成的硅酸鹽化合物，也稱鋰（鉀）水玻璃。硅酸鹽溶液中的水份揮發后將生成一種不溶于水的干膜，且具有不可逆性。將硅酸鹽應用于防霧涂料中，利用硅酸鹽的成膜特性，可提高防霧涂料的防水效果，這不僅可以有效降低PVA的水溶性帶來的不利影響，同時還能提高防霧涂層的使用壽命。此外，硅酸鹽具有優異的耐高溫性能、耐酸堿性、耐候性、強度高硬度大，且無毒無污染，可為PVA提供耐高溫防護性能。

2.2 氧化鋁

氧化鋁是鋁的氧化物，無臭無味，質地極硬（莫氏硬度達到9），物理化學性質穩定。將氧化鋁當作填料加入防霧涂料配方中時，由于氧化鋁自身優異的耐高溫性和耐熱穩定性，以及氧化鋁形成的三維網絡結構，可顯著提升防霧涂料的高溫使用壽命。此外，當納米級氧化鋁均勻分散在涂覆涂料中時，制備的涂料并不會影響基體材料的透明度，這樣也能為防霧涂料的應用提供有利保障。

2.3 二氧化硅

二氧化硅是由硅原子和氧原子長程有序排列形成晶態無機物。二氧化硅目前已經被成熟應用于橡膠、塑料、涂料等各大領域。二氧化硅的化學性質穩定，是一種堅硬、脆性、不溶的無色透明固體，具備滿足制造光學儀器涂覆涂料的基本性能要求。但是二氧化硅在使用過程中常常以聚集體的形式存在，尤其是沉淀法制得的二氧化硅顆粒間的物理相互作用較強，容易在涂覆料中形成嚴重的團聚。而氣相二氧化硅在反應爐內熔融黏結在一起，有特殊的“三維枝狀”結構分散過后仍能保持穩定的結構，所以在此文中使用的填料為親水型氣相二氧化硅。

基于硅酸鹽、氧化鋁和二氧化硅的性能優勢，本文以這三種填料作為PVA基涂覆料防霧性能的增強體，通過改變三種填料的配比，并設計單組分和多組分的不同方案，研究了填料對PVA基防霧涂料的光滑度、透明度和耐刮擦性的影響。

3 實驗

3.1實驗原料

聚乙烯醇（PVA），分子量1750±50，國藥集團化學試劑有限公司。硅酸鉀（K2SiO3），模數：3.3;波美度：40，青島海灣集團有限公司。硅酸鋰（K2SiO3），模數4.8，臨沂市綠森化工有限公司。納米氧化鋁（Al2O3），ALUNA-100，比表面積（100±15 m2/g），粒徑：13 nm，湖北匯富納米材料股份有限公司。親水型氣相納米二氧化硅，HL-300，比表面積（300±30 m2/g），粒徑：7-40 nm，湖北匯富納米材料股份有限公司。十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

3.2 試驗方法

制備聚乙烯醇基防霧涂料的配方和方法如下：聚乙烯醇（PVA）5-30份，硅酸鉀（K2SiO3）3～5份，硅酸鋰（Li2SiO3）3～5份，氧化鋁（Al2O3）1～3份，親水氣相納米二氧化硅（SiO2）3～8份，十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）1～3份，其余為水通常為50～70份。稱取一定比例的PVA溶解在相應的水中，在100℃下冷凝攪拌2h得到PVA溶液基料，隨后根據不同比例添加填料，隨后在40℃溫度下超聲20 min，繼續以120-150轉/min速度攪拌2h得到涂料。使用方法為在0.3～0.5 MPa的空氣壓力下，霧化范圍為80～120 mm，涂-4黏度計黏度為25-30 s，均勻的噴涂在基體表面待干燥后即可。

如涂料⑧的制備方法為：稱取去離子水95g，PVA 5g在100℃下冷凝攪拌2h得到PVA（5%）溶液基料備用。隨后稱取11.3g去離子水、0.2g SDBS，攪拌至SDBS完全溶解，隨后一邊攪拌一邊加入0.2g氧化鋁，0.2g二氧化硅，緩慢加入1.5g K2SiO3、2.6g Li2SiO3、PVA（5%）溶液基料4g，攪拌20 min后在40℃溫度下超聲20 min，然后繼續以120-150轉/min速度攪拌2h得到涂料。

確定物料配比進行如下實驗（如表1）：

通過實驗可以觀察到如圖A、B、C所示現象：①有少量的懸浮物;②呈無色透明狀;③有大量泡沫;④為無色透明泡沫;⑤涂料表面有膠狀膜，且呈無色透明狀伴隨大量氣泡;⑥有大量懸浮物且渾濁;⑦有少量懸浮物且渾濁;⑧渾濁且有少量懸浮物并出現沉降;⑨渾濁無沉降出現大量泡沫。

通過目測觀察、手指觸摸與小刀刻畫的方法，從固體膜來看樣品的透明度排列排序為：③>①>④>⑨>⑥>②>⑦>⑧>⑤

平整度的光滑度：③>④>①>⑥>②>⑨>⑤>⑦>⑧

劃痕的深淺度（由深至淺）：⑧>⑦>⑤>⑨>⑥>②>③>④>①

通過實驗發現，只需要在50份PVA與水的混合溶液中簡單添加3份氧化鋁，就可以得到透明度良好的涂膜均勻耐刮擦的防霧涂層，大大降低了實驗難度和生產成本。

將制備的PVA基防霧涂料涂覆到透明鍋蓋表面，發現各組樣品相比未涂覆的鍋蓋部分防霧效果都有提高，而透光度、透明度并未受到較大的影響，表明通過簡單添加無機填料就可實現PVA基防霧涂料的良好防霧效果。本文列舉出的填料為PVA防霧涂料的設計與制備提供了方案，且闡述了對于每種填料的使用方式和作用效果，為后續產品的開發與應用打下了堅實基礎。

4 結語

以上，本文通過溶液共混法將不同無機填料混入PVA中，制備得到了PVA基防霧涂料。通過控制不同的填料的配比以增強PVA水溶液在基材上的粘結性，以及在復雜使用條件下的耐化學、腐蝕性、耐高溫性等。該方法具有操作簡單、成本低等優勢。并且在實際的試驗操作中發現，在PVA基防霧涂料的開發過程中，以不同的填料為方向可以選擇性的提高涂料在各個方面的性能特點，該策略對拓展PVA在防霧涂層領域的應用有著重要意義。

參考文獻：

[1]白景奇，白珊，任麗霞，朱孔營，趙蘊慧，李曉暉，袁曉燕.海藻糖改性聚乙烯醇及其防霧/防霜涂層[J].高等學校化學學報，2021， 42（08）： 2683-2688.

[2]劉靖.超親水防霧涂層制備及其耐久性能研究[D].東南大學，2021.

[3]彭剛陽.硅酸鉀/硅溶膠基水性無機涂料的制備與性能[D].華南理工大學， 2012.

[4]呂雪松.納米氣相二氧化硅復合聚乙烯的介電性能研究[D].哈爾濱理工大學， 2019.