鄭健萍 李子如 圣 宇 高玉飛 馮志軍

(南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330063)

無(wú)機(jī)/有機(jī)層合玻璃作為戰(zhàn)斗機(jī)的風(fēng)擋玻璃[1-2]可以更好的適應(yīng)國(guó)家海防要求。但是，無(wú)機(jī)玻璃和有機(jī)中間層之間由于材料性能差異容易發(fā)生界面失效，這是阻礙其廣泛應(yīng)用的主要因素之一。在無(wú)機(jī)玻璃和有機(jī)中間層之間增加二氧化硅膜[3]作為性能過(guò)渡層可以有效的降低無(wú)機(jī)/有機(jī)界面性能差異[4]。然而，二氧化硅膜和硅酸鹽玻璃之間的粘結(jié)性能[5-6]一般，致使無(wú)機(jī)/有機(jī)層合玻璃整體力學(xué)性[7]能提高有限。

硅烷偶聯(lián)劑[8]作為常用的玻璃表面改性劑，可使兩種種性能差異很大的材料界面偶聯(lián)起來(lái)，從而增加其界面黏結(jié)強(qiáng)度。但是，硅烷偶聯(lián)劑也會(huì)對(duì)二氧化硅膜質(zhì)量以及鍍膜玻璃的光學(xué)性能產(chǎn)生不同程度的影響。并且，戰(zhàn)斗機(jī)風(fēng)擋玻璃的光學(xué)性能[9]直接影響飛行員的視覺(jué)效果和物體的成像程度。因此，本工作研究不同偶聯(lián)劑對(duì)二氧化硅膜質(zhì)量以及對(duì)鍍膜玻璃光學(xué)性能的影響規(guī)律，意在選出效果最佳的硅烷偶聯(lián)劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料與儀器設(shè)備

SUl510掃描電鏡；勻膠臺(tái)；SDZF一602真空干燥箱；磁力攪拌器；WGW光電霧度儀；TU-19紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)。

1.2 樣品的制備

1.2.1 二氧化硅溶膠的制備

把1ml的PMHS滴入140ml的無(wú)水乙醇中(pH=10))，室溫靜置24小時(shí)。在混合溶液中加入TEOS和去離子水，PMHS：TEOS=1：5(質(zhì)量比)，TEOS：H2O=1：4(摩爾比)；強(qiáng)力攪拌混合溶液3小時(shí)，并靜置24小時(shí)；得到二氧化硅溶膠[10-11]，留取備用。

1.2.2 在無(wú)機(jī)玻璃鍍表面旋涂二氧化硅膜

用不同的硅烷偶聯(lián)劑(550、560、570、792)對(duì)清潔后的玻璃片一側(cè)表面進(jìn)行處理，為做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，添加一組沒(méi)有用偶聯(lián)劑處理的玻璃，用勻膠臺(tái)進(jìn)行鍍膜操作，鍍膜后放入真空干燥箱干燥8小時(shí)。

1.3 性能與表征結(jié)構(gòu)測(cè)試

對(duì)鍍膜后的玻璃片進(jìn)行光學(xué)性能測(cè)試[12]，設(shè)置一組洗凈后未進(jìn)行任何處理的玻璃作為對(duì)照試驗(yàn)。把制成的帶過(guò)渡膜的玻璃片樣品切成10mm10mm3mm，對(duì)玻璃表面噴金處理后進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試其表面形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1是經(jīng)過(guò)不同的偶聯(lián)劑處理并旋涂[13]鍍二氧化硅膜的無(wú)機(jī)玻璃樣品的可見(jiàn)光透過(guò)率。為了對(duì)比分析，也相應(yīng)測(cè)試了玻璃基體以及未使用偶聯(lián)劑處理的帶二氧化硅膜玻璃的可見(jiàn)光透過(guò)率。從圖1中我們可以看出，鍍二氧化硅膜后的玻璃樣品的可見(jiàn)光透過(guò)率均低于玻璃基體，這也間接說(shuō)明玻璃基體上已經(jīng)存在有二氧化硅膜。二氧化硅膜吸收和反射了入射光，從而使樣品的可見(jiàn)光透過(guò)率低于玻璃基體。從圖1中也可以明顯的看出，鍍二氧化硅膜樣品的可見(jiàn)光透過(guò)率依次為：樣品550處理>樣品未處理樣品792處理>樣品560處理>樣品570處理。經(jīng)偶聯(lián)劑550處理后的鍍膜玻璃樣品的可見(jiàn)光透過(guò)率在波長(zhǎng)620nm前優(yōu)于未處理樣品，可能是由于兩方面原因所致：一是經(jīng)550處理后二氧化硅膜的表面質(zhì)量(包括光澤度、均勻性等)得到提高，降低了二氧化硅膜對(duì)入射光的表面反射；二是經(jīng)550處理后二氧化硅膜與玻璃基體之間的界面結(jié)合更好，降低了玻璃/二氧化硅膜之間的界面反射。而在波長(zhǎng)超過(guò)620nm后兩者趨于一致則是由于二氧化硅膜對(duì)于波長(zhǎng)超過(guò)620nm后可見(jiàn)光透過(guò)率的影響在減小，如圖1中當(dāng)波長(zhǎng)超過(guò)700nm后，未處理和經(jīng)550處理的鍍膜玻璃的透光率與玻璃基體相當(dāng)。同理，經(jīng)792、560和570處理后樣品可見(jiàn)光透過(guò)率的變化也是由這兩方面原因造成的，只不過(guò)這三種偶聯(lián)劑對(duì)制備出的二氧化硅膜表面質(zhì)量沒(méi)有提高或甚至惡化所致。

表1為不同偶聯(lián)劑處理后的鍍膜玻璃通過(guò)光電霧度計(jì)測(cè)出的透光率和霧度值。為了使偶聯(lián)劑對(duì)鍍膜玻璃的透光率和霧度影響更加直接顯示，將表1中計(jì)算出的透光率和霧度平均值繪圖，如圖2所示。從圖2可以看出，樣品透光率變化趨勢(shì)與圖1中變化趨勢(shì)一致，即未鍍膜樣品最高，550處理鍍膜樣品次之，792處理和未處理鍍膜樣品再次，560和570處理鍍膜樣品最差。從圖2中可以清楚的看出，未鍍膜樣品的霧度最小，550處理鍍膜樣品的霧度次之，792處理和未處理鍍膜樣品的霧度再次，570處理鍍膜樣品的霧度更次，560處理鍍膜樣品的霧度最差。由文獻(xiàn)可知，霧度越大就意味著薄膜光澤以及透明度尤其成像度下降。550處理后鍍膜玻璃的霧度比未處理鍍膜玻璃的霧度小，說(shuō)明550處理的二氧化硅膜的光澤性或透明度比未處理的好。由圖2中的數(shù)據(jù)可知，550處理的鍍膜玻璃與未處理鍍膜玻璃相比，其透光率的增大比率為(87.67-86.8)/87.67×100%=0.99%，而霧度減小比率為(17.3-13.27)/17.3×100%=23.2%；這說(shuō)明550處理的鍍膜玻璃不但透光度高于未處理鍍膜玻璃，而且其光澤性也大大優(yōu)于未處理鍍膜玻璃，即其表面均勻性和致密性更好。560和570(尤其是570)處理鍍膜玻璃的霧度遠(yuǎn)大于未處理鍍膜玻璃，間接說(shuō)明560和570處理后二氧化硅膜的致密度和均勻性很差。

表1 不同偶聯(lián)劑處理的鍍膜玻璃樣品的透光率和霧度

圖2 不同偶聯(lián)劑處理下的鍍膜玻璃樣品的透光率和霧度

圖3為不同偶聯(lián)劑處理下二氧化硅膜的表面形貌圖，其中(A)和(B)分別為未鍍膜的硅酸鹽玻璃基體和未使用偶聯(lián)劑的二氧化硅膜的表面上。從圖3(B)中可以看出硅酸鹽玻璃基體表面有一層二氧化硅膜，并且膜上有明顯的裂紋。出現(xiàn)裂紋是由于在對(duì)樣品進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試時(shí)，掃描電鏡要求的樣品尺寸(10mm10mm)遠(yuǎn)小于本實(shí)驗(yàn)制備的樣品尺寸(30mm50mm)，因此需要對(duì)鍍膜玻璃樣品進(jìn)行切割，切割會(huì)導(dǎo)致二氧化硅膜上出現(xiàn)裂紋。裂紋的出現(xiàn)從側(cè)面反映未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的鍍膜玻璃中膜和玻璃基體之間的粘結(jié)性相對(duì)較差。同時(shí)，經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理的鍍膜玻璃切割時(shí)膜上均沒(méi)有產(chǎn)生裂紋，說(shuō)明硅烷偶聯(lián)劑對(duì)二氧化硅膜與無(wú)機(jī)玻璃之間的界面粘合有一定的促進(jìn)作用。另外，在圖3(B)右下角有部分膜發(fā)生輕微脫落的現(xiàn)象，也說(shuō)明未經(jīng)偶聯(lián)劑處理所制備的二氧化硅膜不是十分致密。從圖3(C)中可以看出，用550處理硅酸鹽玻璃后制備的二氧化硅膜在所有樣品中最均勻致密且無(wú)明顯的缺陷。這與前文對(duì)圖1和圖2分析的結(jié)果一致。從圖3(D)和圖3(E)中看出制備出的二氧化硅膜表面的分散性不好。主要是由于使用560和570處理后，鍍二氧化硅膜時(shí)溶膠容易積聚在一起而導(dǎo)致這種現(xiàn)象。并且我們進(jìn)行的560和570處理劑處理玻璃的多次實(shí)驗(yàn)均出現(xiàn)此類情況。產(chǎn)生溶膠集聚的原因是因?yàn)榕悸?lián)劑560和570與所制備的二氧化硅溶膠浸潤(rùn)性不好，導(dǎo)致二氧化硅膜不能在處理劑表面均勻展開(kāi)。這種集聚的二氧化硅膜表面會(huì)對(duì)入射光產(chǎn)生嚴(yán)重的散射，致使其透光率嚴(yán)重下降和霧度迅速上升，這也與前文分析一致。從圖3(F)可以看出，鍍膜效果與圖3(C)有些類似，但是其表面的二氧化硅膜部分區(qū)域出現(xiàn)了大塊團(tuán)聚[14-16]現(xiàn)象(如圖3(F)中圓圈所示)，大塊團(tuán)聚也會(huì)迅速降低鍍膜玻璃的透光率。這也與前文分析一致。綜上所述，所選偶聯(lián)劑中，只有550能夠最有效的提高鍍膜玻璃中二氧化硅膜的表面質(zhì)量及界面粘結(jié)性。

(A)玻璃基體；(B)未使用處理劑；(C)550；(D)560；(E)570；(F)792圖3 不同偶聯(lián)劑處理下二氧化硅膜的表面形貌

3 結(jié)論

(1)經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑550對(duì)無(wú)機(jī)玻璃進(jìn)行表面處理后，能夠提高其表面二氧化硅膜的質(zhì)量，進(jìn)而增加鍍膜玻璃的透光率。

(2)硅烷偶聯(lián)劑能有效的提高二氧化硅膜與無(wú)機(jī)玻璃基體之間的界面粘結(jié)。