光学塑料表面耐擦伤增透涂层的制备及性能研究

论文摘要

与光学玻璃相比,光学塑料如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,聚碳酸酯（PC）,哥伦比亚树脂（CR-39）等不仅有着许多突出的光学性能,同时具有低密度及高抗冲击性能。但是光学塑料的表面硬度低,易擦伤,日常使用过程中容易使其光学性能急剧下降,影响正常使用。近些年来,通过溶胶.凝胶法制备的有机/无机复合材料用作光学塑料表面的耐擦伤涂层已成为研究热点。通过含有烯烃的有机硅氧烷γ-（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅烷（MPS）与MMA溶液聚合得到P（MMA/MPS）共聚物,P（MMA/MPS）共聚物与水解的TEOS形成溶胶体系,溶胶易于在PMMA基材表面涂覆。探讨不同反应条件及组成对MMA/MPS共聚及涂层的涂覆效果,确定最佳组成比:单体MMA/MPS=3:1,引发剂（BPO）浓度为3%,75℃下聚合反应3h后混入10%TEOS（正硅酸乙酯）水解产物形成溶胶体系,在PMMA基材上进行液面下降法涂覆,经热固化后的涂层不仅提高基材的耐擦伤性能（擦拭40次后失光率为31.1%）,同时很大程度上增加了基材的透光率（峰值透光率为93.2%）。通过含环氧官能团的有机硅氧烷γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）与TEOS/MTMS/DMDMOS复合体系,探讨不同配比及反应条件下,分析影响涂层各性能的主要参数。随着固化反应的进行,大部分环氧基团开环发生加成固化反应,对基板起到良好的附着作用;剩余部分未开环的环氧基团残留又使分子链段具有一定的柔性;制备的PMMA表面涂覆涂层厚度为3μm左右,其表面平整、光滑,具有良好的耐擦伤性,与PMMA基材有良好的附着力,铅笔硬度从2H提高到5H,同时一定程度上提高基材的透光率;制得的涂层具有较低的自由能,在基材上具有良好的铺展效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 光学塑料
• 1.1.1 光学塑料概况
• 1.1.2 常见光学塑料的分子结构
• 1.2 耐擦伤涂层
• 1.2.1 耐擦伤性与耐磨性
• 1.2.2 光学塑料表面涂覆耐擦伤涂层必要性及其发展状况
• 1.2.3 耐擦伤涂层的制备
• 1.2.4 耐擦伤涂层的测试方法
• 1.3 溶胶-凝胶法
• 1.3.1 溶胶-凝胶法制备有机/无机复合材料的原理和过程
• 1.3.2 溶胶-凝胶法制备有机/无机复合材料的方法
• 1.3.3 溶胶-凝胶法制备有机/无机复合材料的特点
• 1.3.4 基于溶胶-凝胶法制备耐擦伤涂层的前人工作及有待解决问题
• 1.4 本论文的主要内容
• 2耐擦伤增透涂层的制备及性能'>第二章 MMA/MPS共聚复合SiO₂耐擦伤增透涂层的制备及性能
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 主要实验试剂及仪器
• 2.1.2 合成及涂层制备
• 2.1.2.1 甲基丙烯甲酯（MMA）和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MPS）的溶液聚合
• 2.1.2.2 正硅酸乙酯（TEOS）的预水解
• 2.1.2.3 基材表面的预处理
• 2.1.2.4 涂层的制备及固化
• 2.1.3 表征方法
• 2.1.3.1 红外光谱测试
• 2.1.3.2 凝胶气相色谱
• 2.1.3.3 差示扫描量热测试
• 2.1.3.4 热失重测试
• 2.1.3.5 透光率测试
• 2.1.3.6 摆杆硬度
• 2.1.3.7 铅笔硬度
• 2.1.3.8 附着力测试
• 2.1.3.9 耐擦伤性能测试
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 合成思路
• 2.2.1.1 MMA/MPS共聚反应
• 2.2.1.2 正硅酸乙酯（TEOS）的预水解反应
• 2.2.1.3 缩合固化过程反应
• 2.2.2 MMA/MPS共聚物红外吸收光谱分析
• 2.2.3 反应条件对聚合的影响
• 2.2.3.1 反应温度对溶液聚合总反应速率和转化率的影响
• 2.2.3.2 引发剂浓度对聚合反应转化率和分子量的影响
• 2.2.4 预聚物的水解条件对溶胶稳定性的影响
• 2.2.5 溶胶组成对热性能的影响
• 2.2.5.1 差示扫描量热分析
• 2.2.5.2 热失重分析
• 2.2.6 涂层物理性能的测试
• 2.2.6.1 溶胶组成对力学性能的影响
• 2.2.6.2 溶胶组成对光学性能的影响
• 2.2.7 组成对耐擦伤性能的影响
• 2.3 结论
• 第三章 TEOS/MTMS/DMDMOS/GPTMS复合耐擦伤增透涂层的制备与表征
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要实验试剂及仪器
• 3.1.2 实验方法
• 3.1.2.1 溶胶制备
• 3.1.2.2 基材表面的预处理
• 3.1.2.3 涂层的制备及固化
• 3.1.2.4 实验正交设计
• 3.1.3 表征方法
• 3.1.3.1 红外光谱测试
• 3.1.3.2 摆杆硬度
• 3.1.3.3 铅笔硬度
• 3.1.3.4 附着力测试
• 3.1.3.5 透光率测试
• 3.1.3.6 耐擦伤性能测试
• 3.1.3.7 接触角测试
• 3.1.3.8 扫描电镜
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 合成思路
• 3.2.2 制备条件对溶胶的影响
• 3.2.2.1 酸催化剂用量对溶胶涂层硬度及存储稳定性的影响
• 3.2.2.2 陈化时间对涂层透光率的影响
• 3.2.3.2.1 溶胶折射率与陈化时间的关系
• 3.2.3.2.2 涂层增透效果与陈化时间的关系
• 3.2.2.3 液面下降速率对涂层厚度的影响
• 3.2.4 涂层的结构表征
• 3.2.4.1 溶胶-凝胶过程的红外吸收光谱分析
• 3.2.4.1.1 溶胶-凝胶过程各官能团峰位置变化
• 3.2.4.1.2 溶胶-凝胶过程各官能团吸光度的变化
• 3.2.5 涂层自由能
• 3.2.5.1 基于接触角计算固体表面自由能的理论推导
• 3.2.5.2 涂层自由能推算
• 3.3.6 溶胶组成对涂层硬度及附着力的影响
• 3.2.7 溶胶组成对涂层透光性的影响
• 3.2.8 涂层的耐擦伤性能
• 3.3 结论
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢