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氧化锆(ZrO2)具有化学惰性、热稳定性优异、硬度高、折光指数高等优点,其涂层可广泛用作高耐刮伤涂层、金属材料的防腐涂层、微电子装置的高耐磨涂层和绝缘涂层、食品包装用高阻隔涂层、光学(高折光指数)涂层、隔热涂层等等。纯无机ZrO2涂层虽然综合性能突出,但制备时常需要非常高的真空度或后期高温处理,限制了其实际应用领域。将纳米ZrO2颗粒与聚合物复合制备聚合物基纳米复合涂层具有制备条件温和、易于大规模应用的优点,但涉及纳米颗粒分散的难题,涂膜的透明性不高,即使解决了纳米颗粒的分散问题,在高含量ZrO2时,由于热力学的原因仍易发生相分离而产生团聚现象,涂膜透光率变差,因此,无法实现高透明性高ZrO2含量纳米复合涂层的制备。在本文中,我们以非水合成纳米ZrO2晶粒为原料,硅烷偶联剂为改性剂,通过透明ZrO2分散液的制备以及以此为基础的纳米颗粒涂料的制备、涂覆、固化制得了高透明性高ZrO2含量纳米颗粒涂层,由于涂层中不含有聚合物粘结剂,避免了ZrO2纳米粒子和聚合物之间的相分离问题。本文详细研究了非水合成纳米ZrO2晶粒在不同介质中的分散与稳定行为,并以制得的溶剂型或水性透明ZrO2分散液为基础,制备了纳米ZrO2颗粒膜,考察了涂膜的制备工艺与结构、性能之间的关系。主要研究内容与结果如下：以缩水甘油基氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)、β-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷(IPTES)作为改性剂,研究了非水合成纳米ZrO2晶粒在四氢呋喃(THF)、甲苯、吡啶、丙酮、水等分散介质中的分散与稳定行为。以THF作为分散介质,用GPTMS、APTES和IPTES改性纳米ZrO2时均可以得到透明的分散液；以吡啶或甲苯作分散介质时,采用APTES和IPTES可得到透明ZrO2分散液；用二甲基甲酰胺作为分散介质时,只有以IPTES为改性剂时可以得到透明分散液。GPTMS改性的纳米ZrO2粒子在THF中具有较好的贮存稳定性,IPTES改性的纳米ZrO2粒子在吡啶中具有较好的贮存稳定性。FTIR、13C-NMR、29Si-NMR及TGA结果表明,GPTMS、APTES和IPTES以不同的接枝模式键合到了纳米ZrO2颗粒的表面,使ZrO2表面分别带上了环氧基、氨基和乙氧基官能团。HRTEM和动态激光光散射表征表明,纳米ZrO2晶粒在THF中达到了初级粒径分散水平且单分散性好。APTES改性后的纳米ZrO2在少量盐酸或少量氢氧化钠存在下均可以再分散到水中,制得纳米ZrO2晶粒水性透明分散液,分散液的透明程度主要取决于水溶液的pH值和APTES/ZrO2摩尔比。以GPTMS改性的纳米ZrO2/THF分散液为原料,六氟磷酸二苯碘鎓盐为紫外光阳离子引发剂,采用浸涂或旋涂工艺涂覆,在紫外光照射下引发纳米ZrO2颗粒表面的环氧基团进行交联固化,得到了透明、均匀、表面光滑且内部致密的纳米ZrO2颗粒膜,实现了结晶性纳米ZrO2颗粒膜的室温制备。考察了GPTMS/ZrO2摩尔比、分散液中ZrO2含量及涂膜工艺对纳米ZrO2颗粒膜表面形貌的影响。SEM观察结果表明,GPTMS/ZrO2摩尔比在0.15-0.3之间,旋涂速度在1000-2500rpm或浸涂速度在50-150mm/min范围内,均可以得到表面平整无开裂的纳米ZrO2颗粒膜。紫外-可见光谱结果显示,通过改变浸涂速度或旋涂速度可以精确控制ZrO2颗粒膜的厚度,利用膜厚的控制调节其光学特性,可以有效调控不同波长范围内的增透现象。纳米压痕仪和椭圆偏振仪测试表明,纳米ZrO2颗粒膜的微硬度、弹性模量和折光指数随GPTMS/ZrO2摩尔比的减小而增大,即随ZrO2的含量增加而增大。制得的纳米ZrO2颗粒膜的ZrO2含量较高,超过70wt%,透明性佳,折光指数高达1.77(632nm波长处),微硬度1.0GPa以上。以AAPTMS改性的纳米ZrO2水分散液为原料,1,4-丁二醇二缩水甘油醚(BBDGE)作为交联剂,采用浸涂工艺或旋涂工艺涂覆于聚碳酸酯基材,在低的加热温度条件下,制备了具有优异综合性能的纳米ZrO2颗粒膜。考察了AAPTMS/ZrO2摩尔比及pH值对纳米ZrO2水分散液透明性及粒径分布的影响,并研究了AAPTMS/ZrO2摩尔比对AAPTMS-ZrO2颗粒膜的表面形貌、折光指数和力学性能的影响。HRTEM和动态光散射表明,当AAPTMS/ZrO2摩尔比大于0.12,pH在13-14之间时,可以得到透明的纳米ZrO2水分散液,且粒径分布均匀。SEM和紫外-可见光谱表明,在所采用的涂膜工艺下制得的AAPTMS-ZrO2颗粒膜表面平整且透光率高。椭圆偏振仪、纳米压痕仪、纳划伤测试和纸带摩擦测试结果表明,AAPTMS-ZrO2颗粒膜的折光指数、微硬度、弹性模量和耐划伤性均随AAPTMS/ZrO2摩尔比的减小而增大。制得的AAPTMS-ZrO2颗粒膜的ZrO2含量高,超过80wt%,折光指数高达1.77,可明显改善PC基材的耐刮伤性能,在透明塑料光学涂层方面具有较好的应用前景。