夹层玻璃PVB黄变缺陷的原因分析及解决方案

吴欢欢

(上海交通大学 材料科学与工程学院，上海 200240)

1 引言

在夹层玻璃的诸多外观缺陷中，夹层PVB材料发生黄变是一种常见的工艺缺陷，其主要表现为夹层玻璃周边的PVB普遍黄变或者是由周边延伸至产品中心有颜色差异的变色，其主要原因为夹层合片后的半成品夹层玻璃在高压釜内的温度过高导致高分子材料的过度老化。而本文中所提及的PVB材料局部黄变的缺陷(见图1)则是非常罕见的现象，其表现为在产品边缘处均出现两处长度约为5 cm的颜色程度不一的黄变。由于黄变缺陷在产品中所占的比例几乎达到100%，对玻璃生产和质量检验造成了很大的困扰，经常遭到客户的投诉和索赔，给工厂带来经济和声誉的双重损失，所以解决PVB局部黄变缺陷已经迫在眉睫。本文的研究目的是找出形成这种黄变缺陷的根本原因，从源头进行控制，以达到提高成品率和经济效益的目的。

图1 夹层玻璃边缘PVB黄变

2 原因分析

夹层玻璃的生产流程为：原片切割、磨边、成型、夹层合片、高压釜处理、产品架包装、储存以及最后运输到客户方。生产线中的产品架是用于放置玻璃产品的，一般玻璃产品生产结束后会被垂直摆放在铺有一层塑料包装薄膜的产品架上，并且在接下来的储存以及运输过程中维持这种包装状态。产品架底座上一般会粘有两条锯齿形的橡胶材料，用于缓冲玻璃与金属产品架的冲击从而避免玻璃在转移或运输过程中破碎。

现场审核以及调查访问中发现经高压釜处理的夹层玻璃均未出现有PVB黄变缺陷，而经过产品架包装的产品在放置一段时间(冬季大约几天，夏季大约6～24 h不等)后就会普遍发生PVB的黄变缺陷，且黄变仅存在于夹层玻璃与产品架底座(宽度约为5 cm)接触的位置。

现场审核中还发现：刚生产放置于产品架上的产品温度均在50 ℃以上(现场审核为夏季)；产品存放一段时间后，塑料包装薄膜与夹层玻璃以及橡胶底座接触的位置也变黄；产品架底座上原为黑色的橡胶材料表面均表现为不同程度的黄色。

从整个生产流程的现场审核情况以及产品发生黄变的位置规律性分析来看，PVB局部黄变产生的可能原因为：(1)较高的产品温度积聚于较小的锯齿空间内，促使PVB局部老化发生黄变；(2)较高温度以及较高的承重条件下的塑料包装膜自身发生老化黄变继而粘附或迁移到PVB上；(3)表面发生黄变的产品架底座的橡胶材料的黄变因素沾污或迁移至与其直接接触的包装薄膜以及间接接触的PVB中。

针对原因(1)，我们选取两块刚生产出来的夹层玻璃直接放置于刚维护过的产品架上(维护即是把经长期使用磨损比较厉害的橡胶底座表面进行修剪，同时挖深锯齿的沟槽)，24 h之后均未出现PVB黄变缺陷。该试验表明，较小的锯齿空间加上较高产品温度与PVB黄变缺陷没有关联。

针对原因(2)，我们把通常使用的塑料包装薄膜替换成胶带粘在发黄的产品架底座上，然后选取两块刚生产出来的夹层玻璃放在上面。24 h后发现两片夹层玻璃均出现相同的PVB局部黄变缺陷，同时胶带也变黄。该试验表明，PVB黄变的直接原因很可能并不是塑料包装材料。

针对原因(3)，我们选取两块刚生产出来的夹层玻璃放置于铺有塑料包装薄膜的刚维护过的产品架上，放置24 h后均未出现PVB黄变缺陷。该试验表明，表面发黄的产品架底座橡胶与PVB局部黄变缺陷有着直接的关联。

3 测试结果及分析讨论

为了深入了解PVB局部黄变的机理，以便采取最合适且有效的措施来降低或避免黄变缺陷的发生。为此，我们选取了4个样品(见表1)，利用傅立叶变换红外光谱以及气相色谱-质谱等测试手段进行进一步的微观分析。

表1 PVB的黄变部分与其参比的成分差异

3.1 傅立叶变换红外光谱测试

为了研究材料黄变的机理并找到PVB的黄变原因，4个样品均使用傅立叶变换红外光谱测试进行表面成分分析。结果显示：(1)PVB：未检测到黄变PVB与参比PVB成分的明显差异；(2)橡胶：橡胶材料为三元乙丙橡胶(EPDM)，但是未检测到黄变橡胶与参比橡胶成分的明显差异。

3.2 气相色谱-质谱测试

为了进一步探索PVB局部黄变的机理，4个样品均进行了气相色谱-质谱检测。气相色谱-质谱的结果显示：(1)PVB：黄变PVB相比参比PVB被检测出更多的有机官能团(见图2，细节见表2)；(2)橡胶：黄变橡胶与参比橡胶未发现明显成分差异，但是，黄变PVB中所检测出的多于参比PVB的有机官能团在黄变橡胶以及参比橡胶中均可以找到。

图2 黄变PVB与参比PVB的TIC谱

官能团名称参比PVB黄变 PVBBenzothiazole无有Acenaphthylene无有Fluorene无有Anthracene无有1H-Cyclopropa[l] phenanthrene,1a,9b-dihydro-无有1,4-Benzenediamine, N-(1-methylethyl)-N′-phenyl-无有

在黄变PVB相对于参比多出来的这些有机官能团中：Benzothiazole(苯丙噻唑)来源于普遍应用于橡胶行业中的硫化促进剂，且表现为黄色；多环芳香烃诸如Acenaphthylene(苊)，Fluorene(芴)和Anthracene(蒽)也为黄色，常用于橡胶添加剂；1,4-Benzenediamine(苯二铵)等来源于普遍用于橡胶行业的防老剂(4010NA)。

值得注意的是，EPDM是非极性饱和橡胶，有着对促进剂以及防老剂的低溶解度。且此橡胶中的添加剂由于不合适的配方、工艺、承重或储存的温湿度相对较容易从体材料中迁移至橡胶表面，这就是所谓的"喷霜"现象。而这些带有颜色或者见光后会带有颜色的添加剂可以迁移至与此橡胶接触的高分子材料中。因此，PVB局部黄变缺陷的根本原因很可能就是由于EPDM橡胶喷霜的迁移。这也很好地解释了此案例中所涉及的其他高分子材料(塑料包装薄膜以及原因分析中的胶带)的变色现象，以及不同季节的变色时间差异现象。

4 优化

结合测试的分析结果，有三个可选的解决方案：(1)在夹层玻璃产品与EPDM橡胶底座之间加一层无机材料，用来隔离喷霜迁移；(2)经常维护EPDM橡胶底座；(3)选用不易发生喷霜的以过氧化物作为硫化剂的橡胶材料作为产品架的底座材料。考虑到实施的便利性、有效性以及成本控制的需求，工厂采取了方案(1)，且达到了预期的效果，PVB局部黄变的缺陷率由优化前的几乎100%降低到0。

5 结论

通过对夹层玻璃在包装储存过程中发生PVB局部黄变缺陷的原因分析以及多种测试手段进行分析验证，确定了产品架底座的橡胶材料是影响PVB变色形成的主要因素。以此为依据，在方便操作以及成本控制的前提下用无机材料进行产品与影响因素之间的隔离，较好地实现了预期目标。本文的研究方法和实验结果对夹层玻璃的其他夹层材料如乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)等高分子材料在生产过程中黄变缺陷的问题解决也具有借鉴和指导意义。