不同偶聯(lián)劑處理對鍍二氧化硅膜玻璃光學(xué)性能的影響

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)

無機/有機層合玻璃作為戰(zhàn)斗機的風(fēng)擋玻璃[1-2]可以更好的適應(yīng)國家海防要求。但是，無機玻璃和有機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。在無機玻璃和有機中間層之間增加二氧化硅膜[3]作為性能過渡層可以有效的降低無機/有機界面性能差異[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，致使無機/有機層合玻璃整體力學(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，從而增加其界面黏結(jié)強度。但是，硅烷偶聯(lián)劑也會對二氧化硅膜質(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)斗機風(fēng)擋玻璃的光學(xué)性能[9]直接影響飛行員的視覺效果和物體的成像程度。因此，本工作研究不同偶聯(lián)劑對二氧化硅膜質(zhì)量以及對鍍膜玻璃光學(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 實驗部分

1.1 原材料與儀器設(shè)備

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

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的無水乙醇中(pH=10))，室溫靜置24小時。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)；強力攪拌混合溶液3小時，并靜置24小時；得到二氧化硅溶膠[10-11]，留取備用。

1.2.2 在無機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)對清潔后的玻璃片一側(cè)表面進行處理，為做對比實驗，添加一組沒有用偶聯(lián)劑處理的玻璃，用勻膠臺進行鍍膜操作，鍍膜后放入真空干燥箱干燥8小時。

1.3 性能與表征結(jié)構(gòu)測試

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

2 實驗結(jié)果與討論

圖1是經(jīng)過不同的偶聯(lián)劑處理并旋涂[13]鍍二氧化硅膜的無機玻璃樣品的可見光透過率。為了對比分析，也相應(yīng)測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光透過率。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光透過率均低于玻璃基體，這也間接說明玻璃基體上已經(jīng)存在有二氧化硅膜。二氧化硅膜吸收和反射了入射光，從而使樣品的可見光透過率低于玻璃基體。從圖1中也可以明顯的看出，鍍二氧化硅膜樣品的可見光透過率依次為：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光透過率在波長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。而在波長超過620nm后兩者趨于一致則是由于二氧化硅膜對于波長超過620nm后可見光透過率的影響在減小，如圖1中當波長超過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。同理，經(jīng)792、560和570處理后樣品可見光透過率的變化也是由這兩方面原因造成的，只不過這三種偶聯(lián)劑對制備出的二氧化硅膜表面質(zhì)量沒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光電霧度計測出的透光率和霧度值。為了使偶聯(lián)劑對鍍膜玻璃的透光率和霧度影響更加直接顯示，將表1中計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與圖1中變化趨勢一致，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大于未處理鍍膜玻璃，間接說明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)裂紋是由于在對樣品進行掃描電鏡測試時，掃描電鏡要求的樣品尺寸(10mm10mm)遠小于本實驗制備的樣品尺寸(30mm50mm)，因此需要對鍍膜玻璃樣品進行切割，切割會導(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)性相對較差。同時，經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑處理的鍍膜玻璃切割時膜上均沒有產(chǎn)生裂紋，說明硅烷偶聯(lián)劑對二氧化硅膜與無機玻璃之間的界面粘合有一定的促進作用。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明顯的缺陷。這與前文對圖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，鍍二氧化硅膜時溶膠容易積聚在一起而導(dǎo)致這種現(xiàn)象。并且我們進行的560和570處理劑處理玻璃的多次實驗均出現(xiàn)此類情況。產(chǎn)生溶膠集聚的原因是因為偶聯(lián)劑560和570與所制備的二氧化硅溶膠浸潤性不好，導(dǎo)致二氧化硅膜不能在處理劑表面均勻展開。這種集聚的二氧化硅膜表面會對入射光產(chǎn)生嚴重的散射，致使其透光率嚴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)了大塊團聚[14-16]現(xiàn)象(如圖3(F)中圓圈所示)，大塊團聚也會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對無機玻璃進行表面處理后，能夠提高其表面二氧化硅膜的質(zhì)量，進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機玻璃基體之間的界面粘結(jié)。