[发明专利]可紫外固化的有机/无机纳米复合耐磨透明涂层材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于涂层材料技术领域，具体涉及一种利用溶胶-凝胶法制备的可紫外固化的、耐磨的、透明的纳米尺度复合有机/无机杂化涂层材料及制备方法。该涂层材料可以用作汽车灯罩、仪表盘、光盘、树脂镜片的耐磨涂层。

技术背景

随着高分子材料与加工工艺的发展，聚合物光学透明材料在光学透镜、汽车灯具、仪器仪表以及光电器件等方面已逐步取代无机材料而得到广泛应用。但是，由于高分子材料表面的耐磨、耐划伤性质比较差，限制了它们的应用效果和使用期限。为了解决这一问题，人们发展了加硬涂料涂覆在聚合物材料的表面。

由于有机/无机复合涂层材料结合了有机物的优点(粘弹性、易加工性、强抗冲性等)和无机物的优点(高硬度、化学稳定性、光学性、热稳定性等)而引起人们的极大关注。

有机/无机复合涂层材料的有机部分多数为自由基聚合类型的丙烯酸类树脂和甲基丙烯酸类树脂。但丙烯酸类单体具有易挥发性，存在潜在的健康危害；丙烯酸类低聚物不易挥发，但具有很高的黏性，不利于生产和涂覆；而且，由于氧的抑制作用，使得涂层的固化程度不完全，所以，含丙烯酸类单体的涂层的固化过程通常在惰性气体(氮气)的保护下进行。目前，涂层固化工艺多采用热固化。

发明内容

本发明的目的是提供一种可紫外固化的、高透明度的、高耐磨耐划伤性的有机/无机复合涂层材料及制备方法。

本发明的有机/无机复合涂层材料的有机部分为阳离子聚合类型的含环氧基团的可水解硅烷，无机部分为二氧化硅溶胶。该涂层材料中含有硅酸酯、含环氧基团的可水解硅烷和光引发剂。该涂层材料的制备是以无机酸为催化剂，硅酸酯在醇溶剂中水解得二氧化硅溶胶；将含环氧基团的可水解硅烷与二氧化硅溶胶进行水解、缩合，得到稳定、透明、均一的复合涂层材料。将所得复合涂层材料浸涂、喷涂或旋涂到器件表面，进行紫外固化，所得涂层表面光滑平整，具有高强的耐磨性能，高透光率、低雾度、良好的热稳定性和化学稳定性等优点。涂层可用作汽车灯罩、仪表盘、光盘、树脂镜片等的保护层。

实验采用的含环氧基团的可水解硅烷单体不易挥发，毒性低，与基底具有良好的粘附性，固化过程无氧的抑制作用，固化彻底，固化后具有良好的热稳定性和化学稳定性。

本发明采用的紫外固化工艺，具有固化速度快、设备成本低、室温固化能耗低、环境友好等优点，克服和解决了的热固化工艺中的缺点和问题。

本发明所述的可紫外固化的有机/无机纳米复合耐磨透明涂层材料，其原料各组分及质量百分含量为：

a.10％～30％的化学式如(I)所示的硅酸酯；

b.30％～50％的化学式如(II)所示的含环氧基团的可水解硅烷；

c.20％～50％的醇溶剂；

d.5％～15％的水；

e.0.1～1％的光引发剂；

f.0.01～0.1％的酸催化剂；

g.0.1～1％的流平剂。

其中R¹为结构式如-(CH₂)_nCH₃所示的直链烷基，其中n为0～2的整数；R²为结构式如-CH₂O(CH₂)_m-所示的直链烷基，其中m为2～4的整数；R³是甲基或乙基。

本发明所述涂层的制备方法包括以下两个步骤：

一、溶胶-凝胶法制备有机/无机纳米复合涂层材料

将硅酸酯和酸催化剂溶于醇溶剂中，搅拌混合均匀后，在继续搅拌的条件下将水加入到上述溶液中，搅拌反应1～10小时；在继续搅拌的条件下加入一部分含环氧基团的可水解硅烷，搅拌反应1～10小时；加热至40～70℃后加入另一部分含环氧基团的可水解硅烷，搅拌反应0.5～10小时；最后加入光引发剂和流平剂，搅拌使混合均匀，从而得到性状均一、透明的有机/无机纳米复合涂层材料。

其中各组分的质量百分含量为：

a.硅酸酯10％～30％；

b.含环氧基团的可水解硅烷30％～50％；

c.醇溶剂20％～50％；

d.水5％～15％；

e.光引发剂0.1～1％；

f.酸催化剂0.01～0.1％；

g.流平剂0.1～1％。