采用溶胶-凝胶法制备有机-无机杂化薄膜，以提高塑料基材的耐刮擦性和抗污性能

《Thin Solid Films》：Fabrication of Organic-Inorganic Hybrid Thin Films Using Sol-Gel Method to Improve Scratch Resistance and Anti-Fouling of Plastic Substrates

曲面显示盖板抗污抗刮涂层制备及其性能研究。采用溶胶-凝胶法将TEOS、GPTMS、DTMS制备有机-无机杂化涂层，在PMMA基材上实现92%-93.3%透光率，2.18nm以下表面粗糙度，95°水接触角和5H铅笔硬度，经200,000次弯曲测试验证柔性适用性。

　　近年来，随着电子设备的不断发展，曲面显示屏在智能手机、显示器和汽车行业中引起了广泛关注。这类显示屏不仅具有独特的外观设计，还能够提升设备的用户体验。为了确保曲面显示屏的稳定性和耐用性，其保护层需要具备一系列优良的性能，如抗刮擦性、防污性、高透明度等。因此，研究人员致力于开发能够满足这些需求的新型涂层材料，以提升曲面显示屏的使用价值和市场竞争力。

在众多涂层材料中，有机-无机杂化涂层因其独特的性能而受到重视。这类材料结合了有机物的柔韧性和无机物的高强度，同时具备良好的热稳定性和化学稳定性。相比传统的单一材料涂层，有机-无机杂化涂层能够更全面地满足曲面显示屏的保护需求。例如，一些研究表明，使用有机-无机杂化材料可以有效提高显示屏的透明度，同时增强其抗刮擦和防污能力。这些特性使得有机-无机杂化涂层成为一种理想的保护材料，尤其适用于需要长期使用和频繁接触的曲面显示屏。

目前，制备有机-无机杂化涂层的方法主要有溶胶-凝胶法。这种方法通过硅烷前驱体的水解和缩聚反应，能够在较低的温度下形成均匀的涂层。相比其他复杂的制造工艺，溶胶-凝胶法具有成本低、能耗少和易于大规模生产的优点。这使得它成为一种适合工业化应用的涂层技术。在实际应用中，研究人员通常选择金属醇盐作为基础材料，如四乙基硅酸盐（TEOS），因为它能够与水发生反应，形成硅酸盐网络，从而增强涂层的结构稳定性。此外，通过引入有机硅烷，如3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）、苯基三甲氧基硅烷（PTMS）和癸基三甲氧基硅烷（DTMS），可以进一步优化涂层的性能。

在本研究中，研究人员采用溶胶-凝胶法，通过混合GPTMS、PTMS和DTMS，制备了一种不含氟化物的有机-无机杂化涂层溶液。该溶液被用于在不同基材上制备涂层薄膜，包括玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。这些基材的选择是为了模拟实际应用环境，从而评估涂层在不同条件下的性能表现。研究结果显示，制备的有机-无机杂化涂层在550 nm波长下表现出高达92.0%至93.3%的光学透明度，这表明其在可见光范围内具有良好的透光性能。此外，涂层表面的粗糙度（RMS）被测量为2.18 nm或更低，进一步证明了其表面的平滑性和均匀性。

值得注意的是，当TEOS:GPTMS:DTMS的摩尔比为1.0:0.1:0.1时，涂层表现出优异的防污性和高疏水性，其水接触角达到95度，同时具有5H铅笔硬度。这些性能表明该涂层不仅能够有效防止污染物附着，还能在受到物理摩擦时保持较高的硬度，从而提升曲面显示屏的耐用性。此外，研究人员还对涂层的柔韧性进行了测试，通过200,000次弯曲循环实验，验证了其在复杂曲面结构上的适用性。这表明该涂层不仅具有优良的物理性能，还能在实际应用中保持结构的完整性。

为了进一步验证涂层的性能，研究人员对涂层的化学结构和热性能进行了分析。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）技术，研究人员观察到了硅氧键（Si-OH）和碳氢键（C-H）的特征峰，这表明涂层中有机和无机成分之间的化学反应已经成功进行。此外，热性能的测试结果表明，该涂层具有良好的热稳定性，能够在较高温度下保持结构的完整性，从而适用于多种环境条件下的曲面显示屏。

在实际应用中，研究人员还考虑了涂层的环保性。由于传统的氟化物涂层存在一定的毒性，容易在环境中积累并对人体健康造成威胁，因此近年来的研究更多地转向不含氟化物的有机-无机杂化涂层。这些新型涂层不仅能够满足曲面显示屏的保护需求，还能减少对环境和人体的影响。此外，研究人员还对涂层的可扩展性和可调性进行了评估，以确保其能够适用于不同尺寸和形状的曲面显示屏。

为了进一步提高涂层的性能，研究人员还对涂层的制备工艺进行了优化。通过调整溶胶-凝胶反应的条件，如反应温度、反应时间以及前驱体的浓度，研究人员能够更好地控制涂层的结构和性能。例如，适当提高反应温度可以促进硅烷前驱体的水解和缩聚反应，从而形成更致密的硅氧网络，提高涂层的硬度和疏水性。而适当延长反应时间则有助于形成更均匀的涂层，提高其透明度和防污性。

此外，研究人员还对涂层的表面形态进行了详细分析。通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等技术，研究人员能够观察到涂层表面的微观结构和粗糙度。这些分析结果表明，该涂层不仅具有良好的表面平滑性，还能在不同基材上形成均匀的涂层。这为涂层的广泛应用提供了理论支持。

在实际应用中，研究人员还考虑了涂层的可加工性和适应性。由于曲面显示屏通常需要复杂的曲面加工，因此涂层材料需要具备良好的可塑性和适应性。通过在不同基材上进行涂层实验，研究人员验证了该涂层在复杂曲面结构上的适用性。这表明该涂层不仅能够满足曲面显示屏的保护需求，还能适应不同的加工条件。

为了进一步验证涂层的性能，研究人员还进行了多种测试。例如，通过摩擦测试，研究人员评估了涂层的抗刮擦性；通过水接触角测试，研究人员评估了涂层的疏水性；通过表面粗糙度测试，研究人员评估了涂层的平滑性。这些测试结果表明，该涂层在多种性能指标上均表现出优异的性能，能够满足曲面显示屏的高要求。

综上所述，本研究通过溶胶-凝胶法成功制备了一种不含氟化物的有机-无机杂化涂层，该涂层在光学透明度、抗刮擦性、防污性和柔韧性等方面表现出色。这些性能使得该涂层成为一种理想的保护材料，适用于多种曲面显示屏的工业应用。此外，研究人员还对涂层的化学结构和热性能进行了详细分析，进一步验证了其在复杂环境下的适用性。这些研究成果不仅为曲面显示屏的保护技术提供了新的思路，也为相关行业的材料研发提供了重要的参考。