[发明专利]纳米颗粒溶胶-凝胶复合杂化透明涂层材料

说明书

发明背景

尽管塑料已经用于透明制品且就许多材料性能而言优于玻璃等价物，但是仍存在很多限制其许多应用的物理性能缺点。一个缺点是塑料硬度较软，经常易于划伤。另一个缺点是塑料可能对水或其他化学物质和气体具有相对较差的抗渗性。对于许多开发的技术，如有机太阳能电池、液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(LED)，需要具有非常低的水和氧渗透性的封装剂和涂料。

硬涂层是经常应用于一些塑料以改进其硬度、化学物质和/或气体抗渗性的透明膜。聚硅氧烷硬涂层是一种典型的通过溶胶-凝胶方法制备的硬涂层。用于制备聚硅氧烷硬涂层涂覆的聚碳酸酯或其他聚合物制品的典型涂覆程序通过如下所示：Burzynski等人，3,451,838，Gagnon，3,707,397，Clark，3,986,997，Clark，4,027,073，Goossens等人，美国专利No.4,242,381，Olson等人，美国专利No.4,284,685和Patel，美国专利No.5,041,313，Gillette等人，5,384,159。这种涂层通常在塑料和硬涂层之间需要底漆涂层，且在中等温度如125℃下烘烤高达约1小时以得到对塑料进行化学保护和免受划痕的相对硬表面。尽管相对较硬，但是当与典型无机玻璃相比时，这种溶胶-凝胶衍生的涂层不够硬或不耐用。这种涂层在聚合物基材上的固化温度受聚合物基材的热转变温度如玻璃化转变温度和熔点的限制。

溶胶-凝胶技术制备的透明涂层更接近于无机玻璃，由于溶剂蒸发和缩合副产物如醇的损失而收缩引起的应力，其经常趋于开裂。由于这种开裂趋势，厚度超过1.5μm的涂层通常需要制备多个薄涂层，通常实际限于20-30个涂层。这种通过多个层得到的厚涂层通常不柔韧。厚单层涂层的形成经常通过使用无机/有机复合材料、有机改性陶瓷获得，其中有机组分包括于胶状溶胶-凝胶体系中。通常这些无机和有机部分很少互相贯穿，在这种体系中很少获得具有光学透明性的高硬度涂层。

近来，已经公开了包含纳米颗粒以形成具有提高的耐划痕性同时具有高光学透明性的可光固化涂层组合物。Bier等人，US 7,250,219，公开了甲硅烷基丙烯酸酯与纳米尺寸Al(O)OH颗粒作为可能成分的缩聚，然后通过光引发剂的UV辐照以形成涂层。Walker，Jr.等人，US 7,264,872，公开了包含丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯表面改性的氧化锆纳米颗粒的UV可固化组合物以形成耐用的具有其他UV可固化单体和低聚物的抗反射涂层。Kasemann等人，US 6,482,525，公开了包含具有甲基丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷的勃姆石溶胶以用于可直接施用于大多数塑料基材的UV固化体系。Kasemann等人的实施例表明在这种涂层中观察到低水平雾度。

含有大和纳米尺寸的陶瓷颗粒的具有高抗磨性和高折射率的热固化透明涂层公开于Singhal等人的US 6,939,908中。该涂层组合物可以包含具有相对大的氧化铝纳米颗粒和相对小的陶瓷颗粒的环氧、甲基丙烯酸酯或氨基官能化硅烷或钛酸酯，所述颗粒可以为许多不同金属氧化物、氮化物或碳化物或甚至金刚石中的任意一种。最后，涂层具有高比例的陶瓷纳米颗粒，其可能超过固化涂层的90％。为了形成具有这些纳米颗粒的涂层，工艺由具有非常低固体含量的分散体或溶液进行。尽管没有公开工艺温度，但是该方法需要在真空下蒸发以获得涂层。

随着基于有机聚合物的器件(如LCD显示器和LED发光二极管)应用的增加，更加需要对塑料或其他有机基材具有优异抗渗性的厚的优异耐磨透明涂层，其中可以进行加工而以不破坏底层基材的方式形成单涂层。因此仍需要形成具有高固体含量的透明硬涂层，其用作底层基材的优异扩散阻挡层。

发明简述

本发明的一个实施方案是透明复合杂化涂层，其具有在衍生于包含至少一种可水解硅烷和至少一种可水解金属氧化物前体的混合物的溶胶-凝胶玻璃中分散的直径小于100nm的纳米颗粒，其中所述硅烷中的至少一种包含具有可聚合官能团的非可水解有机基团。通过控制硅烷和可水解金属氧化物前体的比例，在引入可水解金属氧化物前体之前，在较小反应性硅烷的溶液中进行水解，并将纳米颗粒分散在溶胶溶液中，厚度大于5μm的厚涂层可以沉积在基材上而不会形成裂纹或形成光雾。涂层高度透明且对于氧和水而言是一种有效的扩散阻挡层。