单层/多层复合镀膜树脂镜片耐磨性能分析

叶佳意，蒋伟忠，陈丽芸，王立坤，杨建荣，张　朋

(1. 东华大学 a. 研究院； b. 材料科学与工程学院， 上海 201620；2. 上海依视路光学有限公司， 上海 200001)

单层/多层复合镀膜树脂镜片耐磨性能分析

叶佳意1a,1b，蒋伟忠1a,1b，陈丽芸1a,1b，王立坤1a,1b，杨建荣1a,1b，张朋2

(1. 东华大学 a. 研究院； b. 材料科学与工程学院， 上海 201620；2. 上海依视路光学有限公司， 上海 200001)

摘要：采用积分球雾度法对光学镀膜树脂材料进行耐磨性能测试.确立摩擦压力7.35N、摩擦次数1000次作为对膜层耐磨性能进行质量评价时所用的测试条件.比较不同因素组合下树脂镜片膜层的耐磨性能和老化性能，镀单层加硬膜的镜片基材的耐磨性能明显优于镀多层复合膜，镀多层复合膜的镜片基材的老化性能略优于镀单层复合膜.在接近树脂镜片软化、变形的临界温度时，镀单层加硬膜的镜片基材的老化性能明显优于镀多层复合膜.

关键词：雾度法； 树脂镜片； 膜层； 耐磨性能； 老化性能

光学树脂材料作为镜片新材料始于20世纪70年代，其分为热固性树脂材料(如CR-39)及热塑性材料(如PMMA).光学树脂镜片轻且抗冲击性强，安全性好，可吸收紫外线以及良好的光学矫正性能，是玻璃镜片的良好替代品[1].树脂镜片虽然具有多种优点，但其镜片材料硬度低、易磨损、划痕明显，是影响树脂镜片使用期限的主要原因[2].针对这一情况，利用镀膜技术对树脂镜片进行工艺处理，以提高镜片的耐磨性等多种性能，从而提高树脂镜片的实用性和保护性[3].镀膜树脂镜片是在光学树脂镜片的基础上发展而产生的，理想的树脂镜片表面通常做多层复合膜，分别为加硬膜、减反射膜和顶膜.底层为加硬膜，厚度为1.6～2.0μm，多层减反射膜介于加硬膜和顶膜之间，厚度为0.6～0.8μm，顶膜又称抗污膜，厚度为0.005～0.010μm[4].耐磨性和老化性能是镀膜树脂镜片膜层性能的重要特性.

膜层的耐磨性能是指负荷和滑动速度对镀膜摩擦因数和摩损量的影响，它与膜层的硬度、强度、柔韧性和黏着性等有密切关系.镀膜的摩擦因数基本上是随着滑动速度或负荷的增加而减小.镜片耐磨性测试方法的改进，是研究人员促进加硬技术提升的重要手段[5].早期膜层的耐磨性能表征通常采用测试膜层的硬度[6].后来许多研究者还模拟使用者的配戴条件，进行膜层质量评价的测试，包括磨砂法[7]、去离子热水试验、冷盐水试验、蒸汽试验[8]、沸腾盐水试验、去离子冷水试验[9]等.目前采用的钢丝绒法是有效而快速的膜层耐磨性能测试方法之一.老化性能是指镀膜系统在进行第一次大修之前所期望的有效工作年限，它是镀膜材料综合性能的表现.镀膜材料在镀装后干燥成膜，老化性能是一个很重要的技术参数.老化性能取决于镀膜材料本身的质量、镀膜工艺的质量和实际使用环境，对于镀在眼镜镜片上的膜层的老化性能则还受到其基片老化性能的影响.

本文通过改变不同的试验测试条件，如摩擦压力、摩擦次数、膜层性质、温度变化、持续时间，对光学镀膜树脂镜片膜层性能进行测试和分析，确定质量评价时所采用的最佳测试条件及试验参数.

1试验

1.1试验样品

选用顶焦度为(0±0.25)m-1、厚度为(2.0±0.1)mm 的单层/多层镀膜树脂镜片若干片.

1.2试验装置

本文采用000#钢丝绒折叠5层，尺寸一般为40mm×40mm，单层厚度约5mm,质量大于5g.积分球雾度测定仪型号为XL 211 HAZEGARD SYSTEM，可见光透射比τV精度为0.1%，雾度H精度为0.01%，光源为标准C光源.电热恒温鼓风干燥箱型号为DHG-9246A,量程范围为0～300℃，中科美菱冷冻箱型号为DW-FL90, 量程范围为-40～0℃.

1.3测试条件

在温度为(23±5)℃、相对湿度为(50±20)%的环境条件下，摩擦仪和雾度仪接通电源后预热30min.

1.4试验方法

采用积分球雾度仪测定未经摩擦时镀膜树脂镜片材料的初始雾度值，然后对样品进行标记处理，启动摩擦仪，设置不同的压力和摩擦次数，往复摩擦镜片，再用积分球雾度仪测定经摩擦后样品的雾度值.采用电热恒温鼓风干燥箱、冷冻箱、不同浓度的氯化钠溶液对样品进行处理，用积分球雾度仪测定处理前后样品的雾度值.雾度仪每组测量4次，取算术平均值.由式(1)计算镜片摩擦雾度值.

(1)

2结果与讨论

2.1耐摩擦试验中压力和摩擦次数的选择

多层复合膜树脂镜片在不同压力、不同摩擦次数下的雾度值如图1所示.由图1可以发现，当摩擦压力为3.43和5.39N时，随着摩擦次数的增加，镜片的雾度值有所变化，但是并不明显，因此不能较好地反映镀膜镜片膜层的耐磨性能.当压力为7.35和9.31N时，从摩擦次数为1000次起雾度值就有了较明显的上升趋势，与镀膜镜片的初始状态相比变化较大，有利于对试验数据的量化分析和比较.在此基础上，对摩擦压力分别为7.35和9.31N时这两组雾度数据的离散度进行比较，结果如图2所示.由图2可见，摩擦压力为7.35N时的雾度试验数据的离散度要小于9.31N时数据的离散度，这样不仅说明数据的误差较小，同时也使得试验的可重复性提高，因此，建议选择摩擦压力7.35N、摩擦次数1000次作为镀膜树脂镜片膜层的耐磨性能评价的测试条件.

图1　　　　多层复合膜树脂镜片在不同压力、　　　不同摩擦次数下的雾度值Fig.1　　　　Haze values of spectacle lenses with multiple coatings under different pressure and friction times

图2　　　　多层复合膜树脂镜片在不同　　　压力下雾度值的离散度比较Fig.2　　　　Haze values dispersion of spectacle lenses with　　　multiple coatings under different pressure

2.2单层加硬膜与多层复合膜树脂镜片膜层的耐磨性能

单层加硬膜与多层复合膜树脂镜片分别在相同压力下摩擦不同次数和不同压力下摩擦相同次数后的雾度值比较如表1和2所示，两种不同膜层的树脂镜片在7.35N/2000次试验条件下的外观形貌比较如图3所示.由表1和2以及图3可知，单层加硬膜树脂镜片的耐磨性能明显优于多层复合膜的树脂镜片，这可能与多层复合膜的下述几点因素有关.

表1　　　　单层加硬膜和多层复合膜树脂镜片在相同

表2　　　　单层加硬膜和多层复合膜树脂镜片在不同

(a) 单层加硬膜

(b) 多层复合膜

图3单层加硬膜和多层复合膜树脂镜片在7.35N/2000次试验条件下的外观形貌比较

Fig.3Appearance comparison of spectacle lenses with single and multiple coatings after 2000 friction times at 7.35 N friction pressure

首先，与减反射膜的结构有关.减反射膜层呈现孔状结构，在一定程度上削弱了膜层的耐磨性能，在减反射膜层上面再镀上一层极薄的抗污膜，虽然可以覆盖多孔的减反射膜层，但是这并不能从本质上改变减反射膜的结构，因此尽管在镀加硬膜的基础上镀多层复合膜，但是减反射膜的孔状结构仍可能影响树脂镜片的耐磨性能.其次，由于镀加硬膜时常采用化学浸渍法，使得加硬膜本身的成分或多或少浸润至树脂镜片的基材中，因此镜片与膜层的紧密度相对较高；而镀多层复合膜主要采用真空离子溅射的方法，这种方法不可能使膜层材料直接渗透进镜片基质，因此膜层与镜片的结合度就没有加硬膜高，从而影响了膜层的耐磨性能.

2.3单层加硬膜与多层复合膜树脂镜片膜层的耐老化性能

2.3.1盐水试验

在不同浓度盐水条件下放置72h，单层加硬膜与多层复合膜树脂镜片的老化性能测试结果如表3所示.

表3　　　　不同浓度盐水条件下单层加硬膜和

由表3可以发现，在不同浓度的盐水中放置一定时间后，镀两种膜层的树脂镜片的雾度值都发生了变化，虽然这种改变并不明显，但在相同的盐水浓度和放置时间下，镀单层加硬膜的树脂镜片的雾度值改变稍大于镀多层复合膜的树脂镜片，因此其比镀多层复合膜树脂镜片更容易被刮伤.

3.3.2高温和低温试验

单层加硬膜与多层复合膜树脂镜片在不同温度下放置不同时间后雾度值变化如图4所示.由图4可知，在-18和55℃下放置不同时间，两种膜层的树脂镜片雾度值均没有明显的变化.随着试验时间的延长，两种膜层的树脂镜片雾度值均会增加，两者之间的差别不大，但镀单层加硬膜的树脂镜片在高、低温下的耐老化性能稍逊于镀多层复合膜的树脂镜片.

(a) -18℃

(b) 55℃

图4单层加硬膜和多层复合膜镜片在不同温度下放置不同时间后雾度值的比较

Fig.4Haze values comparison of spectacle lenses with single and multiple coatings under different temperatures and time

2.3.3临界温度试验

单层加硬膜和多层复合膜树脂镜片在75℃(该温度已接近树脂镜片材料软化变形临界温度)的烘箱中放置2h后的试验结果如表4和图5所示.由表4可见，多层复合膜树脂镜片在试验前后雾度值变化比单层加硬膜树脂镜片明显.由图5可知，多层复合膜的树脂镜片表面已经出现了龟裂等可见且不可恢复的受损现象，而单层加硬膜树脂镜片表面没有明显的目视可见损伤.由此可见，在临界温度试验条件下，单层加硬膜树脂镜片的耐老化性能要好于多层复合膜树脂镜片.这可能是因为多层复合膜各膜层间的膨胀系数各不相同，膜层与膜层的结合发生移位，从而导致这种明显龟裂情况的发生.

表4　　　　单层加硬膜和多层复合膜树脂镜片在75℃烘箱

(a) 单层加硬膜 　(b) 多层复合膜

图5单层加硬膜和多层复合膜树脂镜片在75℃的烘箱内放置2h后的外观形貌比较

Fig.5Appearance comparison of spectacle lenses with single and multiple coatings after 2 h in an oven of 75℃

3结语

本文通过对单层加硬膜与多层复合膜树脂镜片的耐磨和耐老化性能进行测试和分析，得到以下结论：

(1) 确立摩擦压力7.35N、摩擦次数1000次作为对膜层耐磨性能进行质量评价时所用的测试条件；

(2) 通过相同压力下不同摩擦次数和不同压力下相同摩擦次数的试验比较发现，单层加硬膜树脂镜片的耐磨性能明显优于多层复合膜树脂镜片；

(3) 两种膜层的树脂镜片的耐老化性能没有显著的区别，单层加硬膜的树脂镜片在高、低温下的耐老化性能稍逊于多层复合膜的树脂镜片，在接近树脂镜片软化变形的临界温度时，单层加硬膜树脂镜片的耐老化性能要好于多层复合膜树脂镜片.

参考文献

[1] 陈雄.树脂镜片的表面处理[J]. 中国眼镜科技杂志，2000,4(3):24-25.

[2] 王承遇，陶瑛.玻璃表面装饰[M].北京：新时代出版社，1998:55-56.

[3] GOERSH H. Handbook of ophthalmic optical [M].German: Springer-Verlag Gmb H&Co.KG, 1991:258.

[4] KELLER E. Optical coatings improve performance[J].R&D Magazine，2001,43(7):51.

[5] 唐晋发,郑权.应用薄膜光学[M].上海：上海科学技术出版社，1984:201-202.

[6] URREAGA J M, MATIAS M C, LORENZO V,et al. Abrasion resistance in the tumble test of sol-gel hybrid coating for ophthalmic plastic lenses [J]. Materials Letters, 2000, 45(6): 293-297.

[7] CHOU B R， HOVIS J K. Effect of multiple antireflection coating on impact resistance of Hoya Phoenix spectacle lenses[J]. Clinical and Experimental Optometry, 2006,89(2):86-89.

[8] SCHOTTENER G, ROSE K, POSSET U. Scratch and abrasion resistance coatings on plastic lenses:State of the art, current developments and perspectives[J].Journal of Sol-Gel Science and Technology,2003,27(1):71-79.

[9] SAMSON F. Ophthalmic lens coatings[J].Surface and Coatings Technology,1996,81(1):79-82.

Abrasion Resistant Performance Analysis of Optical Single and Multiple Coatings of Spectacle Lenses

YEJia-yi1a, 1b，JIANGWei-zhong1a, 1b，CHENLi-yun1a, 1b，WANGLi-kun1a, 1b，YANGJian-rong1a, 1b,ZHANGPeng2

(a. Research Institute； b. College of Materials Science and Engineering, 1. Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Shanghai Essilor Optical Co.Ltd., Shanghai 200001, China)

Abstract:The abrasion resistant performance of resin materials with optical coatings was characterized by integrating sphere haze method. It was confirmed the testing condition rubbing for 1 000 times at 7.35 N friction pressure was the best to evaluate the quality of layer. By comparing different combinations of factors on abrasion resistant and aging performance, single hard coatings of spectacle lenses were better than multiple coatings of spectacle lenses on abrasion resistant. Multiple coatings of spectacle lenses were slightly better than single hard coatings of spectacle lenses on aging. Around softening or deformation temperature of spectacle lenses, single hard coatings of spectacle lenses were better than multiple coatings of spectacle lenses on aging.

Key words:haze method; spectacle lenses;coatings; abrasion resistant performance; aging

文章编号：1671-0444(2016)02-0204-04

收稿日期：2015-03-13

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(14D110624)

作者简介：叶佳意(1977—)，女，浙江台州人，讲师，硕士，研究方向为镜片材料的性能与表征.E-mail：jiayiye@dhu.edu.cn

中图分类号：TS 959.6+1

文献标志码：A