溶膠-凝膠法制備減反射sio

溶膠-凝膠法制備減反射sio

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，熱反射膜玻璃窗簾墻在大型建筑中的應(yīng)用越來越普遍，但同時也導(dǎo)致了“光污染”等環(huán)境問題，這可能會影響建筑周圍居民的生活和交通。根據(jù)菲贊耳反射原理，將一組低折射膜放入基板玻璃中，例如，為了有效提高玻璃的透射能力，可以直接將玻璃的反射能力降低。根據(jù)溶解膠合板法的工藝特點，如果采用該方法，可以直接將鈉鈣尹玻璃的反射能力降低，將成為解決光污染問題的理想方法。一般來說，決定云哥哥薄膜反射效果的主要因素是膜的折射和厚度，以及主要受溶膠成分、陳化時間和加熱溫度等技術(shù)因素的影響。目前，關(guān)于玻璃下落反射膜的研究已報道，但許多研究工作旨在提高基片玻璃的抗激光損傷閾值，但關(guān)于平板玻璃下落反射層的研究很少。本文擬以探索減反射膜在建筑裝飾玻璃中的應(yīng)用為目的,通過研究SiO2薄膜的制備工藝,為進一步開發(fā)減反射膜鍍層在平板玻璃工業(yè)中的應(yīng)用提供必要的基礎(chǔ)研究.1實驗1.1實驗用溶液的制備用北京化工廠生產(chǎn)的分析純正硅酸乙酯(TEOS)、上海振興化工廠生產(chǎn)的分析純無水乙醇和自制的去離子水為原料,以氨水和濃鹽酸為催化劑,按一定的摩爾比將它們混合,并用上海司樂儀器廠生產(chǎn)的85-2型恒溫磁力攪拌器在適當?shù)臏囟认鲁浞謹嚢枋怪鶆?拌勻后用塑料薄膜將盛有混合溶液的燒杯密封,恒溫陳化.經(jīng)過不同時間陳化的SiO2溶膠(以下簡稱溶膠)即為實驗用的各種鍍膜液.本實驗3組溶膠的原料配方列于表1.1.2超聲沖洗、制備選用5mm的浮法玻璃為基片,用清水沖洗后浸入1mol/L的鹽酸溶液中,片刻后取出并進行30min的超聲洗滌,之后再用去離子水漂洗、晾干,最后將其放入干燥的密閉容器內(nèi)備用.1.3制備樣品的準備用KW-4A旋轉(zhuǎn)鍍膜機對基片玻璃進行鍍膜.將一定量經(jīng)過不同時間陳化的溶膠在機器低速旋轉(zhuǎn)時滴加到基片玻璃上,然后慢慢提速并保持一定時間.停機后自然晾干樣品,并在550℃下于實驗爐中熱處理若干小時,最后隨爐冷卻至室溫,即為制得的樣品.1.4薄膜性能檢測用721型分光光度計(上海分析儀器廠)檢測薄膜的透光率;用激光橢圓偏振儀(浙江光學(xué)儀器制造有限公司)測量薄膜的折射率;用SPA300HV原子力顯微鏡觀測薄膜的形貌.2結(jié)果與討論2.1玻璃的減反射效果影響溶膠-凝膠法制備的SiO2薄膜減反射效果的因素較多,但最主要的因素還是鍍膜液的組成.正硅酸乙酯在酸或堿的催化作用下,經(jīng)過水解和縮聚反應(yīng),可以得到納米級的SiO2粒子.所以,當催化劑濃度一定時,SiO2粒子的生長過程就只與正硅酸乙酯、無水乙醇和去離子水等組成的配比有關(guān).不同配比的溶膠鍍膜液具有不同尺寸和粘度的SiO2粒子,它們能夠改變薄膜的厚度和折射率,從而影響薄膜的減反射效果.圖1為基片玻璃B和應(yīng)用表1所列C,D,E溶膠鍍膜制得的3種減反射玻璃樣品的透光率曲線,使用的溶膠均被陳化6d.由圖可知,在整個可見光范圍內(nèi),鍍膜平板玻璃的透光率與表面未鍍膜基片玻璃B相比均有一定程度的提高,各種鍍膜玻璃的減反射效果各不相同,其中D溶膠所制得的樣品的減反射效果相對更明顯.由表1所列的各溶膠鍍膜液的配比可知,增加無水乙醇的含量或降低正硅酸乙酯的含量都可以有效地增強平板玻璃的減反射效果.但需要指出的是:增加或減少這些組分含量時,必須考慮到溶膠水解、縮聚反應(yīng)的速率,要以能夠獲得良好的鍍鏌效果為前提.研究表明,加水量的多少將直接對溶膠的組成產(chǎn)生重要的影響.為了掌握適當?shù)募铀?在實驗中筆者根據(jù)溶膠的粘度大小與其形狀變化的時間成正比的原理,通過觀察溶膠在單位時間內(nèi)流動狀態(tài)的變化,簡單地分析了H2O與TEOS的摩爾比(M)與溶膠粘度之間的關(guān)系.結(jié)果發(fā)現(xiàn):在反應(yīng)初期,不同M值溶膠液的粘度變化并不明顯,這說明在該階段的水解速率與水解產(chǎn)物的縮聚速率相比占據(jù)了主要地位,因而溶膠的增稠速率緩慢;而在反應(yīng)后期,隨著M值的減小,溶膠的增稠速率加快,這與文獻的報道相一致.經(jīng)過反復(fù)的實驗探索,就本實驗所制得的鍍膜溶膠而言,當M值取0.1左右時,溶膠的粘度比較適合應(yīng)用于可見光波長的減反射鍍膜.2.2溶膠時間對薄膜性能的影響圖2是以經(jīng)不同陳化時間陳化后的D溶膠鍍膜得到的玻璃樣品的透光率曲線.曲線D0為陳化時間為0的D溶膠鍍膜玻璃的透光率曲線,而D2,D6,D8,D10分別為D溶膠陳化2,6,8,10d后鍍膜的玻璃樣品的透光率曲線.由圖可知,隨著陳化時間的延長,鍍膜的減反射效果基本增加.如果使用2d陳化時間的溶膠鍍膜,則得到的減反射效果不明顯,其透光率曲線完全與D0的透光率曲線重合.此外,當溶膠陳化時間大于10d時,得到膜層的減反射效果反而有所降低.這可以理解為隨著陳化時間的不斷延長,溶膠的水解、縮聚反應(yīng)將進行得更加充分,有利于形成更多、更大的SiO2粒子,同時溶膠的粘度也會不斷地增加.如果陳化時間不夠充分,則溶膠中SiO2粒子的尺寸就很難達到產(chǎn)生減反射效果的臨界尺度.同理可知,在某一陳化時間段內(nèi),只要能夠得到粒徑分布均勻的SiO2溶膠液,就能夠獲得較好的減反射效果.可是超過一定陳化時間后,由于SiO2粒子的進一步長大,產(chǎn)生了不均勻的大顆粒(團簇),容易造成光的散射損失,從而影響減反射效果.這就是陳化時間過長反而會降低鍍膜減反射效果的原因之一.表2列出了選用不同陳化時間的溶膠對平板玻璃鍍膜后鍍膜折射率的變化.由表可知,鍍膜的折射率也與溶膠的陳化時間有密切關(guān)系,其中陳化時間為8d的鍍膜其折射率最小。另外由圖2可知其減反射效果也最好.根據(jù)菲捏耳的反射原理R=(n0ns?n2cn0ns+n2c)2R=(n0ns-nc2n0ns+nc2)2可知,在入射介質(zhì)(折射率為n0)和基底介質(zhì)(折射率為ns)之間,若鍍有1層厚度為d,折射率為nc的薄膜,則該薄膜的折射率nc越小,其反射率就越小,減反射效果越好.所以,SiO2薄膜產(chǎn)生減反射效果的本質(zhì)是它的折射率的降低,而折射率的變化又與鍍膜溶膠液的陳化時間有關(guān),因而也與SiO2粒子的生長過程有密切關(guān)系.另外,折射率的變化還與薄膜的厚度有著直接的關(guān)系,為此還需要作進一步的研究分析.圖3為通過原子力顯微鏡觀察到的用D溶膠陳化8d后制得的SiO2薄膜表面形貌.該AFM照片清晰地顯示了該玻璃表面上附著許多較均勻的SiO2顆粒,其高低相差僅幾個納米。此外,在這些微小的顆粒之間還存在一定的空隙,但是這些空隙的尺度遠遠小于可見光波長,不會產(chǎn)生光的漫散射,而正是這些顆粒及其周圍存在的空隙,改變了薄膜的折射率.2.3薄膜耐磨性能平板玻璃及其制品在建筑、交通運輸和各經(jīng)濟部門都有著廣泛的應(yīng)用.它們在使用過程中都容易受到沙塵的磨擦,因此研究減反射膜的耐磨性能非常必要.目前,定量測量薄膜的硬度較為困難,通常采用紙擦法來定性地比較這些薄膜的耐磨性能.在本實驗中將鍍有D8溶膠的SiO2薄膜的玻璃樣片放置在自然開放的環(huán)境中分別受塵20d和30d,之后用餐巾紙分別擦洗30次,并測定這些玻璃樣品的透光率,結(jié)果如圖4所示.由圖可知,雖然玻璃樣品經(jīng)過了一定的機械擦洗,但其減反射效果基本上保持不變,說明該鍍膜在實驗條件下,能夠保持較好的耐機械擦洗能力.然而,玻璃在自然環(huán)境中所受到的侵蝕遠比該模擬實驗的條件要苛刻、復(fù)雜得多,因此還應(yīng)該繼續(xù)做更多的實驗工作,包括中、長期的抗磨擦試驗、化學(xué)穩(wěn)定性試驗等.本實驗結(jié)果在一定的程度上為尋找克服幕墻玻璃的光污染問題提供了一條有意義的線索,而對平板玻璃的減反射有待更進一步地研究.3