以聚四氟乙烯(PTFE)為代表的氟樹脂具有低表面能，表現出獨特的功能如耐污性、不粘性、耐酸性、耐熱性和低摩擦性，在工業上非常有用廣為人知。然而，由於該樹脂無法形成透明塗層，加以皮膜的形成需要高熱，因此無法用於透明樹脂的防污功能。

近年來，利用這類氟樹脂的獨特優點，已有多種可在室溫下形成透明薄膜的塗層劑被開發出來並投入實際應用。接下來，我們要特別介紹可用於塑膠薄膜或透明樹脂上的防污或減少指紋的氟素塗層劑。 

1. 氟素塗層劑的防污機制
   如表1所示，氟素化合物是固體物質中表面張力最低的一組物質，其表面張力約為6-30mN/m。
   附著於樹脂表面的污漬如指紋、皮脂污漬、水垢等源自液體的濕污漬，由於其成分的分子與樹脂表面之間的吸引力所產生的分子間力(= 表面張力)而附著於樹脂表面。就樹脂而言，其表面張力本來雖低於無機化合物，但說低不低的表面張力碰到樹脂成分的親油性，油脂污漬就黏附上去了。透過使用氟素塗層劑，可以顯著降低樹脂表面的表面張力，從而可以減少這些污漬的黏附；此效果特別表現在使用纖維擦拭除去污垢時的容易度。
   對於親水性纖維材料如棉或聚乙烯醇(PVA)製成的人造 麂皮，存在結構中的羥基導致纖維分子具有高表面張力，透過分子間力吸引水和油等分子進入，將這些液體向上吸。這種現像也稱為毛細現象
   毛細現象可以約略地解釋為如圖-1所示，作用在毛細管內表面和進入內部的液體分子之間的張力(W1)與作用在毛細管內部的液體上的重力(W2)之間的拉鋸戰。當管子越細而W2較小時，液體就上升。污垢去除能力也是類似的，並且取決於三個因素的平衡：污垢對基材表面的黏附力(W3)、纖維和污垢(液體)之間的作用力(W1)以及重力(W2)。如果W3夠小，W1相對地就能起作用，污垢成分就會被吸引到纖維一側，更容易去除污垢。
   
    
2. 防污氟素塗層劑的防污氟素塗層劑的種類及其特徵
   用於減少指紋附著和防污的氟素塗層劑大致可分為兩大類型；底下簡要介紹其特點。
   2-1. 矽烷偶聯型防污塗層劑
   使用氟素矽烷偶聯劑作為塗料成分的類型。塗覆後，透過矽烷偶聯反應與玻璃、金屬等基材結合，在表面形成單分子氟樹脂層。
   這種結合型態的塗層成分具有優異的附著力和耐磨性。此外，由於單分子層的厚度約為10-20nm，因此肉眼不可見且不會損害塗佈材料的外觀或光學性能。此外，即使塗層成分由於漸進磨損或老化而剝離，這種剝離也是屬分子層次，肉眼檢測不到。所以，外觀不會變得斑駁，也不影響被塗佈物的外觀。
   同時，由於它具有高附著力且塗膜厚度不足以造成塗膜的刮擦，因此具有出色的耐刮擦性。從這些角度來看，可以說它是最適合作為防止指紋附著的塗層劑。然而，如果表面沒有羥基或羧基，例如一般塑料，則不會發生這種偶連反應，組分將無法相互粘附。在這種情況下，需要使用聚矽氮烷(polysilazane)或四烷氧基矽烷(tetra alkoxysilane)等預處理劑在基材表面形成二氧化矽底漆，然後再使用防污塗層劑處理表面。
   
   當這種塗層劑最初出現在市面上時，氟樹脂層採用的是全氟烷基類(Rf類)矽烷偶聯型；最近出現了全氟聚醚類(PFPE類)產品，Rf基型的水接觸角為117°，PFPE基型為110°，PFPE基型的水接觸角雖較低，但其實際防污性能和滑爽性要高得多，因此PFPE基型的產品漸成為主流。
   這種塗層劑可以使用噴塗或浸漬等常規方式進行塗佈；由於其分子量約為4000，因此也可以使用真空蒸鍍法進行表面塗佈。真空蒸鍍的塗層非常耐用，可用於眼鏡鏡片和觸控面板上的指紋防污。但這種方法的製程成本較高，因此較便宜的產品逐漸轉向使用更具成本效益的濕式製程進行塗佈。
   2-2. UV硬化型防污塗層劑
   此系統有兩種主要類型：添加到紫外線硬化樹脂中的添加劑型，以及已經混合了紫外線硬化樹脂和反應引發劑可以直接使用的塗料型。紫外終照射硬化的特點是硬化速度快，適合採用卷對卷等方式在塑膠薄膜上高速連續塗佈。
   硬化反應是由自由基聚合引起的交聯反應，聚合受到氧氣的抑制，因此需要隔絕氧氣在氮氣下進行曝光，或在正常條件下使薄膜更厚。另外，塗佈後的表面外觀具有光澤的外觀。圖4顯示了塗佈的製程和化合物的結構。在風乾過程中，結構中的PFPE基浮到表面，即使添加少量(約1%固含量)也能發揮作用。表2 顯示了我們原型製作的UV硬化防污塗層劑與上一節中所述的反應型防污塗層劑之間的整體比較。
   表2 矽烷偶聯型和UV硬化型的比較
   
    
3. 氟素塗層劑的耐磨性評估
   從防污性能和減少指紋附著力實用的角度來看，通常透過摩擦測試使材料磨擦損耗並測量接觸角來評估附著力和耐久性。本節將介紹這些防污塗料的評估方法。
   測試塗膜附著力常用的劃格試驗和膠帶試驗是觀察膠帶黏合強度與塗膜黏合強度差異的試驗，其結果受塗膜表面張力的影響；因此，不適用於撥水撥油處理劑或防污塗層劑的附著力測試，在此就不介紹。
   3-1. 防污性能評估
   傳統上，水或油的靜態接觸角被當作防污性能和減少指紋附著的一般指標。但是，最近一些觸控螢幕製造商在評估防污、減少指紋附著等新需求時，僅評估水的靜態接觸角。單獨的水接觸角實際上是無法提供皮脂污漬和指紋附著力(指紋附著力的減少、指紋的易擦性)的有效評估結果。
   指紋的主成分為皮脂；若僅以水的靜態接觸角來評估，水的表面張力相對於指紋成分過高，無法有效評估指紋附著力。例如，當表面塗有矽基化合物時，矽基化合物的表面張力為24-30 mN/m(表1)，因此水(72.8 mN/m)可以達到100°以上的靜態接觸角而輕易排除。然而，對於具有相近表面張力(27.6 mN/m)的正十六烷類的油性成份卻無法排除。(表3)
   這說明了矽基化合物表面在防止指紋黏附方面根本沒有任何作用，並且可以看出水的靜態接觸角並非對減少指紋附著性能的適合評估。在實用情況下，當防污塗膜因磨損而功能劣化時，常會發現與靜態接觸角沒有相關性。
   表3 液體的表面自由能
   

   對日常生活實際使用的物體而言，指紋的附著機制總是伴隨著動作，所以需要從污垢的附著能的角度來評估。因此，動態接觸角的量測比靜態接觸角更合適。
   為了評估防指紋附著性能，如前所述，由於指紋的主成分是皮脂，因此在動態接觸角測量中，油脂成分的評估要比水的評估來得更重要。一般是使用和指紋成份相近的物質如正十六烷(hexadecane)、油酸(oleic acid)和三酸甘油酯(triglyceride)等來進行動態接觸角測量。 JIS-K2246也提到了人造指紋液，但這些是用來評估防腐蝕功能的，因其不含任何油脂成分，並不適合用來評估防污性能。
   此外，在實際測量動態接觸角時，經常會看到測量值有幾度的偏差。這是由於被測物體表面的波動(接觸表面的潤濕和聚合物的翻動)，以及周圍環境(溫度、濕度、氣流、振動)而產生的。因此，最好在同一樣品表面上進行約5至8次的測量，以求取平均值和誤差。
   接觸角測量的日本官方標準可在「JIS R3257基板玻璃表面潤濕性測試方法」中找到，該標準可以在日本工業研究委員會的網站上查看和購買。3-1-1. 滑落法
   滑落法的動態接觸角測量包括以1°的增量傾斜接觸角測量台，以專用高速影像處理器測量液滴開始滑落的角度(滑落角)，和液滴滑落時的前進接觸角、後退接觸角。
   圖-5 接觸角計                                                 圖-6 接觸角計測量畫面
   
    

   從這3個接觸角和液滴的量，可以推算液滴附著在固體表面的附著能。滑動角和後退接觸角的數值與指紋附著力有很高的關連性。滑動角越小，則附著能越低；後退接觸角越大，則表面張力越低。因此，如果這些數值表現好，可以說其防污性，特別是指紋除去性高。
   液滴是否從固體表面滑落取決於液體附著到固體表面的力與重力之間的向量大小的差異。(圖-7)
   圖-7 以滑落法量測動態接觸角
   

   為此，有必要對待測液滴的重量進行標準化。但是，目前市面上的接觸角計均沒有可維持待測液重量恆定的機構。上述藉影像處理的滑落法進行接觸角測量的接觸角計乃是具備透過影像處理以投影面積求得體積的功能。
   目前，待測液的體積值尚無官方標準。由於每個公司都根據自己的液體容積標準來進行量測，因此單單以滑落角的數值比較是無意義的。作癬參考，本公司實際測量使用的值是：液溫25℃、水25μl、正十六烷5μl。
   3-2. 耐磨性的評估
   一般耐磨性測試係採用摩擦測試儀進行，以摩擦前和摩擦後的接觸角來比較性能。摩擦測試儀有兩種類型：一種是透過重複摩擦來測量摩擦係數(圖-8)，另一種是單純地施加機械摩擦來劣化試片表面(圖-9)。前者測量摩擦係數，依摩擦係數的變化判斷防污塗層的剩餘狀態，十分方便。
   圖-8 摩擦測試機  摩擦係數量測裝置                                                圖-9 摩擦測機
   
   3-2-1. 觸控面板廠的評估實例
   有些觸控面板製造商用下表條件進行摩擦，依據水的靜態接觸角來評估耐磨性。 
   表-4 觸控面板製造商的摩擦測試條件例 
   
   在這個條件例的情況下，防污層和底層材質有可能被鋼絲絨刮傷。另外，基於前述原因，僅根據水的靜態接觸角很難準確地評估防污性的劣化狀態。
   3-2-2. 本公司的建議
   本公司係依據自訂的條件進行耐久性摩擦測試。(表-4) 由於消費者最常見的擦拭污垢行為似乎是使用紙巾或衣服，因此我們選擇紙巾作為摩擦材料。在這些條件下，已經 附著在紙巾上的防污塗層成分有可能重新附著回測試片表面上，這會減低其摩擦對劣化的影響，再加上預防紙巾的破損，因此每1,000回就需要更換紙巾。在進行比較性評估時，也可以將荷重設定為1kg/cm2，以縮短測試所需的時間。
   在本公司的性能評估中，我們使用正十六烷的滑落動態接觸角測量與下節所述的簡易評估法併用，結合這兩種測試的結果來評估防污塗層效能。
   3-2-3. 簡易測試法(油性筆測試)
   動態接觸角計需要高速影像處理，是相當昂貴的設備。測試本身是定性的，我們將介紹一種無需藉助設備即可評估耐防污性的廉價且簡單的方法。
   測試依下述順序進行：
   (1) 用油性筆在防污膜上書寫
   (2) 放置室溫乾燥30分鐘
   (3) 以固定的荷重(1kg)(若可行儘量使用摩擦測試機) 用紙巾擦拭試片
   (4)依所定擦拭週期數觀擦字跡油墨殘留狀況。或計數完全拭去所需週期數。
   需要注意的是，以人體指紋來評估防污性是相當不穩定的，因為即使是同一個人，分泌物狀態(或許還有成分)也會瞬間有變化，無法獲得準確的評估。在這裡，我們使用穩定且容易取得的油性筆作為指紋成份的替代品。
   此外，不言說，最好使用相同品牌的油性筆和紙巾。另外，由於結果會根據乾燥時間而變化，因此乾燥時間也需要恆定。
   3-3. 實際評估例及其基準
   在此，我們將介紹使用最常見的正十六烷的滑落動態接觸角法進行評估的實例。
   以前述摩擦測試儀對本公司的產品Fluorosurf FG-5010、FG-5020、競品-A 和競品-B施加摩擦損傷(圖-9)，並測量靜態接觸角(圖-10)、滑落角(圖-11)和後退接觸角的變化(圖-12)。圖-13是全氟聚醚(PFPE)型氟素防污塗層劑(Fluorosurf FG-5080系列)和全氟烷基(Rf)型氟素防污塗層劑的簡易評估和動態接觸角的評估。
   這些結果可見，靜態接觸角並不是防污性能的指標，而動態接觸角則與防污性能之間存在相關性。
   圖-10 撥油性 – 靜態接觸角隨摩擦次數的變化                                  圖-11 撥油性 – 滑落角隨摩擦次數的變化
   
   圖-12 撥油性 – 後退接觸角隨摩擦次數的變化
   3-3-1. 滑落法接觸角與摩擦測試組合併用評估例
              3-3-1-1. 試片製作條件
                (1) 以顯微鏡載玻片作為試片。
              (2) 塗佈前先用丙酮、庚烷清洗。
              (3) 用浸漬法塗佈防污塗層劑。浸漬時間1秒，提升速度1公分/秒。
              (4) 溫度100℃、濕度60%的條件下加熱固化60分鐘。
              3-3-1-2. 測試條件
                (1) 以動態接觸角計DM-500 (協和界面科學株式會社製)量測上述試片的動態接觸角。
              (2) 以正十六烷進行測定，液滴體積為5μl。
              (3) 在樣品上的5個點量測並求平均值。
              (4) 測量摩擦前的動態接觸角並作為初始值。
              (5) 在下述摩擦測試條件下，測量一定次數摩擦後的動態接觸角並進行比較。
             3-3-1-3. 摩擦條件
                (1) 摩擦所用材料為紙巾(對折四折)。
              (2) 荷重為200g/cm2。
              (3) 摩擦速度為45mm/sec， 60 rpm。
              (4) 每摩擦1,000次就更換新的紙巾。
   3-3-2. 簡易防污測試及滑落法接觸角組合併用評估例
   樣品製備方法和動態接觸角的量測如前一節所述。
   簡易防污測試的條件如下所述。
   (1) 用油性記號筆在待測物表面上書寫，觀察字跡狀態。(最好有照片記錄)
   (2) 風乾30分鐘。
   (3) 以摩擦測試相同的條件，使用摩擦測試機來回摩擦4次。
   (4) 觀察殘餘字跡油墨。(最好有照片記錄)
   圖-13 防污性與接觸角
   
   3-3-3. 評估標準
   評估標準依產品的應用和使用者的品質標準有所不同，以下我們將討論一些典型的標準。
   3-3-3-1. 關於接觸角的評估標準
   以接觸角為防污性的評估標準說明如下。
   使用正十六烷量測的靜態接觸角若小於50°，則很難說其具有撥油性。
   滑落角越小越好；如果需要約30°或更大的傾斜度，則防污性通常不好。然而，如前所述，因待測液體的類型和液滴的大小會影響結果，所以需要謹慎。
   後退接觸角與靜態接觸角相比，差異較小的較優；如果該差異為10°或更大，則防污性能通常不好。
   3-3-3-2. 關於簡易測試法的評估基準
   基本是根據表面殘留的油性墨水量來判斷；但若書寫時能用筆清楚畫出，或者擦拭四次後表面仍有墨水殘留，一般就建議汰除。
   氟素防污塗層劑(矽烷偶聯型)使用上的技巧
   圖-14 塗佈次數與撥油性 (靜態接觸角)
   目前用於智慧型手機等觸控螢幕上指紋防污的矽烷偶聯型(silane coupling)塗層劑，採用濕式製程塗佈時，初始性能和耐用性可能會受到塗佈方法和乾燥條件的影響。本節介紹在濕式製程塗佈時能獲得正確性能的技巧。
   4-1. 塗佈方法
   這一類氟素塗層劑的防污性能和耐久性一般認為受到塗層劑活性成分與底材表面的結合密度的影響。
   圖-14至圖-16顯示了使用浸漬法多層塗佈時，正十六烷撥油性動態接觸角的耐久性數據。
   圖-14 塗佈次數與撥油性 (靜態接觸角)                                             圖-15 塗佈次數與撥油性 (滑落角)
   
   圖-16 塗佈次數與撥油性 (後退接觸角)                                             圖-17 塗佈量造成的塗層結構差異
   
   上例中，靜態接觸角(圖-14)差異不大，但作為防污性能重要指標的滑落角(圖-15)和後退接觸角(圖-16)均因為塗佈層數的增加而能獲得更好的結果。這可能是由於多層塗佈將更多的活性成分附著在表面上。
   此外，如果未能獲得良好的初始性能，常常會出現在塗佈量不足，或反之，塗佈量過多的情況。
   如果塗佈量不足，則氟樹脂層無法完全覆蓋被塗佈面(圖-17)，分子間力透過未被覆蓋的間隙作用，吸附污垢；這導致污垢去除性能變差。在動態接觸角測量中，這可以透過滑落角增加的情形看出。
   關於摩擦後的劣化，由於塗層成分的分子單元從表面剝離，氟樹脂層變得稀疏，導致與塗佈量不足時相同的狀態。結果，污垢去除性和滑落角都受到影響。
   塗佈量過多時，塗層上存有未與表面結合的未反應的塗層劑成分。(圖-17)未反應的塗層劑成分具有形成矽烷偶聯的殘留烷氧基而表現出親水性，這增加了表面張力且影響接觸角。不過，此多餘成分是未結合的自由成分，因此在實際使用時會被去除，僅留下結合在表面上的成分。因此，使用一段時間後仍能獲得原來的性能。
   (圖-20)在 1,000次摩擦後得到的數據比初始值更好，就是這個原因。
   4-2. 乾燥方法
    矽烷偶聯型防污塗層劑與其他矽烷偶聯劑一樣，空氣中的水分和酸性成分會促進與底材的矽烷偶聯反應。儘管該反應在室溫下也會進行，將產品加熱至70°C～120°C可以加速反應，且通常會提高防污性和耐用性。(表-5、表-6)
   表-5 Fluorosurf FG-5010 常溫24h乾燥後                                        表-6 Fluorosurf FG-5010 加熱乾燥後
   
   (圖-18)圖示了矽烷偶聯型的固化過程。當固化不充分時，烷氧基和矽烷醇基等親水性基團的殘留被認為是增加表面張力的原因。
   在上(表-5)和(表-6)中，加熱乾燥組比室溫乾燥組表現稍好的原因，推測是由於此未鍵結基團造成的差異。此外，由於結合數量減少導致結合力不足，耐磨性也有些許差異。(圖-19)到(圖-21)是Fluorosurf FG-5080加熱乾燥的溫度和撥油耐久性的動態接觸角圖。可以看得出來，經較高溫度加熱的往往具有較優異的耐久性。這可能是由於加熱減少了殘餘的未反應基團的數量所致。
   圖-18 矽烷偶聯型防污塗層劑的硬化過程                                         圖-19 乾燥溫度和撥油性 (靜態接觸角)
   
   圖-20 乾燥溫度和撥油性 (滑落角)                                                    圖-21 乾燥溫度和撥油性 (後退接觸角)
   
   對於塑料，需要考慮被塗覆材料的耐溫性；但結論是在容許的範圍內，通過加熱乾燥來完成硬化對於獲得良好的防污性能很重要。