Полимерные покрытия для защиты стекол от запотевания

М. Ф. Биктимирова, В. И. Бутовецкая, О. Н. Кузнецова

ПОЛИМЕРНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ СТЕКОЛ ОТ З АПОТЕВАНИЯ

Ключевые слова: незапотевающие покрытия, гидрофильный полимер, оптическая прозрачность покрытия

Исследованы плёнкообразующие и незапотевающие свойства композиций на основе гидрофильных полимеров. Полученные покрытия способны сохранять лиофильные свойства при циклическом изменении температуры от минус 20 С до плюс 20-25 С.

Keywords: anti-fog coatings, the hydrophilic polymer, the optical transparency of the coating.

Film-forming and anti-fog properties of compositions based on hydrophilic polymers were studied. The obtained coatings retain lyophilic properties at cyclical change of temperature from -20 С to 20-25 С.

Физическая сущность процесса запотевания заключается в конденсации влаги воздуха на поверхности материала. Конденсация капель влаги может происходить при перемещении материала из условий с повышенной температурой воздуха в область более низких температур и наоборот. При этом важную роль в процессе запотевания играет влажность воздуха, контактирующего с

поверхностью материала.

Для уменьшения запотевания стекол в настоящее время применяют методы, которые различаются по эффективности. В частности известны такие способы как применение специальных спреев, карандашей, салфеток; модификация поверхности стекол; нанесение гидрофобных или гидрофильных покрытий. Первый из вышеупомянутых способов обработки поверхности оптических материалов является самым дешевым, но и одновременно самым

короткодействующим. Второй способ - самый затратный и пока еще находится в стадии исследований и разработки. Последний способ защиты поверхностей оптики от запотевания занимает промежуточное положение по стоимости и срокам действия. Применение того или иного способа защиты стекла от запотевания зависит от условий эксплуатации, от времени пребывания стекла в условиях перепада температур, от диапазона изменения температуры, от требований надежности.

Как следует из немногочисленных литературных данных (в основном патентного характера) для решения проблемы использования средств и способов, предотвращающих запотевание, являются полимеры гидрофильной природы [1, 2]. Основу гидрофильных покрытий составляют полимеры, содержащие гидрофильные группы (-ОН, -СООН, - ЫН2, -СМ, =СО), взаимодействующие с конденсирующей влагой. Присутствие в сополимерах полярных функциональных групп анионных (-СООН), катионных (-Ы-) способствует сольватации ими влаги воздуха. Специфичность строения и состава макромолекул определяет их способность к адсорбции влаги и оказывает существенное влияние на процесс диффузии [3]. Способность к адсорбции воды зависит не только от степени полярности функциональных групп, но и от их расположения в цепи полимера, а также от

склонности их к комплексообразованию, в частности к образованию водородных связей [4].

В данной работе в качестве защитного покрытия были исследованы тонкие полимерные пленки, сформированные из раствора методом полива. В качестве пленкообразующего были исследованы поливиниловый спирт (ПВС) и водорастворимые сополимеры 2-метил-5-винилпиридина с метакриловой кислотой (2М5ВП-МАК) с молярным соотношением кислотных и основных групп 80:20. Сополимер 2М5ВП-МАК является полиамфолитом, поэтому он хорошо растворяется как в кислой, так и в щелочной среде. Для обеспечения хорошей адгезии покрытия к поверхности стекол при сохранении их оптической прозрачности экспериментально было подобрано оптимальное количество этилового спирта в композиции. Полимер предварительно был растворен в слегка подщелаченном или подкисленном водном растворе с последующим добавлением этилового спирта. Увеличение доли спирта в композиции приводит к высаждению высокомолекулярных фракций полимеров, что снижает величину светопропускания стекла, и на стекле появляется матовый налет. Оценка прозрачности растворов и покрытий на предварительном этапе проводилась визуально. Оптимальными соотношениями по объему растворителей (спирта и водного раствора соляной кислоты или едкого натра), обеспечивающими хорошую растворимость сополимеров и высокую адгезию к стеклам (силикатным или органическим), являются объемные соотношения 2:1, 1:1, 1:2. В качестве модифицирующих добавок были исследованы соединения, содержащие в своем составе первичные и вторичные моно-, би-, трифункциональные группы: у-

аминопропилтриэтоксисиланы (А-1100 и АГМ-9, зарубежного и отечественного производства) и е-капролактам; мочевина и этиленгликоль; глицерин.

В таблице 1 приведены составы исследуемых полимерных покрытий.

Содержание полимера в композиции варьировали от 0,6 до 7 мас.%, количество модифицирующей добавки составляло 1-2 мас.% от полимера.

В слабощелочном растворе покрытия (образец №1) после сушки приобрели матовый

оттенок, поэтому в дальнейшем для приготовления растворы.

покрытий были использованы только подкисленные

Таблица 1 - Составы композиций для приготовления покрытий для стекол

№ обр. Полимер Соотношение спирт: водная фаза Характеристика среды Модификатор

1 2М5ВП-МАК 2:1 слабощелочная нет

2 2М5ВП-МАК 2:1 слабокислая нет

3 2М5ВП-МАК 1:1 слабокислая мочевина

4 2М5ВП-МАК 2:1 слабокислая мочевина

5 2М5ВП-МАК 2:1 слабокислая АГМ-9

6 2М5ВП-МАК 2:1 слабокислая А-1100

7 2М5ВП-МАК 2:1 слабокислая е-капролактам

8 2М5ВП-МАК 2:1 слабокислая этиленгликоль

9 ПВС 1:1 нейтральная нет

10 ПВС 1:1 слабокислая нет

11 ПВС 2:1 нейтральная нет

12 ПВС 1:2 слабокислая нет

Покрытия на основе поливинилового спирта Незапотевающие свойства покрытий были

либо также после сушки приобретали матовый исследованы при циклической смене положительных

оттенок (образец №9), либо обладали недостаточной и отрицательных температур (табл. 2).

адгезией к стеклу (образцы №10-12).

Таблица 2 - Оценка незапотевания покрытий на органических стеклах

№ обр. Время выдержки при минус20 °С, мин

10 перерыв 15 перерыв 10 перерыв 15 перерыв 10

2 - 15 мин - 15 мин - 15 мин - 20 мин -

3 - - - - -

4 + + + + +

5 + + + + +

6 + + + + +

7 + + + + +

8 + + + + +

при отрицательных температурах до минус двадцати градусов Цельсия.

Литература

1. Пат. 3700487. 1975.

2. Незапотевающие покрытия / М.Ф.Биктимирова, В.И.Бутовецкая, О.Н.Кузнецова// Вестник Казанского технологического университета. - 2008. №5. - с. 100-106.

3. Кандиита Х. Гидрофильные полимеры.// Кобунси Како. 1975. №2. С.24-30.

4. Николаев, А.Ф. Водорастворимые полимеры/ Николаев А.Ф., Охрименко Г.И. Л: Химия, 1979. - 145 с.

© М. Ф. Биктимирова - магистр КНИТУ; В. И. Бутовецкая - канд. хим. наук, доц. каф. технологии пластических масс КНИТУ, butovetskaya@mail.ru; О. Н. Кузнецова - канд. хим. наук, доц. той же кафедры, kuznetsovaon@yandex.ru.

Для лучших образцов были определены коэффициенты светопропускания при Х=400 нм, что входит в область видимого света, которые для данных образцов близки к 100%, что свидетельствует о высокой прозрачности покрытий.

Сформированная на поверхности стекла пленка при смене температур не запотевает вследствие того, что полимер является водорастворимым и сорбирует мельчайшие капельки конденсата, растворяя воду и сохраняя позрачность покрытия. Разработанные покрытия могут быть рекомендованы для придания незапотевающих свойств оптическим материалам, эксплуатируемым