不同偶联剂处理对镀二氧化硅膜玻璃光学性能的影响

郑健萍 李子如 圣 宇 高玉飞 冯志军

(南昌航空大学，江西 南昌 330063)

无机/有机层合玻璃作为战斗机的风挡玻璃[1-2]可以更好的适应国家海防要求。但是，无机玻璃和有机中间层之间由于材料性能差异容易发生界面失效，这是阻碍其广泛应用的主要因素之一。在无机玻璃和有机中间层之间增加二氧化硅膜[3]作为性能过渡层可以有效的降低无机/有机界面性能差异[4]。然而，二氧化硅膜和硅酸盐玻璃之间的粘结性能[5-6]一般，致使无机/有机层合玻璃整体力学性[7]能提高有限。

硅烷偶联剂[8]作为常用的玻璃表面改性剂，可使两种种性能差异很大的材料界面偶联起来，从而增加其界面黏结强度。但是，硅烷偶联剂也会对二氧化硅膜质量以及镀膜玻璃的光学性能产生不同程度的影响。并且，战斗机风挡玻璃的光学性能[9]直接影响飞行员的视觉效果和物体的成像程度。因此，本工作研究不同偶联剂对二氧化硅膜质量以及对镀膜玻璃光学性能的影响规律，意在选出效果最佳的硅烷偶联剂。

1 实验部分

1.1 原材料与仪器设备

SUl510扫描电镜；匀胶台；SDZF一602真空干燥箱；磁力搅拌器；WGW光电雾度仪；TU-19紫外可见光分光光度计。

1.2 样品的制备

1.2.1 二氧化硅溶胶的制备

把1ml的PMHS滴入140ml的无水乙醇中(pH=10))，室温静置24小时。在混合溶液中加入TEOS和去离子水，PMHS：TEOS=1：5(质量比)，TEOS：H2O=1：4(摩尔比)；强力搅拌混合溶液3小时，并静置24小时；得到二氧化硅溶胶[10-11]，留取备用。

1.2.2 在无机玻璃镀表面旋涂二氧化硅膜

用不同的硅烷偶联剂(550、560、570、792)对清洁后的玻璃片一侧表面进行处理，为做对比实验，添加一组没有用偶联剂处理的玻璃，用匀胶台进行镀膜操作，镀膜后放入真空干燥箱干燥8小时。

1.3 性能与表征结构测试

对镀膜后的玻璃片进行光学性能测试[12]，设置一组洗净后未进行任何处理的玻璃作为对照试验。把制成的带过渡膜的玻璃片样品切成10mm10mm3mm，对玻璃表面喷金处理后进行扫描电镜测试其表面形貌。

2 实验结果与讨论

图1是经过不同的偶联剂处理并旋涂[13]镀二氧化硅膜的无机玻璃样品的可见光透过率。为了对比分析，也相应测试了玻璃基体以及未使用偶联剂处理的带二氧化硅膜玻璃的可见光透过率。从图1中我们可以看出，镀二氧化硅膜后的玻璃样品的可见光透过率均低于玻璃基体，这也间接说明玻璃基体上已经存在有二氧化硅膜。二氧化硅膜吸收和反射了入射光，从而使样品的可见光透过率低于玻璃基体。从图1中也可以明显的看出，镀二氧化硅膜样品的可见光透过率依次为：样品550处理>样品未处理样品792处理>样品560处理>样品570处理。经偶联剂550处理后的镀膜玻璃样品的可见光透过率在波长620nm前优于未处理样品，可能是由于两方面原因所致：一是经550处理后二氧化硅膜的表面质量(包括光泽度、均匀性等)得到提高，降低了二氧化硅膜对入射光的表面反射；二是经550处理后二氧化硅膜与玻璃基体之间的界面结合更好，降低了玻璃/二氧化硅膜之间的界面反射。而在波长超过620nm后两者趋于一致则是由于二氧化硅膜对于波长超过620nm后可见光透过率的影响在减小，如图1中当波长超过700nm后，未处理和经550处理的镀膜玻璃的透光率与玻璃基体相当。同理，经792、560和570处理后样品可见光透过率的变化也是由这两方面原因造成的，只不过这三种偶联剂对制备出的二氧化硅膜表面质量没有提高或甚至恶化所致。

表1为不同偶联剂处理后的镀膜玻璃通过光电雾度计测出的透光率和雾度值。为了使偶联剂对镀膜玻璃的透光率和雾度影响更加直接显示，将表1中计算出的透光率和雾度平均值绘图，如图2所示。从图2可以看出，样品透光率变化趋势与图1中变化趋势一致，即未镀膜样品最高，550处理镀膜样品次之，792处理和未处理镀膜样品再次，560和570处理镀膜样品最差。从图2中可以清楚的看出，未镀膜样品的雾度最小，550处理镀膜样品的雾度次之，792处理和未处理镀膜样品的雾度再次，570处理镀膜样品的雾度更次，560处理镀膜样品的雾度最差。由文献可知，雾度越大就意味着薄膜光泽以及透明度尤其成像度下降。550处理后镀膜玻璃的雾度比未处理镀膜玻璃的雾度小，说明550处理的二氧化硅膜的光泽性或透明度比未处理的好。由图2中的数据可知，550处理的镀膜玻璃与未处理镀膜玻璃相比，其透光率的增大比率为(87.67-86.8)/87.67×100%=0.99%，而雾度减小比率为(17.3-13.27)/17.3×100%=23.2%；这说明550处理的镀膜玻璃不但透光度高于未处理镀膜玻璃，而且其光泽性也大大优于未处理镀膜玻璃，即其表面均匀性和致密性更好。560和570(尤其是570)处理镀膜玻璃的雾度远大于未处理镀膜玻璃，间接说明560和570处理后二氧化硅膜的致密度和均匀性很差。

表1 不同偶联剂处理的镀膜玻璃样品的透光率和雾度

图2 不同偶联剂处理下的镀膜玻璃样品的透光率和雾度

图3为不同偶联剂处理下二氧化硅膜的表面形貌图，其中(A)和(B)分别为未镀膜的硅酸盐玻璃基体和未使用偶联剂的二氧化硅膜的表面上。从图3(B)中可以看出硅酸盐玻璃基体表面有一层二氧化硅膜，并且膜上有明显的裂纹。出现裂纹是由于在对样品进行扫描电镜测试时，扫描电镜要求的样品尺寸(10mm10mm)远小于本实验制备的样品尺寸(30mm50mm)，因此需要对镀膜玻璃样品进行切割，切割会导致二氧化硅膜上出现裂纹。裂纹的出现从侧面反映未经偶联剂处理的镀膜玻璃中膜和玻璃基体之间的粘结性相对较差。同时，经过硅烷偶联剂处理的镀膜玻璃切割时膜上均没有产生裂纹，说明硅烷偶联剂对二氧化硅膜与无机玻璃之间的界面粘合有一定的促进作用。另外，在图3(B)右下角有部分膜发生轻微脱落的现象，也说明未经偶联剂处理所制备的二氧化硅膜不是十分致密。从图3(C)中可以看出，用550处理硅酸盐玻璃后制备的二氧化硅膜在所有样品中最均匀致密且无明显的缺陷。这与前文对图1和图2分析的结果一致。从图3(D)和图3(E)中看出制备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处理后，镀二氧化硅膜时溶胶容易积聚在一起而导致这种现象。并且我们进行的560和570处理剂处理玻璃的多次实验均出现此类情况。产生溶胶集聚的原因是因为偶联剂560和570与所制备的二氧化硅溶胶浸润性不好，导致二氧化硅膜不能在处理剂表面均匀展开。这种集聚的二氧化硅膜表面会对入射光产生严重的散射，致使其透光率严重下降和雾度迅速上升，这也与前文分析一致。从图3(F)可以看出，镀膜效果与图3(C)有些类似，但是其表面的二氧化硅膜部分区域出现了大块团聚[14-16]现象(如图3(F)中圆圈所示)，大块团聚也会迅速降低镀膜玻璃的透光率。这也与前文分析一致。综上所述，所选偶联剂中，只有550能够最有效的提高镀膜玻璃中二氧化硅膜的表面质量及界面粘结性。

(A)玻璃基体；(B)未使用处理剂；(C)550；(D)560；(E)570；(F)792图3 不同偶联剂处理下二氧化硅膜的表面形貌

3 结论

(1)经硅烷偶联剂550对无机玻璃进行表面处理后，能够提高其表面二氧化硅膜的质量，进而增加镀膜玻璃的透光率。

(2)硅烷偶联剂能有效的提高二氧化硅膜与无机玻璃基体之间的界面粘结。