- Поверхностные свойства
- Как и когда появились гидрофобные покрытия
- Методы нанесения гидрофобных покрытий
- Марка семейства многофункциональных покрытий Crizal
- Crizal Prevencia
Необычное название у этого вида покрытий в сущности означает «боящиеся воды» — в отличие от гидрофильных материалов и покрытий, которые, наоборот, воду любят. На самом деле гидрофобные покрытия являются верхними, или завершающими, слоями в сложной многослойной структуре современных многофункциональных покрытий. Сегодня многие компании — производители очковых линз занимаются активной разработкой и усовершенствованием свойств этих покрытий, так как от их качества зависит срок эксплуатации очковых линз и эффективность ухода за ними.
Поверхностные свойства
Мы привыкли, что чернила полностью впитываются в бумагу, нас не удивляет, что вода насквозь пропитывает ткань. Так происходит потому, что эти жидкости хорошо смачивают большинство предметов. В чем причина явления смачивания?
Вспомним свой повседневный опыт: капля воды растекается по чистой поверхности стола, но не растекается по жирной поверхности, на которой принимает форму почти правильного шарика. В первом случае говорят, что вода смачивает поверхность, а во втором – что не смачивает. Явление смачивания/несмачивания – наиболее яркий пример проявления сил взаимодействия между жидкостью и твердым телом. В первом случае сила взаимодействия молекул жидкости друг с другом меньше силы их взаимодействия с молекулами твердого тела. Под воздействием последних, а также силы тяжести жидкость растекается по поверхности твердого тела. Во втором случае наоборот: сила притяжения молекул жидкости друг к другу больше силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, и, как следствие, жидкость принимает форму, близкую к шаровой. Сплющенная форма капельки жидкости – результат действия силы тяжести и взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела.
Явление смачивания или его отсутствия часто встречается в природе и быту. Например, перья водоплавающих птиц смазаны жиром, выделяющимся из специальных желез. Вода не смачивает жир, и поэтому перья остаются сухими даже при нырянии птицы, что отражает пословица «Как с гуся вода». Благодаря явлению смачивания мы можем вытираться полотенцами, мыть посуду, стирать белье. Благодаря отсутствию явления смачивания мы можем ходить под зонтами и в плащах, не промокающих под дождем.
Мерой смачивания является угол q между смачиваемой твердой поверхностью и касательной к поверхности жидкости. Его называют углом смачивания или краевым углом. По значению краевого угла судят и о свойствах поверхности. Краевой угол зависит от того, какое твердое вещество и какая жидкость соприкасаются. Для керосина на поверхности стекла q = 0°, то есть наблюдается полное смачивание. Для ртути на поверхности стекла q = 180°, что означает полное несмачивание. Измерение угла смачивания является традиционной методикой для определения поверхностных свойств какого-либо материала. Краевые углы смачивания определяют методом неподвижной капли и методом капиллярного поднятия.
Если поверхность плохо смачивается, то на ней будут плохо удерживаться различного рода вещества и загрязнения. Именно к этому стремятся современные производители оптических покрытий для очковых линз, пытаясь создать гидрофобные покрытия, которые бы практически не смачивались, то есть обладали бы низкой поверхностной энергией.
Как и когда появились гидрофобные покрытия
Задумывались ли вы над тем, как были открыты гидрофобные покрытия, которые сегодня применяются во многих отраслях промышленности? Как утверждают, все началось с того, что один ученый наблюдал за поведением капель воды на листе лотоса: вода скатывалась с его поверхности совершенно свободно, практически не оставляя следов. Это послужило толчком к разработке материалов с аналогичными свойствами. Впервые гидрофобные покрытия стали применять в очковой оптике в начале 1990-х годов, нанося их поверх просветляющих покрытий очковых линз. Главной причиной их использования было желание преодолеть один из принципиальных недостатков просветляющих покрытий того времени: они труднее очищались от загрязнений, поэтому просветленные очковые линзы выглядели более грязными. Причина этих негативных явлений заключалась в большей шероховатости верхнего слоя просветляющего покрытия, а также в том, что на поверхности просветленных очковых линз загрязнения были видны лучше.
Структура многослойных просветляющих покрытий состоит из чередующихся слоев материалов с высоким и низким показателями преломления. В качестве высокопреломляющего материала могут выступать различные вещества, например соединения циркония или титана, а в качестве материала с низким показателем преломления, как правило, выбирается диоксид кремния SiO2. Структура большинства просветляющих покрытий соответствуют стандартному чередованию слоев: В–Н–В–Н (здесь В и Н – материалы с высоким и низким показателями преломления соответственно), в результате завершающим слоем является диоксид кремния. При нанесении SiO2 в вакууме на поверхность пластмассовых очковых линз, а это производится при достаточно низкой температуре – порядка 50 °С, осажденная пленка диоксида кремния имеет весьма шероховатую поверхность. Естественно, что очистить такую поверхность достаточно сложно, а ее нерегулярная структура способствует удерживанию загрязнений – представьте, что вы пытаетесь чистить кирпичную стену мягкой косметической салфеткой.
Решением этой проблемы и стало нанесение гидрофобного покрытия поверх просветляющего. Гидрофобное покрытие заполняет неровности поверхности, сглаживает их, одновременно снижая коэффициент трения, что облегчает очистку очковых линз. Толщина применяемых гидрофобных слоев очень мала – всего 200 ангстрем (0,00002 мм), но эти сверхтонкие пленки оказывают влияние на химические и физико-химические свойства поверхности, существенно снижая ее поверхностную энергию. В итоге поверхность очковых линз становится водоотталкивающей, а в некоторых случаях и масло- и жироотталкивающей, так как увеличивается и угол смачивания поверхности маслами и жиром. В результате уход и очистка очковых линз становятся проще, да и сами очковые линзы меньше притягивают и удерживают грязь. Еще одним преимуществом гидрофобных покрытий является защита просветляющего покрытия от проникновения влаги, что способствует более длительному сохранению его целостности и адгезии к линзе или упрочняющему слою.
В доказательство вышеизложенного приведем значения угла смачивания поверхности очковых линз. Угол смачивания поверхности очковой линзы с просветляющим покрытием (без гидрофобного) составляет примерно 20°. У органических очковых линз с упрочняющим покрытием угол смачивания от 40 до 60° – в зависимости от состава покрытия. Достаточно хорошее гидрофобное покрытие имеет угол смачивания 108°, а гидрофобные покрытия самых последних разработок обладают еще более высоким углом смачивания – 112–118°.
Методы нанесения гидрофобных покрытий
Первые гидрофобные покрытия наносили методами центрифугирования или окунания в раствор гидрофобного материала, как правило, представляющего собой лак на основе фторсодержащего кремнийорганического соединения, а затем высушивали или отверждали полученный слой на воздухе либо в термостате.
Большинство современных гидрофобных покрытий наносят в вакуумной камере, в которой ранее было нанесено просветляющее покрытие, или же в отдельной специальной камере. Оба этих метода имеют свои преимущества и недостатки, и производители очковых линз сами выбирают, на каком именно методе остановиться.
Примерно два года назад на оптическом рынке появились гидрофобные покрытия с улучшенными свойствами – их краевой угол смачивания составлял 112–118°, в отличие от покрытий предыдущего поколения, у которых его значение лежало в пределах 104–108°. Новые покрытия были не только водоотталкивающими, но и олеофобными. Это означает, что жир от пальцев и ресниц менее виден на поверхности таких покрытий и может быть удален с приложением гораздо меньших усилий. Для пользователей это стало значительным преимуществом – при эксплуатации очковых линз они дольше оставались более чистыми, а ухаживать за ними стало значительно легче. Среди новых покрытий с улучшенными свойствами следует назвать «Crizal Alize’» («Essilor»), «Super Hi-Vision» («Hoya Vision Care»), «Teflon Easy Care» («SOLA»), «LotuTec» («Carl Zeiss»), «Satin» («Satis Vacuum») и др. Технологические процессы и химическая структура применяемых веществ для нанесения гидрофобных покрытий могут различаться, но их основным преимуществом стало обеспечение большего удобства для пользователя очков.
На выставке «SILMO–2004» компания «Indo International» представила новый вариант многофункционального покрытия «Natural», в котором применено гидрофобное покрытие на основе фторорганических соединений новой структуры, что позволило значительно уменьшить пористость поверхности очковых линз. Угол смачивания поверхности водой увеличился до 115°, а маслоподобными веществами – до 72°, и это значит, что очковые линзы с покрытием «Natural» стали еще более водо- и грязеотталкивающими, чем очковые линзы с обычными просветляющими покрытиями. По данным компании «Indo International», очковые линзы с новым вариантом покрытия «Natural» в десять раз более гладкие, чем обычные просветленные очковые линзы, поэтому загрязняющие частицы просто не задерживаются на их поверхности, и в итоге очковые линзы дольше сохраняют чистоту и прозрачность, не требуя частого ухода. Новое гидрофобное покрытие имеет меньшее значение свободной энергии поверхности – 12мДж/м2 (для сравнения: у традиционных просветляющих покрытий – 20 мДж/м2), и это значит, что грязь и частицы пота значительно хуже прилипают к очковой линзе, меньше видны и отпечатки пальцев. На той же выставке компания «Novisia» демонстрировала новое многофункциональное покрытие «Nikon ECC», характеризующееся более высокими водоотталкивающими свойствами – угол смачивания водой для него составляет 113°.
Однако новые супергидрофобные покрытия, столь привлекательные для пользователя, создавали проблемы при обработке очковых линз по контуру. Из-за низкой поверхностной энергии липкие подложки не прилипали к их поверхности, что иной раз приводило к ненадежной блокировке и соскальзыванию в момент обработки по контуру. Для решения этой проблемы компании – производители оборудования и расходных материалов, такие как «Breitfeld & Schliekert», «DAC Vision» и др., разработали специальные прокладки под липкие подложки и новые липкие подложки, что позволило обеспечить прочность блокировки. В свою очередь, компании – производители установок для обработки очковых линз по контуру расширили функциональные возможности своего оборудования, добавив специальный цикл обработки по контуру очковых линз с гидрофобными покрытиями – как, например, на установках «Accura» от «Briot International».
Компания «Essilor» поверх очковых линз с покрытиями «Crizal Alize’» наносит специальный слой для улучшения адгезии поверхности очковой линзы к липкой подложке при обработке по контуру. При работе с очковыми линзами и блокировке линз с «Crizal Alize’» следует соблюдать осторожность: брать их рекомендуется только за торцевые поверхности, так как отпечатки пальцев могут ухудшить адгезию. После шлифовки очковых линз их протирают специальной мягкой бумагой фирмы «Kimberly Clark», удаляя сделавший свое дело верхний слой.
Перспективы дальнейшего развития рынка гидрофобных покрытий очень хорошие. Конечно, оптическая индустрия не может спонсировать дорогостоящие научные исследования, но сегодня спрос на гидрофобные покрытия, обеспечивающие угол смачивания до 140°, чрезвычайно высок во многих других отраслях промышленности. Так, все большим спросом пользуются оконные стекла с водо- и грязеотталкивающими свойствами для остекления как жилых домов, так и промышленных зданий. Такие стекла практически не будут требовать мытья, поскольку грязь не будет прилипать к их поверхности, а скатывающаяся во время дождя вода будет удалять ее. Сегодня на рынке уже появились стеклянные стенки душевых кабин с подобными свойствами. И это значит, что производители очковых линз смогут применить и в своей практике все эти достижения, а мы можем ожидать появления все новых гидрофобных покрытий с еще большими значениями угла смачивания.
Хотя технология и сложные химические вещества для супергидрофобных покрытий достаточно дороги, улучшение оптических свойств очковых линз в процессе эксплуатации и удовлетворенность потребителей в результате их использования будут способствовать их дальнейшему продвижению на рынок очковых линз. Прогнозируется, что новые покрытия будут способствовать и более активному внедрению в повседневную практику оптиков просветляющих и многофункциональных покрытий.