脉冲激光沉积助力塑料表面“自我清洁”

江苏激光联盟导读：

新加坡南洋理工大学科学家开发长效防雾涂层，用于塑料表面，可"自我清洁"。

新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家开发了一种新型涂层，当应用于塑料表面时，可以防止起雾和"自清洁"，克服频繁重新涂抹的需要。

（L-R）NTU研究团队包括材料科学与工程学院教授CHEN ZHONG，博士生SUN YE和国家教育学院自然科学与科学教育学术小组负责人RAJDEEP SINGH RAWAT教授。

通过两步法应用薄的双层二氧化硅 - 二氧化钛薄膜的耐用涂层。

首先，用氧等离子体处理塑料表面，这是清洁表面以提高附着力的常见工业方法。然后使用脉冲激光沉积将薄的双层薄膜沉积在塑料表面上 - 其中激光束聚焦以蒸发来自预期涂层目标的材料，以达到所需的薄膜厚度水平。

图形摘要

与类似的工业方法相比，该方法在制造过程中可以更好地控制薄膜的厚度和结构，并产生更高质量的薄膜。

涂层对塑料表面表现出优异的附着力。当使用奶酪布垫（光学镀膜的标准测试）和使用玻璃纸胶带的附着力测试）进行磨损时，涂层保持了良好的耐久性。

当水蒸气凝结成水滴在表面上时，就会观察到雾化，因此涂层的防雾性能是通过凝结的水滴扩散成不阻挡视觉的均匀薄膜的速度来测量的。在新涂层的实验中，数字快速帧成像显示水滴在93毫秒内扩散，小于人眼平均眨眼100毫秒的持续时间。

NTU团队的研究结果于2021年12月发表在同行评审的科学期刊《应用表面科学》上。

克服临时防雾涂料的局限性

防雾喷雾剂和湿巾是眼镜或眼镜佩戴者中的热门产品，自COVID-19大流行以来更是如此，因为戴口罩成为常态，佩戴者试图防止冷凝遮挡他们的视线。

防雾涂层也用于太阳能电池板，挡风玻璃和在潮湿环境中使用的显示器或透镜。

然而，目前市场上的解决方案，如防雾喷雾和湿巾是暂时的，因为它们不能承受洗涤，必须定期重新涂抹。此外，它们容易被污垢或细菌污染表面，这意味着需要更换或维护。

（a）和（b）S5表面5μL水滴的光学图像，水在100毫秒内的扩散行为（c）数字图像，显示暴露于热蒸汽中的涂层（顶部）和未涂层（底部）PC的防雾性能。

虽然其他地方的研究人员已经开发出用于塑料的防雾涂料，但其广泛采用的两个最大障碍是制造加工时间长和耐用性差 - 即塑料表面和涂层之间的附着力弱。

该研究的联合首席研究员，南洋理工大学材料科学与工程学院（MSE）的陈忠教授说："当今大多数防雾解决方案都是暂时的，功效有限。我们的团队已经展示了一种快速制造的方法，大约需要一个小时，并产生持久的结果，证明了其在广泛的实际应用中的潜力。

由于新设计的涂层具有持久的防雾和"自清洁"能力，NTU研究团队认为他们的创新提供了一种有吸引力的长期解决方案，可以克服塑料雾化的问题，这些问题也可能降低成本和浪费。

在阳光照射下涂覆"自清洁"

二氧化钛 - NTU团队开发的涂层中使用的一种化学物质，具有光催化能力，这意味着它可以通过在阳光（紫外线）下与有机残留物反应并去除有机残留物来"自清洁"。

在实验室测试中，新开发的涂层具有"自清洁"能力，能够在一整天的紫外线照射后分解塑料表面上的污染物（即细菌，污垢）。

(a)未处理、氧等离子体表面处理PC、TiO2纳米颗粒薄膜(S2)和SiO2/TiO2纳米颗粒薄膜(S5)的XPS光谱比较;(b) (c) (d)和(e)是SiO2/TiO2薄膜(S5)的c 1s、O 1s、Si 2p和Ti 2p的高分辨率XPS谱。

联合首席研究员，NTU国家教育研究所自然科学与科学教育学术小组负责人Rajdeep Singh Rawat教授说："我们的创新有望用于各种光学元件的工业应用，例如，在监控摄像头保护盖上。涂层的"自清洁"能力使其成为一种低维护和无故障的解决方案，因为盖子可能较少被表面污垢和污垢遮挡，从而为监控提供了更清晰的视野。

新开发的镀膜还具有抗反射性，在常规塑料镜片上具有高达89%的出色可见光透射率，比没有镀膜的同一镜片好约5%。这对于眼镜特别有用，因为更高的可见光透射率允许更多的光线穿过塑料到达眼睛，从而实现更高的清晰度。

（A）亚甲基蓝浓度（Ct/C0）在4种试验条件下24小时紫外光照射后：仅MB、未涂层的原始PC、SiO2涂层和SiO2/TiO2涂层（S5）。相对浓度分别为0.88±0.02、0.77±0.03、0.77±0.02和0.64±0.02；（B）制备的S5样品在初始、5小时和24小时辐照时间下的亚甲基蓝溶液吸收光谱，以及（C）在用油酸沉积的SiO2/TiO2表面（S5）上的水接触角随UV辐射时间的变化。

该研究的第一作者，MSE学院的博士生Sun Ye说："报告的结果证明了我们涂层的多功能性。它具有抗反射，防雾和自清洁功能。此外，制造方法快速且易于实施，具有出色的耐用性。这使得我们的创新在其他防雾方法中独树一帜，这些方法往往最终导致功能有限的涂层。”

研究团队已经为这项创新申请了新加坡专利，该团队正在寻求加强工业合作，将创新从实验室推向市场。

来源：Mechanically robust multifunctional antifogging coating ontransparent plastic substrates，Applied Surface Science，10.1016/j.apsusc.2021.152307

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