制備超親水性玻璃材料的離子束處理方法
【技術領域】
[0001] 本命的主題是用離子束處理玻璃材料的方法，旨在長時間內(nèi)極大降低霧的形成。 本發(fā)明的方法應用于玻璃襯底，例如透明玻璃襯底（如鏡子、鏡片或玻璃板）的表面，從而 使所述表面獲得親水性，實際上甚至是"超親水性"。
【背景技術】
[0002] 當表面的特征是其水滴的接觸角小于45°時，該表面被認為具有親水性。
[0003] 當表面的特征是其水滴的接觸角小于20°，例如小于10°時，該表面被認為具有 "超親水"性。在這些條件下，表面尤其具有防霧性。
[0004] 眾所周知在寒冷的季節(jié)，汽車的擋風玻璃和車窗玻璃、結(jié)構玻璃和眼鏡被霧遮蓋， 這是由上述物體的表面溫度低于環(huán)境空氣的露點溫度這一事實造成的。然后產(chǎn)生冷凝水， 這根據(jù)所需的能見度條件構成嚴重的麻煩。這種麻煩的表現(xiàn)是，光通過表面上覆蓋的細滴 折射，帶來圖像變形并造成能見度損失。這種視覺麻煩可能，例如增加道路上事故的風險， 或當使用牙科鏡或內(nèi)窺鏡時破壞醫(yī)學診斷。
[0005] 機械設備，例如雨刮器能夠除去擋風玻璃上的霧。也可以向表面施加親水或疏水 化學制品以防止形成霧。然而，這些化學制品的有效性隨時間是有限的，用水重復洗滌足夠 使其消失。
[0006] 存在使表面親水或疏水的方法。
[0007] 可以提及第一種用于覆蓋有聚合物層的鏡子的防霧方法，將聚合物層經(jīng)受紫外 光，然后浸沒在水性堿溶液中以形成高濃度的酸自由基，從而使聚合物表面親水。然而，最 終聚合物的表面被污染物覆蓋，因此逐漸失去其親水的特征。因此需要洗滌，這在相對較短 的時間內(nèi)可能破壞聚合物。
[0008] 可以提及第二種方法，其在于向包含親水基團的單體聚合物層接枝包含疏水基團 的其他單體。在這些條件下，水滴的接觸角不會低于50°，實際上不具有足夠的防霧能力。
[0009] 另一種方法是沉積厚度為幾十納米，實際上甚至幾百納米的金屬氧化物（Ti02、 Sn02、ZnO、Fe203)層，所述金屬氧化物層在UV光的作用下具有引起親水性，實際上甚至是超 親水性的光催化功能，以及抑霉性和防塵性。然而，例如當表面在相對較長時間里置于黑暗 中時，這種親水性，實際上甚至是超親水性可能隨時間變得不那么明顯。因此，親水表面的 性質(zhì)取決于光的強度、位于UV區(qū)的其波長，以及光催化劑的光活化持續(xù)時間。然而在需要 有效防霧性的時候，在非常短時間內(nèi)的非常低強度的UV光也可以阻止表面具有足夠的親 水特征。更準確地，光催化的概念與二氧化鈦材料的銳鈦礦晶體種類密切相關。Ti02是在 合適波長輻照作用下能夠激活游離基反應，造成有機產(chǎn)物氧化的半導體。Ti02在兩個能級 之間的空隙大約是3. 2eV，根據(jù)普朗克關系E=hv，其結(jié)果是只有波長小于或等于387nm 的光子在催化光氧化反應中是有活性的。這種輻照屬于近UV區(qū)，其結(jié)果是光催化向可見區(qū) 的延伸暫時仍是有限的。從實踐的角度看，這些光催化劑在玻璃材料上沉積一層大約200nm 的硅石。
[0010] "玻璃"理解為是指具有玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的非晶態(tài)（無定形）固體。玻璃一般堅硬、 易碎、通常是透明且電絕緣的。玻璃通常由二氧化硅（硅石Si02)和助熔劑組成；制造的主 要成分是沙。在所有類型的玻璃中，最常見的是主要來自硅石、蘇打和石灰的鈉鈣玻璃。低 于其非常高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，玻璃呈現(xiàn)玻璃態(tài)。
[0011] 這導致需要一種方法用于處理玻璃材料的表面，以引入親水性，實際上甚至是超 親水性（防霧），這種性能在非常長的一段時間內(nèi)，抗機械應力、對亮度條件不敏感且在需 要它的任何時刻均有效，優(yōu)選根據(jù)工業(yè)上容易操作的方法，從而能夠大量并以合理的成本 提供這種玻璃材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的是提供一種用于處理玻璃材料的方法，所述方法相對便宜，且能夠 根據(jù)眾多應用的要求處理表面。
[0013] 因此，本發(fā)明提供一種用離子束處理玻璃材料的方法，所述方法包括離子轟擊，其 中：
[0014]-所述離子束的離子選自氮（N)和氧（0)元素的離子；
[0015]-所述離子的加速電壓大于或等于5kV，且小于或等于1000kV ;
[0016] _金屬層的溫度低于所述玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；
[0017]-每單位表面積的離子劑量選自1012個離子/cm2_1018個離子/cm2,從而使玻璃材 料的表面特征向更大親水性（更好的潤濕性）（其特征在于水滴的接觸角小于45° )的方 向改變，實際上甚至向超親水性（其特征在于水滴的接觸角小于20°，優(yōu)選小于10° )的 方向改變。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明選擇離子以及這些離子轟擊的條件能夠有利地獲得玻璃材料親水性 的增加，其表現(xiàn)為經(jīng)處理的玻璃材料的接觸角減小和表面能增加。這些性質(zhì)在減少汽車擋 風玻璃、眼鏡鏡片、光學裝置的透鏡或鏡片或結(jié)構玻璃上霧的形成方面非常重要。防霧性能 表示玻璃材料在減緩、減少或預防霧狀冷凝水的形成上的行為和質(zhì)量。
[0019] 出乎意料地，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明選擇的加速電壓和每單位表面積的離子劑 量的范圍能夠借助離子轟擊選擇其中將親水性向與防霧性相關的超親水性（其特征在于 水滴的接觸角小于20°，優(yōu)選小于10° )增強的實驗條件。
[0020] 這種超親水性對防霧性的作用也被證明對增加光纖光學覆層的表面能非常有利， 因此改進光學覆層周圍的保護覆層（由聚合物制成）的粘附。
[0021] 也可尋找親水性、實際上甚至是超親水性以促進玻璃注射器體中彈性活塞的滑 動。
[0022] 此外，他們還發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法可以在"冷條件下"進行，尤其是在室溫下，適 當?shù)?，在實施所述方法期間將玻璃材料的溫度保持在小于或等于玻璃材料的轉(zhuǎn)變值。因此， 可以有利地預防在玻璃材料體內(nèi)發(fā)生對其機械性能有害的晶體改性。
[0023]根據(jù)本發(fā)明在劑量范圍內(nèi)選擇每單位表面積的離子劑量可以來源于先前的校準 階段，在所述校準階段中用來自N或0的離子之一轟擊預期的玻璃材料組成的樣品?？梢?用根據(jù)本發(fā)明范圍之內(nèi)的多個離子劑量對材料的各個區(qū)域進行該玻璃材料的轟擊，觀察經(jīng) 處理的區(qū)域以根據(jù)該玻璃材料的水滴接觸角或還有通過將樣品相對于水平面傾斜獲得的 相同液滴的最小脫離角選擇合適的劑量。超出這個最小脫離角，水滴滑落并與其他液滴融 合，同時夾帶并去除組成霧的冷凝水。
[0024] 因此可以通過簡單的觀察技術觀察經(jīng)處理的區(qū)域，例如對取自置于桌上的玻璃材 料平面的液滴的圖像，或液滴開始在玻璃材料上移動的傾斜角的記錄。
[0025] 不希望受限于任何一種科學理論，這種現(xiàn)象可以通過玻璃材料中的入射離子生成 的化學鍵的性質(zhì)來解釋。入射離子優(yōu)選以氧化硅或氮化硅的形式與硅重組，形成有利于增 加表面能的高度極化鍵，從而增加初始極性。出乎意料地，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)材料表面呈現(xiàn)極 性，也就是親水性，這可以根據(jù)劑量和注入能量增強至超親水性（水滴的接觸角小于20°， 實際上甚至小于10° )的點。
[0026] 除了與曝光條件無關與防霧性相關的超親水性的加強，本發(fā)明的方法能夠在大約 微米的厚度硬化玻璃材料的表面。因此本發(fā)明的方法表現(xiàn)出增加了表面對環(huán)境機械應力的 抗性的優(yōu)勢。
[0027]根據(jù)不同的替代實施方案：
[0028]-玻璃材料不經(jīng)過任何預先的離子轟擊處理；
[0029]-玻璃材料用貴離子，如Ar、Kr或Xe預處理。這種預處理通過優(yōu)選的原子濺射 機制具有貧化