專利名稱：聚碳酸酯光學(xué)材料表面有機硅耐磨涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于聚碳酸酯光學(xué)材料表面的硬質(zhì)透明耐磨涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
聚碳酸酯材料普遍存在耐磨性能差的缺陷，對于聚碳酸酯材料的耐磨改性，專利和文獻上已經(jīng)有很多方法，但是對于聚碳酸酯光學(xué)材料表面的硬質(zhì)耐擦傷膜層，以水解成膜法得到的有機硅氧烷耐磨涂層較為普遍。該方法制備涂料的工藝簡單、性能穩(wěn)定，涂層耐擦傷強度高、附著力好，且固化溫度低、成本低廉，較其它硬質(zhì)膜層(如熱固化型的氨基樹脂系、紫外光固化型的丙烯酸酯樹脂系)涂料優(yōu)越。表面涂覆有機硅透明耐磨涂層后，克服了聚碳酸酯光學(xué)材料固有的缺陷，提高了其使用性能。
因聚碳酸酯的表面張力低，表面呈惰性，不利于涂層的附著，故而在涂覆前一般要進行必要的處理。簡單的處理方法是用表面活性劑水溶液、甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇等含有1～6個碳原子的短碳鏈脂肪醇、丙酮、氯乙烯、氟里昂等比較溫和的溶劑或混合溶劑或再結(jié)合超聲波清洗除去表面的油脂，灰塵等污染物，干燥后涂覆。為使表面產(chǎn)生更多的活性點，可采用鉻酸洗液等氧化劑進行適度的處理，在清除表面吸附的灰塵油脂外，表面還可產(chǎn)生-COOH、-OH等基團，這些基團不僅降低了基材的表面張力，而且在固化過程中可與涂料中的Si-OH及Si-OR等基團進行反應(yīng)，增加界面的粘接力，使涂層的附著性能提高。第三種預(yù)處理方法是在基材表面預(yù)涂一中間層，簡單的中間層是采用KH-550等硅烷偶聯(lián)劑或者硝酸(醋酸)纖維素、聚乙烯醇等親水性聚合物制備。
然而簡單的預(yù)涂中間層并不能很好地解決涂層與基材之間的粘接力問題，需要采用多層涂覆的方法來解決。多層涂覆的方法可以通過引入與涂層粘接性能更好的中間層，達到提高涂層與基材粘接性能的目的，最終提高涂層的耐磨性能。
美國專利0131867(2004)采用多層涂覆的方法，其涂層包括預(yù)涂層、耐磨涂層以及外涂層聚碳酸酯板材用異丙醇洗凈，將預(yù)涂層涂料流動涂覆到基材表面，預(yù)涂層僅表面干燥，將耐磨涂層涂料流動涂覆到預(yù)涂層之上，在23℃、相對濕度為65％空氣中干燥30分鐘，在130℃下加熱30分鐘后冷卻至室溫，將外涂層涂料流動涂覆到耐磨涂層表面，在23℃的空氣中干燥30分鐘后在130℃下固化2小時。所得涂層耐磨性能、粘接性能較好。但是該方法對于聚碳酸酯光學(xué)材料而言并不適用，因為其固化溫度130℃對于聚碳酸酯光學(xué)材料而言過高，另外其預(yù)涂層有可能導(dǎo)致聚碳酸酯光學(xué)材料光學(xué)性能下降；另外，將耐磨涂層放在中間層，不利于發(fā)揮耐磨涂層的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的提供一種可明顯提高聚碳酸酯光學(xué)材料的表面耐磨性能、粘接性能以及光學(xué)性能的硬質(zhì)透明有機硅耐磨涂層的制備方法。
一種聚碳酸酯光學(xué)材料表面有機硅耐磨涂層的制備方法，包括如下步驟(1)基底涂層的涂覆將基底涂料在潔凈環(huán)境中涂覆于聚碳酸酯光學(xué)材料表面，20～100℃下干燥2～60分鐘；(2)中間涂層的涂覆將中間涂層涂料在潔凈環(huán)境中涂覆于步驟(1)得到的帶有基底涂層的聚碳酸酯光學(xué)材料表面，20～100℃下干燥5～120分鐘；(3)耐磨涂層的涂覆將耐磨涂層涂料在潔凈環(huán)境中涂覆于步驟(2)得到的帶有中間涂層的聚碳酸酯光學(xué)材料表面，20～100℃下干燥30～300分鐘，得到有機硅耐磨涂層處理的聚碳酸酯光學(xué)材料。
所述的基底涂料的成份為結(jié)構(gòu)式為XR1Si(OR2)3的0.1％～5％醇溶液(質(zhì)量百分比濃度)，其中R1是C1～C10的脂肪鏈，X是NH2-、CN-、環(huán)氧基、丙烯酰氧基或甲基丙烯酰氧基，R2是H或C1～C3的脂肪鏈，所述的醇為C1～C6脂肪醇中的一種或多種。
所述的中間涂層涂料的成份為(a)、(b)或(c)中的至少一種(a)結(jié)構(gòu)式為(XR1)nSi(OR2)(4-n)的0.1％～10％醇溶液(質(zhì)量百分比濃度)，其中n＝1或2，X是NH2-、CN-、環(huán)氧基、丙烯酰氧基或甲基丙烯酰氧基，R1是C1～C10的脂肪鏈，R2是H或C1～C3的脂肪鏈，所述的醇為C1～C6脂肪醇中的一種或多種；(b)0.1％～10％聚甲基丙烯酸甲酯的溶液(質(zhì)量百分比濃度)，溶劑為三氯甲烷和/或四氫呋喃；(c)結(jié)構(gòu)式為(R1)nSi(OR2)(4-n)水解縮合產(chǎn)物(是自身水解縮合)的0.1％～10％醇溶液(質(zhì)量百分比濃度)，其中n＝0、1或2，R1是C1～C3的脂肪鏈，R2是H或C1～C3的脂肪鏈，所述的醇為C1～C6脂肪醇中的一種或多種。
所述的耐磨涂層涂料的成份為質(zhì)量百分含量為0.1％～10％結(jié)構(gòu)式為(XR1)nSi(OR2)(4-n)與質(zhì)量百分含量為90～99.9％結(jié)構(gòu)式為(R3)mSi(OR2)(4-m)的水解縮合產(chǎn)物(水解縮合是指這些硅氧烷在酸或堿的水溶液中，首先硅氧烷-SiOR水解成硅羥基-SiOH，然后硅羥基進一步縮合成-Si-O-Si-)的5％～35％醇溶液(質(zhì)量百分比濃度)，其中n＝1或2，m＝0、1或2，X是NH2-、CN-、環(huán)氧基、丙烯酰氧基或甲基丙烯酰氧基，R1是C1～C10的脂肪鏈，R2是H或C1～C3的脂肪鏈，R3是C1～C3的脂肪鏈，所述的醇為C1～C6脂肪醇中的一種或多種。
本發(fā)明通過對涂層涂覆、制備過程的影響因素的分析，發(fā)現(xiàn)涂層與基材的粘接性能對涂層的硬度、耐磨性能、光學(xué)性能均有很大的影響。涂層與基材的粘接性能越好，涂層的鉛筆測試硬度就越高，耐磨性能就越好，光學(xué)性能也能有所提高。為此本專利采用多層涂覆的方法，通過基底涂層涂料的涂覆，與聚碳酸酯光學(xué)材料具有較好的附著力；通過中間涂層提高耐磨涂層對基底涂層涂料的附著力；最后通過耐磨涂層體現(xiàn)聚碳酸酯光學(xué)材料表面加硬本發(fā)明制備方法先對聚碳酸酯光學(xué)材料進行清潔處理，使用等質(zhì)量的乙醇、丙酮、水混合液清洗除去表面的油脂、灰塵等污染物，在50℃的潔凈環(huán)境下干燥，然后進行涂層的涂覆，采用多次涂覆的方法，通過先涂覆一層或多層預(yù)涂層，再涂覆外層硬質(zhì)透明耐磨涂層的方式來提高涂層與基材的粘接力，并最大限度地提高涂層的耐磨性能和耐候性能，得到綜合性能較佳的硬質(zhì)透明耐磨涂層且所需的固化溫度較低。本發(fā)明制備方法制得的硬質(zhì)透明耐磨涂層具有優(yōu)良的耐磨性能、耐候性能、光學(xué)性能，可明顯提高聚碳酸酯光學(xué)材料的表面性能，延長其使用壽命，可應(yīng)用于聚碳酸酯鏡頭、鏡片等的表面改性。
具體實施例方式
實施例11克氨丙基三乙氧基硅烷與49克甲醇混合，作為基底涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將清潔處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆基底涂層涂料，于100℃的潔凈環(huán)境中干燥2分鐘。1克聚甲基丙烯酸甲酯溶于49克三氯甲烷中，作為中間涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將基底涂層涂料處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆中間涂層涂料，于100℃的潔凈環(huán)境中干燥5分鐘。1克氨丙基三乙氧基硅烷、2克甲基三甲氧基硅烷、7克四乙基硅烷、50克異丙醇混合水解縮合產(chǎn)物(異丙醇不參加水解縮合)，作為耐磨涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將中間涂層涂料處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆耐磨涂層涂料，于100℃的潔凈環(huán)境中干燥20分鐘。得到中華鉛筆硬度為5H的耐磨聚碳酸酯光學(xué)材料。
比較例11克氨丙基三乙氧基硅烷與49克甲醇混合，作為基底涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將清潔處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆基底涂層涂料，于100℃的潔凈環(huán)境中干燥2分鐘。1克氨丙基三乙氧基硅烷、2克甲基三甲氧基硅烷、7克四乙基硅烷、50克異丙醇混合水解縮合產(chǎn)物，作為耐磨涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將基底涂層涂料處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆耐磨涂層涂料，于100℃的潔凈環(huán)境中干燥20分鐘。得到中華鉛筆硬度為1H的耐磨聚碳酸酯光學(xué)材料。
比較例21克聚甲基丙烯酸甲酯溶于49克三氯甲烷中，作為中間涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將清潔處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆中間涂層涂料，于100℃的潔凈環(huán)境中干燥5分鐘。1克氨丙基三乙氧基硅烷、2克甲基三甲氧基硅烷、7克四乙基硅烷、50克異丙醇混合水解縮合產(chǎn)物，作為耐磨涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將中間涂層涂料處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆耐磨涂層涂料，于100℃的潔凈環(huán)境中干燥20分鐘。得到中華鉛筆硬度為2H的耐磨聚碳酸酯光學(xué)材料。
實施例20.1克環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷與99克異丙醇混合，作為基底涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將清潔處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆基底涂層涂料，于90℃的潔凈環(huán)境中干燥60分鐘。4.5克環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、0.5克甲基(環(huán)氧丙氧基)二乙氧基硅烷與45克異丙醇混合，作為中間涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將基底涂層涂料處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆中間涂層涂料，于90℃的潔凈環(huán)境中干燥120分鐘。0.01克環(huán)氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、2克甲基三甲氧基硅烷、8克四乙基硅烷、190克異丙醇混合水解縮合產(chǎn)物，作為耐磨涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將中間涂層涂料處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆耐磨涂層涂料，于90℃的潔凈環(huán)境中干燥300分鐘。得到中華鉛筆硬度為4H的耐磨聚碳酸酯光學(xué)材料。
實施例31克甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷與1克戊醇、18克乙醇混合，作為基底涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將清潔處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆基底涂層涂料，于100℃的潔凈環(huán)境中干燥60分鐘。0.05克甲基三甲氧基硅烷、0.05克二甲基二乙氧基硅烷、0.1克甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、198克甲醇混合水解縮合產(chǎn)物，作為中間涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將基底涂層涂料處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆中間涂層涂料，于20℃的潔凈環(huán)境中干燥120分鐘。1克甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、20克甲基三甲氧基硅烷、4克四乙基硅烷、50克甲醇混合水解縮合產(chǎn)物，作為耐磨涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將中間涂層涂料處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆耐磨涂層涂料，于20℃的潔凈環(huán)境中干燥300分鐘。得到中華鉛筆硬度為5H的耐磨聚碳酸酯光學(xué)材料。
實施例41克氰丙基三乙氧基硅烷與49克甲醇混合，作為基底涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將清潔處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆基底涂層涂料，于20℃的潔凈環(huán)境中干燥60分鐘。1克聚甲基丙烯酸甲酯溶于49克四氫呋喃中，作為中間涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將基底涂層涂料處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆中間涂層涂料，于50℃的潔凈環(huán)境中干燥120分鐘。1克氰丙基三乙氧基硅烷、2克甲基三甲氧基硅烷、7克四乙基硅烷、45克異丙醇、5克戊醇混合水解縮合產(chǎn)物，作為耐磨涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將中間涂層涂料處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆耐磨涂層涂料，于100℃的潔凈環(huán)境中干燥200分鐘。得到中華鉛筆硬度為5H的耐磨聚碳酸酯光學(xué)材料。
實施例51克甲基丙烯酸丙基三甲氧基硅烷與49克甲醇混合，作為基底涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將清潔處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆基底涂層涂料，于20℃的潔凈環(huán)境中干燥60分鐘。0.1克甲基三甲氧基硅烷、0.9克四乙基硅烷溶于49克乙醇中，作為中間涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將基底涂層涂料處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆中間涂層涂料，于70℃的潔凈環(huán)境中干燥120分鐘。2克氨丙基三乙氧基硅烷、1克二甲基二乙氧基硅烷、7克四乙基硅烷、50克異丙醇混合水解縮合產(chǎn)物，作為耐磨涂層涂料。在潔凈環(huán)境中，將中間涂層涂料處理后的聚碳酸酯光學(xué)材料表面涂覆耐磨涂層涂料，于100℃的潔凈環(huán)境中干燥200分鐘。得到中華鉛筆硬度為5H的耐磨聚碳酸酯光學(xué)材料。
權(quán)利要求
1.一種聚碳酸酯光學(xué)材料表面有機硅耐磨涂層的制備方法，其特征在于，包括如下步驟(1)將基底涂料涂覆于聚碳酸酯光學(xué)材料表面，20～100℃下干燥2～60分鐘；(2)將中間涂層涂料涂覆于步驟(1)得到的帶有基底涂層的聚碳酸酯光學(xué)材料表面，20～100℃下干燥5～120分鐘；(3)將耐磨涂層涂料涂覆于步驟(2)得到的帶有中間涂層的聚碳酸酯光學(xué)材料表面，20～100℃下干燥30～300分鐘，得到有機硅耐磨涂層處理的聚碳酸酯光學(xué)材料。
2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的基底涂料的成份為結(jié)構(gòu)式為XR1Si(OR2)3的0.1％～5％醇溶液，其中R1是C1～C10的脂肪鏈，X是NH2-、CN-、環(huán)氧基、丙烯酰氧基或甲基丙烯酰氧基，R2是H或C1～C3的脂肪鏈，所述的醇為C1～C6脂肪醇中的一種或多種。
3.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的中間涂層涂料的成份為(a)、(b)或(c)中的至少一種(a)結(jié)構(gòu)式為(XR1)nSi(OR2)(4-n)的0.1％～10％醇溶液，其中n＝1或2，X是NH2-、CN-、環(huán)氧基、丙烯酰氧基或甲基丙烯酰氧基，R1是C1～C10的脂肪鏈，R2是H或C1～C3的脂肪鏈，所述的醇為C1～C6脂肪醇中的一種或多種；(b)0.1％～10％聚甲基丙烯酸甲酯的溶液，溶劑為三氯甲烷和/或四氫呋喃；(c)結(jié)構(gòu)式為(R1)nSi(OR2)(4-n)水解縮合產(chǎn)物的0.1％～10％醇溶液，其中n＝0、1或2，R1是C1～C3的脂肪鏈，R2是H或C1～C3的脂肪鏈，所述的醇為C1～C6脂肪醇中的一種或多種。
4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的耐磨涂層涂料的成份為質(zhì)量百分含量為0.1％～10％結(jié)構(gòu)式為(XR1)nSi(OR2)(4-n)與質(zhì)量百分含量為90～99.9％結(jié)構(gòu)式為(R3)mSi(OR2)(4-m)的水解縮合產(chǎn)物的5％～35％醇溶液，其中n＝1或2，m＝0、1或2，X是NH2-、CN-、環(huán)氧基、丙烯酰氧基或甲基丙烯酰氧基，R1是C1～C10的脂肪鏈，R2是H或C1～C3的脂肪鏈，R3是C1～C3的脂肪鏈，所述的醇為C1～C6脂肪醇中的一種或多種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聚碳酸酯光學(xué)材料表面有機硅耐磨涂層的制備方法，包括如下步驟(1)基底涂層的涂覆，將基底涂料在潔凈環(huán)境中涂覆于聚碳酸酯光學(xué)材料表面，20～100℃下干燥2～60分鐘；(2)中間涂層的涂覆，中間涂層涂料在潔凈環(huán)境中涂覆，20～100℃下干燥5～120分鐘；(3)耐磨涂層的涂覆，耐磨涂層涂料在潔凈環(huán)境中涂覆，20～100℃下干燥30～300分鐘，得到有機硅耐磨涂層處理的聚碳酸酯光學(xué)材料。本發(fā)明制備方法制得的硬質(zhì)透明耐磨涂層具有優(yōu)良的耐磨性能、耐候性能、光學(xué)性能，可明顯提高聚碳酸酯光學(xué)材料的表面性能，延長其使用壽命，可應(yīng)用于聚碳酸酯鏡頭、鏡片等的表面改性。
文檔編號G02B1/10GK101051092SQ200710068478
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月10日
發(fā)明者單國榮, 梁志超 申請人:浙江大學(xué)