當光學器件的表面溫度接近或低于周圍大氣的露點時，它們很容易起霧(形成微小的水滴，分散光學透光率)，導致嚴重的性能損害，甚至對健康和安全造成災難性的后果。親水涂層可以通過立即促進偽膜水凝結來防止表面起霧，但由于水膜增厚，進一步凝結，導致防霧時間短。

近日，中國科學院化學研究所邱東研究員等人報道了一種創新策略，通過加厚堅固的親水/疏水聚合物異質網絡涂層來提高其吸水能力，從而實現更長的防霧時間。該方法的關鍵是結合了強界面附著力和親水/疏水異型網絡結構，避免了典型霧化條件下的界面失效和膨脹引起的褶皺。所研制的防霧涂料在較寬的溫度范圍內，可多次使用，具有較長的防霧時間。涂上這種涂層的眼鏡在兩種典型情況下都能成功保持無霧視力。此外，本研究開發的涂層配方也具有作為水下膠水的潛力，因為它們在潮濕條件下對玻璃和聚合物基板都具有很強的粘附性。相關工作以“Effective Antifogging Coating from Hydrophilic/Hydrophobic Polymer Heteronetwork”發表在最新一期的《Advanced Science》。

具體來說，研究者通過將親水性聚乙烯醇(PVA)和疏水性聚3-(三甲氧基硅基)甲基丙烯酸丙酯(PTPM)組成的親水/疏水聚合物異質網絡進行強粘結涂層，在由硅酸鹽玻璃和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的透明基片上實現了長期的防霧性能。材料標記為PVA/PTPM HN。通過增加PVA/PTPM HN涂層的厚度，提高其吸水能力，顯著延長了防霧時間。同時，異質網絡中的疏水PTPM抑制了親水PVA網絡的過度膨脹，從而防止了褶皺的形成。該涂層玻片可有效避免霧的形成，并在高濕度環境下，在寬溫度范圍(20-100℃)下保持高達30分鐘的高透過率(>85%)，是同類產品中效果最好的。

圖1. 設計厚的親水/疏水聚合物網狀涂層并具有效的防霧性能。

【有效防霧性能的加厚親/疏水聚合物異質網狀涂層設計】

表面涂層的弱結合通常會導致界面失效，隨著厚度的增加會出現斷裂和褶皺(圖1a)。雖然增加黏結強度可以有效地避免界面破壞，但在較厚的網絡膨脹過程中，聚合物網絡中不可避免的不均勻性被放大，即形成褶皺或折痕(圖1b)，使視覺模糊或圖像失真。因此，研究者使用厚的親水/疏水聚合物網狀涂層與強界面結合，以獲得持久的防霧性能。異質網絡中的疏水部分通過防止親水聚合物段的局部過度膨脹，從而抑制大規模不均勻性的形成，保持長期的防霧性能(圖1c)。涂有100µm厚PVA/PTPM HN的玻片表現出持久的防霧能力，在60℃水浴中至少保持300 s的透明，而未涂有PVA/PTPM HN的玻片即使在10 s時也變得模糊(圖1d)。

圖2. PVA/PTPM HN涂層的防霧性能及其長效機理

【堅固的PVA/PTPM HN防霧涂料的構造及防霧性能】

構建親水/疏水聚合物網狀防霧涂層的方法是基于兩步法，包括光聚合和溶劑交換的順序過程(圖2a)。使用圖2a所示的方法，將不同厚度(25,100和200µm)的PVA/PTPM HN涂敷在玻璃上。另外兩個對照c用于比較：PVA-WI和PVA-SI。如圖2b所示，盡管PVA-WI涂層厚度從25µm增加到200µm，但僅5 min后，光透過率仍然急劇下降，同時涂層界面出現破損和褶皺(圖2c，左)。隨著界面結合(PVA-SI涂層)的加強，雖然涂層斷裂被避免，但表面折痕仍然明顯(圖2c，中)，導致透光率下降，持續時間僅稍長(圖2b)。而疏水基團(PVA/PTPM HN)在相同條件下均未出現界面斷裂和折痕(圖2c，右)，隨著厚度的增加，平均透過率的下降明顯延遲(圖2b)，視野清晰時間長達20分鐘。

【PVA/PTPM HN防霧涂料的結構和力學特性】

DMSO的作用非同小可；它使PVA和TPM很好地混合在一起，從而保證形成均勻的、交錯的親水/疏水聚合物異質網絡結構，這對良好的光學透明度至關重要(圖2e)。PTPM通過與硅醇基團的縮合與玻璃表面形成共價結合，顯著提高了PVA/PTPM HN涂層的結合強度。通過搭接剪切試驗(圖2f)， PVA/PTPM HN涂層粘接的兩片玻片具有較強的粘接性能，即在干態下≈1171±147kpa，在濕態下≈1153±58kpa(圖2g)。此外，在PMMA基體上也獲得了較強的粘接強度(干態為914±80 KPa，濕態為987±178 KPa)(圖2g)。PVA/PTPM NH涂層在硅酸鹽玻璃和PMMA上的濕接觸粘附強度遠遠高于文獻中許多商業膠水和高性能聚合物粘合劑(圖2h)。

圖3. 玻片上PVA/PTMP HN防霧涂層的耐溫性和可重復使用性

【PVA/PTPM HN防霧涂料的耐溫性和可重復使用性】

如圖3a所示，在溫度低于或40℃時，這些鍍膜玻片保持了較高的光學透過率(超過85%)，幾乎與時間無關。在較高的溫度下，光學透過率在最初的平臺期后下降，在60℃和80℃時分別在≈20和≈10 min時低于85%，可能是由于形成了超出其吸水極限的多余水層。如圖3b所示，PVA/PTPM HN涂層可以在較寬的溫度范圍(20-100℃)內有效防止玻片上的霧氣形成。此外，經過7次干脹試驗循環后，PVA/PTPM HN涂層均保持了較穩定的水平，分別≈130%和≈80%(圖3c)，保證了長期、反復的防霧性能。由于具有較強的界面附著力和親水/疏水的網狀結構，玻璃載玻片上的PVA/PTPM HN涂層在7個周期的霧化試驗中保持高度透明(光學透過率超過88%)(圖3d,e)，顯示出其長期的防霧性能。

圖4. 使用PVA/PTPM HN涂層的防霧眼鏡。

【PVA/PTPM HN防霧涂層的偽服務性能評價】

在兩種容易產生霧的典型場景下，對鍍膜眼鏡的防霧性能進行了測試。在一種情況下，一個人在室溫下同時戴著眼鏡和口罩(圖4a-c)。未涂布的鏡片(圖4b,c，左)由于吸入大量水蒸氣容易形成霧，而涂布的鏡片(圖4b,c，右)保持高度透明。在另一種情況下，一個人戴著一副眼鏡從寒冷的室外(-15℃)進入溫暖的房間(25℃)(圖4d-f)。在這種情況下，未涂布的鏡片(圖4e,f，左)立即變得不透明。值得注意的是，涂覆后的涂層(圖4e,f，右)保持清晰，表明PVA/PTPM HN涂層具有顯著的防霧性能。

【小結】

這項研究提出了一種高粘接親/疏水聚合物網狀厚涂層，以實現有效的防霧性能。在這一概念下，PVA/PTPM HN涂料被開發出來，從DMSO溶液中開始，最后通過光聚合和溶劑交換進行交聯。這些涂層通過與目標表面形成共價鍵和/或拓撲糾纏，表現出優異的界面粘附性，以避免界面破壞。同時，這種親水/疏水聚合物異型網絡抑制了典型霧化條件下膨脹引起的褶皺的形成。隨著涂層厚度的增加，涂層在較寬的溫度范圍(20 ~ 100℃)暴露于水汽中時，具有較長的防霧性能。因此，與現有的防霧材料相比，PVA/PTPM HN防霧涂料具有更長的防霧時間、高透明度和穩定性等優點。作為概念驗證，PVA/PTPM HN涂層在眼鏡上表現出了高效的防霧性能。研究者預計，報告的方法和材料一般適用于合理設計高性能防霧涂料的商業應用。此外，防霧涂層的開發策略也為玻璃、金屬、聚合物等材料在空氣和水下的通用強膠粘劑的設計提供了思路。