- 可以通过简单地应用和加热市售材料来形成
- 防雾功能提高了高温环境下镜片和玻璃的可视性
- 有助于抑制太阳能电池板等的效率下降
纳米复合薄膜新开发技术及功能概述
※A穗积等人朗缪尔该数字已从 2022 年开始修改（参考文献 1）。
版权所有 2022 美国化学会。
米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）极端功能材料研究部材料表面界面组首席研究员Tomoya Sato和研究小组组长Atsushi Hozumi开发了一种方法，可以轻松生产具有持久防雾性能和快速自我修复划痕的透明薄膜。这是由 AIST 独立开发的。纳米复合材料这是一种改进材料成分和制造工艺的方法。它可以使用极其简单的方法制造，包括将市售原材料与最佳成分混合，并且物理划痕的自我修复从以前需要24至48小时可以缩短至3小时。
该技术可以长时间抑制镜片和玻璃等透明基材的起雾，有望提高用户的可视性和安全性，并防止医疗/分析设备、传感器、太阳能电池板等的效率下降。
这项技术的详细内容可以参见美国化学会2022年8月3日（美国东部时间）出版的学术期刊《朗缪尔''（参考文献 1）。
当玻璃和塑料等透明基材暴露在高湿环境中温度急剧变化时，表面会形成水滴，由于光散射而导致“起雾”（以下简称“起雾”）。起雾会降低汽车和建筑物窗户以及透明冰箱的能见度，并降低医疗/分析设备、传感器和太阳能电池板的效率。近年来，由于佩戴口罩预防传染病而导致眼镜镜片起雾已成为常见问题，因此希望开发抑制起雾的技术（防雾处理）。
传统防雾处理的一个例子是二氧化钛 (TiO2)，无机(SiO22，ZnO)或有机材料(表面活性剂、水溶性聚合物等)施用于表面的方法。然而，许多这些表面由于物理损坏（例如裂纹和磨损）而丧失功能。
AIST一直致力于开发新的防雾处理技术，旨在克服上述问题。到目前为止，水溶性聚合物聚乙烯吡咯烷酮和氨丙基9950_9966人造粘土粒子相互作用 (静电相互作用和氢键)制成的透明纳米复合材料。使用这种纳米复合材料制成的薄膜具有超亲水性、防雾性、自修复性、抗菌/真菌性、水下超疏油性等许多优异的功能。2016 年 10 月 7 日 AIST 新闻稿）。我们还通过对基材进行预处理和添加各种功能性分子，成功地增强了薄膜的功能性（赋予粘合性、水下稳定性和防污性（拒油性）），并开发了适用于大面积基材的成膜技术。
然而，在现有技术中，粘土颗粒是预先制备好的硅烷偶联反应进行表面改性、纯化和回收后，需要在聚乙烯吡咯烷酮中分散和络合。结果，制作时间长达数天，效率低下，实用上仍存在问题。此外，由于薄膜的交联主要依靠静电相互作用，静电相互作用比氢键更强，因此薄膜需要24至48小时才能自我修复。
所以这一次，我们在工业上使用积分混合法该方法基于硅烷偶联反应无机填料以及细颗粒的表面并将其均匀分散到聚合物中，可以在短时间内轻松生产复合材料。采用这种方法，不仅不需要对人造粘土颗粒进行预处理，而且还可以提高人造粘土颗粒的质量。硅烷偶联剂的数量添加后，可以根据需要控制薄膜中氢键和静电相互作用的比例。通过增加新开发的薄膜中氢键的比例，物理划痕在大约三个小时内闭合，从而可以显着缩短自愈所需的时间。
在新开发的技术中，将通过在水中同时混合聚乙烯吡咯烷酮、人造粘土颗粒和含氨基的水性硅烷偶联剂而获得的前体溶液（所有这些都是市售产品）涂覆到基材上旋涂只需加热和干燥即可形成纳米复合材料薄膜。该技术除了简单混合原料的简单性外，还具有可以任意改变所用聚乙烯吡咯烷酮的分子量和硅烷偶联剂添加量的优点。
由适当的成分制成的纳米复合材料，例如硅烷偶联剂添加量约为1 wt%的成分，表现出优异的透明度，允许90%以上的可见光透过，使得可以在不影响设计的情况下在各种无机和有机基材上形成薄膜（图1）。它还具有良好的附着力（ISO 2409 和 JIS K 5600-5-6 横切方法)而剥落。
图1 涂有所开发的纳米复合薄膜的各种有机/无机基材的外观
此外，即使在恶劣的环境下，这种纳米复合薄膜也表现出优异的防雾性能。冷却后，涂有最佳成分的纳米复合材料薄膜的载玻片根本不会起雾，即使暴露于潮湿空气（图2a）或来自加湿器的潮湿空气（图2b）时也是如此。这是因为薄膜会立即吸收水蒸气并防止形成导致浑浊的水滴。我们已经确认，即使载玻片连续暴露在高温、高湿空气中（图2c）或放置在高湿环境中（图2d），这种优异的防雾性能也能持续很长一段时间（7天）。
图2 纳米复合薄膜载玻片在不同环境下的防雾性能
(a) 在冰箱中冷却至 4℃，然后暴露于高湿空气（室温，相对湿度 60% 或更高），(b) 在加湿器喷嘴附近暴露于高湿空气（室温，相对湿度 80% 或更高）10 秒，(c) 高温高湿空气（直接在烧杯中的 80℃ 热水之上，约 50℃，相对湿度 80% 或(d) 在高湿度环境下放置7天（在装有加湿器的手套箱中，室温，相对湿度80%以上）
此外，这种纳米复合薄膜具有高吸湿性和溶胀性，只需将其置于高湿度环境中即可快速自我修复物理划痕。使用传统薄膜（厚度：约 700 nm），自我修复手术刀（最大宽度约 30 μm）造成的伤口需要 24 至 48 小时（图 3a，顶部）。另一方面，使用新开发的复合薄膜（厚度：约700 nm），大部分划痕在短短30分钟内就闭合，并在3小时内恢复正常（图3a，底部）。
传统上，静电相互作用主要负责薄膜中的交联，但由于这些静电相互作用是比氢键更强的键，因此自修复需要时间。利用新开发的技术，只需将原材料以最佳成分混合即可显着缩短自修复所需的时间，因为薄膜中的各个成分通过弱相互作用（主要是氢键）连接。我们推测这种优异的自愈性能是由以下原因引起的：1）由于吸收空气中的水分而导致薄膜膨胀和表面移动，2）接触界面处各组分的相互扩散，以及3）薄膜内相互作用的重新形成（图3b）。迄今为止，这种自愈特性一再持续存在，
落沙测试引起的不规则划痕也有效。 （小于几十微米，会使表面变粗糙并降低传输特性）。
图3（a）光学显微镜图像显示使用传统技术（上）和新技术（下）制备的纳米复合薄膜表面划痕的修复过程
和(b)纳米复合薄膜的估计自修复机制
未来计划
未来，我们将与企业合作，强化所开发的纳米复合薄膜的硬度、耐久性、附着力等功能。此外，我们还将评估前驱体溶液的稳定性，确认薄膜的安全性，并考虑适合大面积基板和曲面基板的涂层方法，目标是在合作三年内实现商业化。
论文信息
已出版的杂志：朗缪尔
论文标题：基于整体混合方法的透明复合薄膜显示出持久的防雾和可重复的自修复性能
作者：Tomoya Sato、Asei Amano、Gary J Dunderdale、Atsushi Hozumi
DOI:101021/acslangmuir2c01085