水性环保型光学镜片用临时保护涂料的制备与涂布方法
周如东1 王李军1 段正才2 陆文明1 王留方1 杨永兵3*
（1. 中海油常州涂料化工研究院，江苏常州 213016 ；2. 中航工业陕西飞机工业（集团）有限公司工程技术部，陕西汉中 723000 ；3. 常州南京大学高新技术研究院，江苏常州 213164）
2.2 润湿剂的选择
眼镜业的迅速发展给屈光不正患者带来了福音。在西方国家，作为医疗手段，眼镜的使用率仅次于阿斯匹林；在我国，需要配戴眼镜者已超过3 亿且该数字正逐年递增。组成眼镜关键部件光学镜片的材料主要包括有机和无机两大类透明介质。无机类材料包括：普通玻璃、高折射率玻璃、染色玻璃以及光致变色玻璃。有机类材料包括：热固性材料和热塑性材料。其中，热固性材料包括：哥伦比亚第39 号树脂（CR-39）、中高折射率树脂、染色树脂以及光致变色树脂；热塑料性材料包括：聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚碳酸酯（PC）。与无机类材料组成的光学镜片相比，有机类材料制成的光学镜片具有更轻的质量，更高的透光率，更优良的抗冲击性、抗破裂性、耐化学品性、防雾性、染色性和选择性。但是，有机类光学镜片都需要进行镀膜处理，使其获得一些新的、原本不具备的优良性能。市场上的加膜光学镜片一般都进行多层镀膜处理，包括：耐磨损膜、多层减反射膜和顶膜抗污膜（见图1）。耐磨损膜能够增加镜片表面的硬度，使其更加耐磨损；多层减反射膜具有增加镜片可见光的透过率和防紫外线、防辐射的功能；抗污膜的物质分子颗粒小、分子之间空隙小，使镜片表面更加光洁，具有防水、防雾、防尘等防污染功能，同时克服减反射膜膜分子间空隙较大，容易藏污纳垢的缺点。
目前，对光学镜片进行临时性保护主要有两种
方法：一是采用镜片加工保护贴（保护薄膜），二是采用镜片加工临时保护涂料。镜片加工保护贴存在价格昂贵、贴膜效率低、使用处理不方便的缺点。镜片加工临时保护涂料克服了镜片加工保护贴的缺点，能在镜片表面形成一层有韧性的保护层，有效防止光学镜片在二次加工和存放过程中产生的划伤或发霉，该保护涂料所形成的薄膜剥离极为方便，且不会在镜片上有任何残留。
目前，光学镜片用临时保护涂料的研究及生产主要被韩国公司垄断且已申请多项专利。韩国南相旭等人以氯化聚丙烯树脂或PET（对苯二甲酸乙二醇酯）为主要成膜物，以芳香烃类和酮类有机溶剂作为溶剂，配合相关助剂制备了具有防止镜片切割引起的轴偏移和镜片损伤的薄而均匀的临时保护层。韩国Kim 等人发明了一种涉及在镜片表面形成透明保护涂层的方法。该透明涂层由含氟弹性体及可选加入的含氟有机硅烷化合物组成，可以防止镜片处理过程中的划伤、受到外界化学污染及轴偏移的现象。国内研究镜片加工保护液起步较早的是黑龙江省科学院，李从智等人制备了镜片加工保护液且已申请专利。但是，现有相关专利和论文中所制备的光学镜片用临时保护涂料均为溶剂型涂料，所使用的芳香烃类或酮类有机溶剂在涂料的生产及涂装过程中会造成环境污染，同时在密闭的无尘环境中使用会给操作人员的健康带来不利影响。使用水性环保型光学镜片用临时保护涂料替代常规溶剂型临时保护涂料是解决上述问题的一条捷径，但由于加膜光学镜片中的抗污膜具有强烈的憎水性，水性涂料难以对其表面进行润湿导致无法进行涂布，阻碍了水性涂料在该领域中的应用。
本研究采用聚氨酯水分散体作为主要成膜物，与表面润湿剂、防黏连剂、消泡剂相配合，制备水性环保型光学镜片用临时保护涂料。研究了主要成膜物、各类助剂、涂布工艺及方法对涂料性能的影响。解决了水性涂料在低表面能镜片表面的润湿涂布问题，满足了光学镜片表面临时保护的要求。
1 实验部分
1 实验部分
1.1 主要原材料
聚氨酯水分散体：WPU-1、WPU-2、WPU-3、WPU-4，中海油常州涂料化工研究院；润湿剂：Wet-265、Wet-500，德国Degussa 公司，BYK-346，德国毕克公司，FC-4430，美国3M 公司，Actyflon-S217，哈尔滨雪佳氟硅化学有限公司；防黏连剂：DC-51，美国道康宁公司；消泡剂：BYK-019，德国毕克公司；光学镜片：折射率1.56，常州威尔光学科技有限公司。
1.2 主要仪器
1.2 主要仪器
高速分散机（GFJ-0.4），上海赛杰化工设备有限公司；全自动表面张力仪（BZY-1），上海衡平仪器仪表厂；接触角测试仪（SL-600），上海衡平仪器仪表厂；光学镜片全自动磨边机（PM-7000），韩国PICHINA 公司；全自动焦度计（M150LM600），日本。
1.3 试样的制备
1.3.1 测试表面张力样品的制备
将所需用量的润湿剂加入聚氨酯水分散体中，用高速分散机搅拌2 h（转速500 r/min），过夜消泡，待用。
1.3.2 水性环保型光学镜片用临时保护涂料的制备
将所需用量的润湿剂加入聚氨酯水分散体中，用高速分散机搅拌2 h（转速500 r/min）后，加入防黏连剂和消泡剂，继续搅拌1 h（转速500 r/min），补入一定量的去离子水，调节至浸涂黏度，待用。
1.3.3 涂膜光学镜片样品的制备
将已配制好的涂料倒入浸涂槽，将光学镜片固定于专业夹具上，再将夹具固定于能够控制其上下移动速度的升降装置上，以预定速度降下镜片将其浸入涂液，并以预定速度升起镜片，沥干后移出，并使涂液烘干或自干，即制得涂膜光学镜片样品。
1.4 性能测试
利用表面张力仪按照《表面活性剂 用拉起液膜法测定表面张力》通用规范GB/T 5549—2010 测试涂料的表面张力；利用全自动表面张力仪采用悬滴法测量涂料在光学镜片表面的接触角。
轴偏移及卡盘压痕的测试方法：将光学镜片固定于装配有橡胶卡盘的镜片磨边机上进行加工，利用全自动焦度计确定镜片散光轴（水平/ 垂直轴）以及标记识别点（沿水平轴的3 个点以表示轴方向），分别对未涂膜镜片及涂膜镜片各50 片进行镜片加工。目测观察卡盘压痕，再用全自动焦度计观察轴偏移。
折射率的测试方法：用全自动焦度计观察涂膜前后光学镜片的折射率。
折射率的测试方法：用全自动焦度计观察涂膜前后光学镜片的折射率。
灰尘吸附及表面损坏的测试方法：取涂膜和未涂膜的光学镜片各30 片，用常规光学镜片包装纸进行包装，然后装入包装盒体，摇晃盒体100 次后取出镜片，除去保护膜，观察涂膜和未涂膜光学镜片的表面情况。
2 结果与讨论
2.1 主要成膜物的选择
作为光学镜片用临时保护涂料的主要成膜物必须满足下列条件：（1）以水为主要溶剂，不含有毒、有害的有机挥发物；（2）常温或低温（<50℃）烘烤条件下能够自干成膜，满足光学镜片的涂布干燥工艺；（3）具有合适的硬度、强度和延伸率，既能保护光学镜片在磨边过程中不受损伤，又要保证涂膜能够整片剥离；（4）具有良好的透光性，不影响光学镜片的折射率，方便出厂检验。根据上述要求，选择中海油常州涂料化工研究院生产的WPU 系列聚氨酯水分散体树脂作为主要成膜物。由于合成过程中选用单体的种类、比例及工艺不同，不同类型的该系列树脂呈现出不同的性能，具体见表1。综合考虑各项性能指标，选择WPU-2 作为主要成膜物。
影响涂料成膜过程中润湿性能的因素较多，主要有以下几点：（1）涂料体系的表面张力；（2）被涂基材的临界表面张力和预处理程度；（3）涂料的施工黏度及涂料所用溶剂的溶解力、挥发速度和湿膜厚度；（4）涂料的施工环境、施工方式及涂料的黏度。其中，涂料体系的表面张力以及被涂基材的临界表面张力和预处理程度是影响润湿性的两个为重要的因素。作为被涂基材的镀膜光学镜片，组成其外表面抗污膜层的物质分子颗粒小、分子之间空隙小，表面光洁，临界表面张力极低，具有防水、防雾、防尘等特殊抗污功能，该特殊基材较常规基材更难以被润湿。通过改变被涂基材的临界表面张力和处理程度的方法显然不可取，因为这将破坏抗污膜的抗污性。这就意味着只能通过降低涂料表面张力的方法来改善涂料对基材的润湿性。而水性环保型光学镜片用临时保护涂料以表面张力高达72 dynes/cm的水为溶剂，整个涂料体系的表面张力较溶剂型涂料高，需要借助于润湿剂的作用来降低整个涂料体系的表面张力，常用的润湿剂主要包括：烃类润湿剂、有机硅类润湿剂和氟类润湿剂。几类常见润湿剂降低水的表面张力的能力见表2。
由表2 可知：有机硅类润湿剂以及氟类润湿剂较为有效，它们可以使水性体系的表面张力降到足够低。因此，本研究选用有机硅类润湿剂Wet-265、Wet-500、BYK-346，氟类润湿剂FC-4430、Actyflon-S217 作为基材润湿剂，考查不同用量下各类润湿剂降低涂料体系表面张力的能力，选择小使用量下降低体系表面张力能力强的产品作为该涂料体系的润湿剂，并对其在光学镜片表面的润湿情况以及涂布效果进行研究。添加不同用量及类型润湿剂涂料体系的表面张力见图2，涂布效果见表3。
由图2 可知：随着润湿剂用量的增加，涂料体系的表面张力均呈现下降的趋势；氟类润湿剂降低体系表面张力的能力明显优于有机硅类润湿剂；3M 公司的氟类润湿剂FC-4430 效果佳，在添加量仅为聚氨酯水分散体含量的0.1% 时，能够将体系的表面张力降低至18 dynes/cm。结合图2 和表3 可知：当涂料体系的表面张力大于19 dynes/cm 时，涂料不能完全涂布于镜片表面，出现涂膜整片或边缘收缩的缺陷；当涂料体系的表面张力小于19 dynes/cm 时，涂料能够完全涂布于镜片表面；有机硅类润湿剂降低涂料体系表面张力的能力有限，既使继续增大润湿剂的用量，体系的表面张力仍高于20 dynes/cm，不能满足要求；3M 公司的氟类润湿剂FC-4430 在较低的用量下就能获得良好的涂布效果，满足该涂料的要求。
由图2 可知：随着润湿剂用量的增加，涂料体系的表面张力均呈现下降的趋势；氟类润湿剂降低体系表面张力的能力明显优于有机硅类润湿剂；3M 公司的氟类润湿剂FC-4430 效果佳，在添加量仅为聚氨酯水分散体含量的0.1% 时，能够将体系的表面张力降低至18 dynes/cm。结合图2 和表3 可知：当涂料体系的表面张力大于19 dynes/cm 时，涂料不能完全涂布于镜片表面，出现涂膜整片或边缘收缩的缺陷；当涂料体系的表面张力小于19 dynes/cm 时，涂料能够完全涂布于镜片表面；有机硅类润湿剂降低涂料体系表面张力的能力有限，既使继续增大润湿剂的用量，体系的表面张力仍高于20 dynes/cm，不能满足要求；3M 公司的氟类润湿剂FC-4430 在较低的用量下就能获得良好的涂布效果，满足该涂料的要求。
2.3 其他助剂的选择
由于该涂料形成的涂膜需要在镜片加工完成后易于剥离，而涂膜与光学镜片表面有一定的结合力，会影响涂膜的可剥离性，所以必须添加防黏连剂。我们选用美国道康宁公司生产的具有水分散性和超高相对分子质量的聚二甲基硅氧烷分散体DC-51，用以增加平滑性、降低摩擦系数、提高防黏连性和抗磨损性，实验获得其佳添加量为总配方量的0.1%。由于该涂料中加入的氟类润湿剂具有多泡和稳泡特性，因此会产生大量泡沫且消泡周期较长。为了便于施工，必须添加消泡剂。消泡剂的种类很多，包括有机硅氧烷、聚醚、硅和醚接枝、含胺、亚胺和酰胺类。其中，有机硅氧烷类消泡剂具有表面张力小、表面活性高、消泡力强、用量少、成本低、热稳定性好、化学稳定性好等优势。通过实验，选择德国毕克公司的BYK-019 作为消泡剂，其佳添加量为总配方量的0.3%，在较短时间内就能消除涂料中的气泡。
2.4 涂布方法及工艺
涂布该水性环保型光学镜片用临时保护涂料以在镜片表面形成保护膜有多种方法，包括：浸渍涂布、涂覆涂布、喷射涂布及旋转涂布。其中，浸渍涂布的方法具有生产效率高、涂料浪费少的优势，为此设计专门的浸渍涂布设备（见图3）进行涂布。
2.4 涂布方法及工艺
涂布该水性环保型光学镜片用临时保护涂料以在镜片表面形成保护膜有多种方法，包括：浸渍涂布、涂覆涂布、喷射涂布及旋转涂布。其中，浸渍涂布的方法具有生产效率高、涂料浪费少的优势，为此设计专门的浸渍涂布设备（见图3）进行涂布。
浸渍涂布按照以下步骤进行：将按照实验部分1.3.2 的制备方法制备的涂料倒入浸涂槽，将光学镜片固定于专业夹具，将夹具固定于能够控制其上下移动速度的升降装置上，以预定速度降下镜片将其浸入涂液，并以预定速度升起镜片，沥干，然后移出使涂液烘干或自干，在光学镜片表面制得具有临时保护功能的涂膜。涂布过程中发现：升降装置上下移动速度的精确控制可以控制终涂膜的表面粗糙度、厚度及涂布的均匀性。终确定升降装置的下降速度为500 mm/s，上升速度为0.5~2 mm/s。
2.5 性能对比
对涂布临时保护涂层的光学镜片与未涂布临时保护涂层的光学镜片进行性能比较，以确定该涂料是否满足性能要求，结果见表4。其中，“轴偏移”和“卡盘压痕”两个测试项目主要考查该涂料在镜片加工过程中是否能够对镜片起保护作用。“灰尘吸附”和“表面损坏”两个测试项目主要考查该涂料是否能够在镜片检验、运输及贮存过程中，保护光学镜片免受外界环境污染或外来损伤。“镜片折射率”项目主要考查涂层的透明性及均匀性，提供准确的光学参数，保证出厂检验和配镜的顺利进行。
表4 结果表明：该临时保护涂料能够有效防止光学镜片在加工时产生水平/ 垂直轴的旋转移动；避免卡盘固定的方法在镜片表面产生压痕或造成镀层的损伤甚至脱落；保护镜片免受外界环境的污染或外来损伤；具有良好的透明性及均匀性，不影响镜片原有光学参数，保证出厂检验和配镜的顺利进行。
3 结语
（1） 以聚氨酯水分散体作为主要成膜物，配合各类助剂，制得水性环保型镜片用临时保护涂料，该涂料在镜片检验、运输及储存过程中能保护镜片免受外界污染和外来损伤；在镜片加工过程中，可防止轴偏移和卡盘压痕的产生，起到良好的保护作用。
（2） 润湿剂的正确选择有利于降低涂料体系的表面张力。氟类润湿剂FC-4430 以极少的用量就能将体系表面张力降低至18 dynes/cm，解决了水性涂料在低表面能镜片表面的润湿涂布问题。
（3） 防黏连剂的选用，使涂层在镜片加工完成后易于剥离；消泡剂的选用，缩短了消泡周期，方便了施工。
（4） 设计的涂布装置及采用的浸渍涂布方法，具有生产效率高、涂料浪费少的优点。
（5）该涂料以水为主要溶剂，完全能够替代现有的该类型溶剂型涂料，具有一定的环保优势。
