高鋁玻璃高透蒙砂的制備工藝研究

李運濤， 李林林， 白 文， 劉存海

(陜西科技大學 化學與化工學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

在玻璃制造行業(yè)和玻璃加工行業(yè)中，光電顯示玻璃由于其應用的廣泛性，而形成了一個國際性范圍的產(chǎn)業(yè)鏈[1].無論是電視光顯玻璃[2]、電腦光顯玻璃[3]、航天航海導航光顯屏、車載導航儀[4]，還是手機光顯玻璃、精密儀器光顯屏[5]，都是由玻璃加工行業(yè)完成.在玻璃加工中應用尤為廣泛的是高鋁玻璃，由于氧化鋁含量高，化學穩(wěn)定性好，化學強化具有優(yōu)良的力學性能，尤其在抗壓、硬度、韌性和抗劃傷等方面表現(xiàn)突出，制成的觸摸屏蓋板玻璃[3]廣泛應用于手機、電腦、數(shù)碼相機和光學鏡頭等行業(yè)領域.

隨著玻璃產(chǎn)品的不斷應用和更新，同時帶來了大量的光污染，解決了光學玻璃材料的光污染問題，已是科學界關注的熱點[6].減免和消除光污染的方法主要有：①物理拋磨法[7]；②噴沙法[8]；③激光法；④化學蒙砂法等方法[9,10].這些方法雖然均具有減免光污染的優(yōu)點，但就其生產(chǎn)的產(chǎn)品質量均一性、蒙砂粒度等方面，仍然存在著一定的問題.

本研究通過選擇合適的蒙砂液配方以及溫度、反應時間等條件，制備高透蒙砂玻璃，運用不同的測試手段對其光學性能和表面形貌進行了表征，對玻璃表面的蜂窩形貌進行分析，解釋了蒙砂玻璃防眩光的原理.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

(1)主要試劑與材料：氟化鈉，AR，天津華達化工有限公司；硫酸銨，AR，天津華達化工有限公司；硫酸鈉，AR，天津華達化工有限公司；四硼酸鈉，AR，天津市科密歐化學試劑有限公司；濃硫酸，AR，天津市耀華化學試劑有限責任公司；高鋁玻璃基片，玻璃基片組成為SiO2、A12O3、MgO、Na2O、K2O、CaO、BaO等，厚度為0.82 mm，尺寸大小為300 mm×300 mm，深圳金鴻樺燁電子有限公司.

(2)主要儀器：S-4800型環(huán)境掃描電子顯微鏡，日本日立公司；CQ-60G光澤度儀，深圳市成企鑫科技有限公司；SJ-210表面粗糙度測量儀，日本三豐公司；X射線能譜儀，EDAX公司；WGT-S透光率測定儀，上海儀電物理光學儀器有限公司；SPI3800N/SPA400原子力顯微鏡，日本精工.

1.2 實驗方法

1.2.1 蒙砂液各成分用量的確定

蒙砂時間和溫度一定的條件下，以氟化鈉(A)、硫酸銨(B)、硫酸鈉(C)、水(D)和四硼酸鈉(E)為蒙砂液設計的影響因素，進行單因素實驗.在單因素實驗基礎之上設計L16(54)的正交試驗，對蒙砂液各組分配比進行優(yōu)化，得出蒙砂液的最優(yōu)配比.單因素水平如表1所示.

表1 因素水平表

1.2.2 蒙砂工藝

(1)玻璃蒙砂工藝流程

玻璃樣品清洗→干燥→預處理→蒙砂→工件清洗→干燥→儀器測試→成品.

(2)實驗步驟

將玻璃樣品放入乙醇、丙酮溶液分別浸泡5 min，將玻璃表面吸附的灰塵和油脂等清洗干凈，再將玻璃放入超聲清洗機中超聲處理10 min，然后用去離子水清洗，烘干.最后得到表面清潔的玻璃基片.

把氟化鈉、硫酸銨、硫酸鈉、四硼酸鈉和水，按一定的比例混合，配成蒙砂液，然后用恒溫磁力攪拌器將溶液攪拌均勻，在25 ℃熟化8 h后使用.

1.3 蒙砂樣品的結構表征與性能測試

1.3.1 結構表征

采用掃描電子顯微鏡觀察蒙砂前后玻璃表面形貌；采用原子力顯微鏡觀察蒙砂前后玻璃表面形貌；通過X射線能譜儀分析蒙砂前后玻璃表面元素含量變化情況.

1.3.2 性能測試

采用光澤度儀測定蒙砂后玻璃的表面光澤度；采用表面粗糙度測儀測定蒙砂后玻璃的表面粗糙度；采用紫外可見分光光度計，在580 nm波長處，以未蒙砂玻璃樣品作為對照，測定蒙砂玻璃的透光率.

2 結果與討論

2.1 蒙砂液最佳配比的確定

表2是蒙砂液配比的正交試驗結果.由表2可知，蒙砂液最優(yōu)組合為A2B4C3D3E2，即蒙砂液最佳配比(質量比/g)為NaF∶(NH4)2SO4∶Na2SO4∶H2O∶Na2B4O7·10H2O=5.5∶1.5∶1.6∶9.3∶0.2.

表2 蒙砂液配比的正交試驗結果表

2.2 最佳蒙砂工藝參數(shù)的確定

根據(jù)晶體保護層理論[11-13]，為了使玻璃獲得較高的透光率，必須找到玻璃蝕刻過程中晶體生長的最佳條件，除了對起主要作用的反應物進行控制以外，蒙砂溫度、時間和蒙砂液pH等工藝條件對蒙砂效果起著至關重要的影響，因此也要有一定的控制.

2.2.1 不同蒙砂時間對蒙砂玻璃透光率的影響

在一定蒙砂液pH和蒙砂溫度條件下，對高鋁玻璃進行蒙砂處理，以蒙砂后玻璃透光率對蒙砂時間作圖，結果如圖1所示.

圖1 蒙砂時間對透光率的影響

由圖1可知，玻璃的透光率隨著時間的變化整體呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢.當蒙砂時間為9 min時，玻璃的透光率達到最高，為95.9%，而隨著蒙砂時間的延長，蒙砂玻璃的透光率逐漸降低，是由于溶解度很低的氟硅酸鹽晶體覆蓋在玻璃表面，阻止蒙砂液對玻璃的進一步侵蝕，從而導致蒙砂玻璃透光率降低.

2.2.2 不同蒙砂溫度對蒙砂玻璃透光率的影響

在蒙砂時間9 min和一定蒙砂液pH，不同蒙砂溫度條件下，對高鋁玻璃進行蒙砂處理，以蒙砂后玻璃透光率對蒙砂時間作圖，結果如圖2所示.

圖2 蒙砂溫度對透光率的影響

由圖2可知，玻璃的透光率隨溫度的變化呈先增高后降低又增高的趨勢.在蒙砂溫度為25 ℃時，蒙砂玻璃的透光率達到最高，為95.9%.分析其原因，隨著溫度的不斷升高，蒙砂速率逐漸加快，當溫度為25 ℃時，玻璃表面超微晶粒子基本形成，均勻分布于玻璃表面，此刻透光率最高.但是隨著溫度的進一步提高，覆蓋在玻璃表面超微晶粒子被溶解，使得玻璃原有的表面形狀被破壞，原來的玻璃形貌被蝕刻變淺，因此對光的捕捉效果變差，透光率降低.

2.2.3 不同蒙砂液pH對蒙砂玻璃透光率的影響

在溫度為25 ℃和時間9 min條件下，探討不同pH對蒙砂玻璃透光率的影響，以蒙砂后玻璃的透光率對蒙砂液pH作圖，結果如圖3所示.

圖3 蒙砂液pH對透光率的影響

由圖3可知，透光率隨pH的變化整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.當pH=2.5時，蒙砂玻璃的透光率最大，為95.7%，蒙砂效果良好.分析原因，當pH<2.5時，HF濃度過大，蒙砂反應速率較大，大量超微晶粒子在玻璃表面生成并堆積，導致玻璃表面均一性變差，此時玻璃透光率較低；當pH=2.5時，透光率達到最高，為95.7%；當pH>2.5時，溶液產(chǎn)生的HF濃度逐漸減小，玻璃受蒙砂程度不斷降低，蒙砂效果變差，從而導致玻璃的透光率降低；故選pH=2.5時為最佳的蒙砂液pH值.

綜上所述，本文選擇蒙砂時間9 min，溫度為25 ℃，pH=2.5作為玻璃蒙砂的最優(yōu)工藝條件.

2.3 蒙砂時間對玻璃表面光澤度與粗糙度的影響

在pH=2.5和溫度為25 ℃的條件下，以最優(yōu)蒙砂液配比對高鋁玻璃基片進行蒙砂處理，觀察不同蒙砂時間對玻璃表面光澤度與粗糙度的影響，結果如圖4所示.

圖4 蒙砂時間對光澤度和粗糙度的影響

從圖4可知，蒙砂處理后玻璃的光澤度隨著時間的變化整體呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，而蒙砂后玻璃的表面粗糙度隨著時間的變化整體呈現(xiàn)減小趨勢.蒙砂時間為9 min時，玻璃的光澤度達到最高，為86.9 Gs；粗糙度基本不變，為0.08μm，達到高透蒙砂玻璃對光澤度與粗糙度的要求.

結合2.2所述，可知光蒙砂玻璃的透光率越大，蒙砂玻璃表面粗糙度越低，光澤度越高.

2.4 蒙砂溫度對玻璃表面光澤度與粗糙度的影響

在pH=2.5和時間為9 min的條件下，以最優(yōu)蒙砂液配比對玻璃基片進行蒙砂處理，觀察不同蒙砂溫度對玻璃表面光澤度與粗糙度的影響，結果如圖5所示.

圖5 蒙砂溫度對光澤度和粗糙度的影響

從圖5可知，蒙砂處理后玻璃表面光澤度隨著溫度的變化整體呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，而粗糙度隨著溫度的變化整體呈現(xiàn)減小趨勢.在蒙溫度25 ℃時，玻璃的光澤度最高，為85.1 Gs；玻璃的粗糙度基本不變，為0.08μm，達到高透蒙砂玻璃對光澤度與粗糙度的要求.

結合章節(jié)2.2所述，可知蒙砂玻璃的透光率越大，玻璃表面光澤度越高，粗糙度越低.

2.5 蒙砂玻璃表面分析

為了更清楚的了解蒙砂處理后玻璃的表面變化對光學性能的影響以及對蒙砂效果的評價，在pH=2.5，溫度為25 ℃，蒙砂時間9 min條件下，以最優(yōu)蒙砂液配比對高鋁玻璃基板進行蒙砂處理，對蒙砂玻璃表面進行了SEM、AFM和EDS分析.

2.5.1 SEM分析

圖6(a)、(b)分別為蒙砂前后玻璃理片的表面SEM圖.由圖6(b)可以看出，蒙砂處理后的玻璃樣品表面生成大量超微晶粒子(氟硅酸鹽晶體)，晶粒尺寸較小，分布均勻，凹坑和裂紋不明顯，玻璃表面平整，蒙砂樣品表面均一性較高.

(a) 未蒙砂玻璃基片的SEM圖

2.5.2 AFM分析

圖7(a)、(b)分別為未蒙砂玻璃基片和蒙砂玻璃的表面AFM圖片.從圖7(b)可以看出，玻璃表面經(jīng)過蒙砂后，形成了許多大小不一凹坑，也是顯微鏡照片中的蜂窩狀形貌的原始形態(tài).而這些凹坑的旁邊有許多微小的形狀不同的凸起或者凹坑，當光照時，光在玻璃表面的這些蜂窩狀孔洞中被捕捉，而無法被反射出來導致了反射率的降低，而光通過在玻璃蜂窩狀峰之間的反射和折射，最終透過玻璃，從而大大提高了玻璃的透光率.這就是蒙砂玻璃高透過率形成的主要原因.同時，也為蒙砂玻璃防眩效果的形成提供了最基本的形貌特征[14]，為解決光污染問題提供了有效途徑.

(a) 未蒙砂玻璃基片的AFM圖

(b) 蒙砂玻璃基片的AFM圖圖7 蒙砂前后玻璃的AFM圖

2.5.3 EDS分析

分別對蒙砂前后的玻璃基片進行X射線能譜分析，得到未蒙砂玻璃表面各元素含量比(摩爾百分比/%)為Si∶O∶Na∶Mg∶K∶Al = 29.69∶45.52∶9.62∶4.41∶3.61∶7.16，蒙砂玻璃表面各元素含量比(摩爾百分比/%)為Si∶O∶Na∶Mg∶K∶Al = 29.17∶45.86∶9.83∶4.30∶3.72∶7.13，可知蒙砂前后玻璃表面?zhèn)€元素含量基本無變化.再結合蒙砂前后玻璃基片的EDS譜圖進行分析，如圖8和圖9所示.

圖8 未蒙砂玻璃基片的EDS譜圖

圖9 蒙砂玻璃基片的EDS譜圖

從圖8和圖9可以看出，蒙砂前后樣品后樣品的譜圖非常相似，基體Si的量稍有波動，O/Si比例近似為1/2，結構基本無任何改變，說明玻璃的蒙砂效果較良好，無新元素引入，不會對高鋁玻璃原有的優(yōu)良性能造成影響.

3 結論

(1)采用單因素實驗和正交試驗確定了玻璃蒙砂液的最佳配比(質量比/g)為：NaF∶(NH4)2SO4∶Na2SO4∶H2O∶Na2B4O7·10H2O=5.5∶1.5∶1.6∶9.3∶0.2.

(2)以最佳配比配置蒙砂液對玻璃進行蒙砂，然后通過研究各種工藝條件對玻璃透光率的影響.結果表明，要得到高透蒙砂玻璃，選擇的最佳蒙砂工藝條件為：蒙砂液pH=2.5，蒙砂溫度25 ℃，時間9 min.

(3)利用不同測試手段蒙砂產(chǎn)品進行了表征，獲得蒙砂玻璃的透光率為95.9%，光澤度為86.9 Gs，粗糙度為0.08 μm；SEM顯示蒙砂玻璃表面平整度高，均一性好；EDS測試表明，蒙砂前后玻璃表面所含元素基本無變化，無新元素引入，達到預期要求；通過AFM分析，進一步解釋了蒙砂玻璃防眩光，可解決光污染問題的原因.

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