有机玻璃导电膜底漆涂层的研制

有机玻璃导电膜底漆涂层的研制

张官理1,李洁2,钟艳莉1,杨康2
(1 北京航空材料研究院,北京100095;2.北方涂料工业研究设计院,兰州730020)

1 引言
有机玻璃(PMMA)因具有良好的光学性能、耐老化性能和易于成型等特点而被作为光学透明件,但由于其表面硬度低,容易被擦伤和划伤而影响其使用性能。国外于20 世纪60 年代开始进行耐磨有机玻璃的研究,采取的方法是在有机玻璃表面涂覆耐磨涂料,通过固化后形成耐磨涂层,可以大大减轻使用中由于擦伤、划伤所造成的发雾、银纹等,提高使用性能,延长使用寿命。而由于我国高规格光学级别有机玻璃工业起步较晚,针对保护涂料的研究不充分。本文研制了一种既可以起到保护有机玻璃,同时又可以作为光学透明件使用时其表面电镀前的过渡层底漆的丙烯酸涂料。

2 试验部分
2.1 试验原材料及配方
试验原材料及配方见表1。

2.2 合成工艺
⑴合成工艺
树脂合成采用溶液聚合工艺,10% ~ 20%的单体与部分溶剂入釜,在回流温度下,滴加剩余单体、溶剂及部分引发剂的混合溶液,3 ~ 4 h 滴完,保温1 h,补加剩余引发剂溶液,1 h 滴完,然后回流保温3 ~ 4 h,降温至60 ℃,过滤出料。
⑵工艺流程
去除单体中的阻聚剂等杂质→合成树脂→过滤出料→抽滤除机械杂质→性能检测→分装产品

2.3 涂装工艺
将制得的底漆产品与对应的固化剂组分按比例配制,混合均匀;加入2 ~ 3 倍的混合溶剂(二甲苯、醋酸丁酯、丙二醇乙醚醋酸酯按一定比例配制),搅拌混合均匀。之后进行减压抽滤,去除机械杂质。在清洁干净的透明件表面进行淋涂涂装。

2.4 有机玻璃光学透明件涂层体系的施工流程
清洁有机玻璃→涂覆底漆→固化→镀导电膜→涂覆面漆→固化→成品

2.5 主要技术指标
底漆涂层主要技术指标见表2。

3 结果与讨论
3.1 溶剂体系对涂料附着力的影响
PMMA 具有良好的可加工性和优异的光学透过性,可见光的透过率可达92%以上,因此成为光学透明件的首选材料之一。但是这类材料存在硬度低、不耐划伤的缺点,需要涂料对其表面进行保护,提高其使用性能。另一方面,为了某些特殊要求等方面的用途,通常需要在其表面电镀一层电镀层,但是PMMA 表面又不宜直接电镀,所以在其表面涂装一层涂料作为电镀前的过渡层是一个有效的途径。PMMA 的溶解度参数为8.5 ~ 9.0(cal/cm3)1/2,这就要求涂料中选用的溶剂的溶解度参数接近于这个值,能够确保涂料中的溶剂对其表面形成轻微溶解,溶解的PMMA 与涂料中的树脂有效地掺混能够提高涂层材料的附着力;但是过强的溶剂会导致PMMA 过度溶解,降低表面平整度;不当的溶剂甚至会使PMMA 加工过程中形成的轻微裂纹显露出来,严重影响使用性能。
有机溶剂的溶解度参数及氢键值见表3。

通过表3 数据,综合溶剂挥发速率及毒性特性,最终选择了二甲苯、醋酸丁酯和丙二醇乙醚醋酸酯的混合溶剂体系,在底漆中加入上述溶剂体系后,在PMMA表面涂装效果良好,附着力达到了技术指标的要求。
3.2 羟值的确定
作为过渡层的底漆涂层要保证镀层能够优异地附着在其表面,同时在固化过程中不产生银纹等缺陷而造成透明件光学性能降低。不同羟值的底漆树脂选择及与配套面漆的配套性见表4。

从表4 得出结论,底漆树脂羟值控制在40 ~ 48mgKOH/g 时不仅与面漆具有良好的配套性,而且不产生银纹等缺陷。

3.3 固化剂的选择
异氰酸酯固化剂分为芳香族及脂肪族,芳香族异氰酸酯固化剂由于分子结构中苯环的存在而使其易黄变、耐大气老化性能差。而脂肪族异氰酸酯固化剂不存在上述缺陷。不同脂肪族固化剂对树脂性能的影响见表5。

由于N-3390 与树脂复配后产生乳光现象,因此最终选择N-75 作为固化剂。

3.4 催化剂的选择及用量
二月桂酸二丁基锡是聚氨酯固化体系常用的催化剂,其用量对干燥性能和施工期限影响极大,如不加催化剂,配制好的漆液放置4 d 后黏度虽然有所上升,但是用溶剂稀释后仍可以使用,并且未发现胶粒。通过红外光谱技术对这一固化体系进行了跟踪(见图1 ~ 2),其中I ~ Ⅵ 分别为2 h、8 h、1 d、2 d、4 d、7 d 时的—NCO 随时间变化红外光谱,可以看到—NCO 的吸收峰(约2 270 cm-1) 随时间变化在持续变化,而加入0.3%的催化剂2 d 时—NCO 吸收峰变化出现一个突跃,说明加入催化剂后—NCO 和—OH 反应加速。另外从图1 ~ 2 可以看出加入或不加催化剂7 d 后交联都基本达到完全。


3.5 对透明件透光度和雾度的影响
透明件的透光度和雾度是涂装涂料后的两个重要的检测指标,涂装涂料后的透明件应对透光度和雾度基本无影响。否则,将会影响透明件的光学性能,造成危险。表6 为底漆涂层与透明件的透光度和雾度的影响关系。

从表6 可以明显看出,涂装了本底漆产品的透明件对透光率无影响,而对雾度只有极其轻微的影响,说明底漆作为透明件的过渡层是十分适宜的。

3.6 底漆涂层厚度的确定及影响
有机玻璃导电膜透明件的涂装要求涂膜不能太厚,一般在5 μm 左右,这和一般涂料标准要求涂膜在25 μm 的相差较大,这主要是考虑过厚的涂层在透明件上对其光学性能可能会产生较大的影响,另一方面也会对涂料在透明件表面的流平产生负面的影响。而如果涂膜过薄(小于3 μm)又会造成耐磨和耐刮擦性降低。表7 为底漆涂层厚度对性能的影响情况。

表7 很明显地证实了在涂层厚度在5 μm 左右时各项性能指标达到最佳。

4 结语
本文研制的用于有机玻璃导电膜透明件底漆经过实验室检测及用户实际使用,达到了使用要求,尤其是透明件要求最为重要的光学性能达到使用要求。

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