Na_2SiF_6和ZnCl_2对玻璃防眩光效果的影响研究.docx

Na2 SiF6和Zn Cl2 胡沛然1对玻璃防眩光效果的影响研究韩文爵2 3王海风1罗春炼1(1 . 东华大学材料科学与工程学院 ,上海 201620 ; 2 . 先进玻璃制造技术教育部工程研究中心 ,上海 201620)摘 要 采用 X 射线衍射法分析了防眩光玻璃蚀刻过程中生成晶体的种类 ; 用 X 射线光电子能谱仪比较分析了反应前后玻璃表面化学成分的变化 ;用光电雾度仪比较分析了随着部分成分或外部条件的变化 ,玻璃的透过率及雾度的变 化规律 ;用数码相机对玻璃蚀刻前后的防眩效果进行比较观察 在此基础上 ,探讨相关反应机理 ,并得出了玻璃最佳防眩效果所对应的条件 关键词 防眩光玻璃 ,蚀刻 ,透过率 ,雾度Inf l uence of Na2 SiF6 and Zn Cl2 on the ant i2glare gla ssH u Pei ra n1Ha n We nj ue2Wa ng Haif e ng1 L uo Ch u nlia n1(1 . Colle ge of Mat e rial s Scie nce a nd Engi neeri ng , Do ngh ua U niver sit y , Sha nghai 201620 ;2 . Engi nee ri ng Re sea rc h Ce nt er of A dva nced Gla ss Ma nuf act uri ng Tec h nolo gy , Mi ni st r y of Educatio n , Sha nghai 201620)AbstractThe kinds of cr ystal s wa s a nal ysed in t he a nti2gla re gla ss p repa red p rocess by t he p ha se a nalysi s of XRD ;t he cha nge of exter nal chemic element wa s a nal ysed by t he XPS ; t he t ransmit ta nce a nd ato mizatio n degree of gla ss var y wit h t he co ntent of p artial ingredient a nd exterio r co nditio n wa s tested by using p ho toelect ric ato mizatio n degree inst r u2 ment ; t he a nti2glare eff ect of etched gla ss wa s o bserved by using digital ca mera . We di scussed co r relative reactivit y p rinci2 ple , and fo und reactive co nditio n of t he be st a nti2glare eff ect .Key wordsanti2gla re gla ss , etch , t ra nsmit ta nce , ato mizatio n degree防眩光玻璃在显示屏 、 户外广告牌 、 信息显示屏 、 高级相框 、 等离子显示器 、 大型玻璃展柜等领域均有着广泛的应 用 。

化学蚀刻因其方法简单 、 操作容易 、 适合于大面积玻璃蚀 刻及大规模生产的特点而倍受关注 在防眩光玻璃的生产过程中 ,刻蚀液的化学组成成分 、 蚀刻时间和外部条件如温 度 、湿度等因素 ,都会影响到玻璃蚀刻后的光透过率和雾度 ,从而 关系到产品的实际使用价值 ,因此研究防眩光玻璃化学蚀刻的反应机理和工艺流程 ,有着十分重要的意义 笔者采用 X 射线衍射和 X 射线光电子能谱的方法对玻璃 蚀刻后生成的晶体以及表面化学成分的变化进行测试 ,探究玻璃蚀刻过程中的反应机理 ;通过刻蚀液中部分化学成分 、 蚀 刻时间和外部条件如温度 、 湿度等因素的变化 ,采用光电雾度仪比较分析了所得玻璃样品的透过率和雾度 ,探讨了玻璃最 佳防眩效果所对应的条件 ; 此外还对玻璃表面的防眩效果进行了对比观察 BaSO4 ) 、 氟 化 钙 ( Ca F2 ) 、 氯 化 锌 ( ZnCl2 ) 、 氟 硅 酸 钠( Na2 Si F6 ) 、 硫酸 ( H2 SO4 ) 、 无 水 乙 醇 ( C2 H5 O H ) 以 及 蒸 馏 水( H2 O) 样品采用 Na2 O2CaO2SiO2 系统平板玻璃 (窗玻璃) 作为基 片 ,尺寸为 40mm ×40mm ×4mm , 其 化 学 组 成 为 : SiO2 721 0 、Al2 O3 11 2 、Fe2 O3 01 1 、CaO 81 1 、MgO 31 5 、R2 O ( Na2 O + K2 O)141 6 、SO3 01 3 ( wt%) 。

蚀刻前样品用蒸馏水冲洗 ,再用无水乙醇浸泡 ,然后再用蒸馏水冲洗 、 干燥 ,得到清洁的表面 11 2 实验步骤称取 10g 的 N H4 H F2 、30g 的 N H4 F 、5g 的 ( N H4 ) 2 SO4 、10g 的 Ba SO4 和 5g 的 Ca F2 ,充分混合 ,再加入 20 mL 的浓硫 酸和 120 mL 的蒸馏水 ,最后按占原料总重 1 % 、2 % 、3 % 、5 % 、8 % 、10 %的比例分别添加氟硅酸钠和氯化锌 , 配制出多份刻 蚀液 ,分别置于 500mL 的塑料量杯内 将清洗好的玻璃不需 刻蚀的一面屏蔽 ,然后将玻璃样品分别浸泡于配制好的刻蚀 液中 ,采用 水 浴 恒 温 箱 精 确 控 制 反 应 温 度 (25 ℃, 精 确 度 ±01 1 ℃) ,并保持一定时间 , 反应结束后立即取出样品 , 用蒸馏水冲洗 ,烘干至恒重 11 3 样品测试利用 D/ Max22550 型 X 射线衍射仪分析防眩光玻璃蚀刻1实验部分11 1反应试剂实 验 中 所 用 的 分 析 纯 试 剂 , 主 要 有 : 氟 化 氢 铵( N H4 H F2 ) 、 氟 化 铵 ( N H4 F) 、 硫 酸 铵 [ ( N H4 ) 2 SO4 ] 、 硫 酸 钡基金项目 :上海市大学生创新活动计划项目 ( X12070444) ;上海市重点学科建设项目 (B603)作者简介 :胡沛然 ( 1987 - ) ,男 ,在读本科生 。

联 系 人 :韩文爵 ( 1949 - ) ,男 ,高级工程师 ,硕士研究生导师 ,主要从事玻璃 、 陶瓷 、 复合材料及军工型号材料的研究 第 11 期胡沛然等 : Na2 Si F6 和 ZnCl2 对玻璃防眩光效果的影响研究·85 ·881 4 % ;当氟硅酸钠的含量超过 2 %后 ,玻璃的透过率呈轻微 下降 趋 势 , 但 玻 璃 样 品 的 光 透 过 率 始 终 保 持 在 86 %～ 89 %之间 玻璃表面的化学刻蚀机理 ,已有很多讨论 [ 228 ] 本方法认 为氢氟酸与 SiO2 的反应如下 :后表面的晶体类型 ;用 Krato s A xi s Ult ra DL D 型 X 射线光电子能谱仪 比 较 分 析 反 应 前 后 玻 璃 表 面 化 学 成 分 的 变 化 ; 用 W GW 型光电雾度仪比较分析随着部分成分或外部条件的变 化 ,玻璃的透过率及雾度的变化规律 ;用数码相机对玻璃蚀刻前后的防眩效果进行比较观察 ≡Si2O2Si ≡ +H + F -→ ≡Si2O H+ ≡Si2F(1)结果与讨论2具有极性的 Si2O 基可写成 Si δ+O δ- 的形 式 ,分别21 1 氟硅酸钠含量对玻璃透过率及雾度的影响 根据晶体保护层理论 [ 1 ] ,为了使玻璃 获得较高的光透过率和雾度 ,达到最佳的防眩效果 ,就必须找到晶体生长的最佳 条件 。

除了温度和时间的控制以外 ,还要对反应物的成分 、 大小尺寸有一定的控制 ,为此我们对原料中的微量物质氟硅酸 钠对玻璃的侵蚀效果进行了研究 ,以获得最适合配比的氟硅 酸钠组成含量 由表 1 和图 1 可知 ,随着氟硅酸钠含量的增加 ,玻璃的雾度呈现先高后低的趋势 当氟硅酸钠含量达到 1 %时 ,玻璃的 雾度最高 ,为 51 8 % ;但是当氟硅酸钠的含量超过 1 %以后 ,玻璃的雾度反而随着氟硅酸钠含量的增加而降低 表 1 氟硅酸钠含量与玻璃雾度及透过率之间的关系受到 F - 亲核或 H + 亲电子进攻 ,此过程如下式所示 :开始状态过渡状态(2)≡Si2O H 还继续与氢氟酸反应 ,如 :Si ( O H) 4 + 6 H F ∴H2 Si F6 + 4 H2 O 钠钙玻璃与氢氟酸的反应为 :Na2 OCaO ·6 SiO2 + 28 H F ∴ 2Na F + Ca F214 H2 O(3)+ 6 Si F4+(4)Si F4 常态下是气态 ,但在氢氟酸溶液中来不及挥发 ,而与H F 反应 ,生成络合氟硅酸 :3 Si F4 + 3 H2 O ∴H2 SiO3 + 2 H2 Si F6Si F4 + 2 H F ∴H2 Si F6(5)(6)氟硅酸钠含量/ %雾度/ %光透过率/ %012358103 . 85 . 83 . 92 . 92 . 41 . 81 . 587 . 486 . 888 . 487 . 487 . 386 . 686 . 4氟硅酸与硅酸盐水解产生的氢氧化物相互作用得到氟硅酸盐 :Na2 SiO3 + 2 H2 O ∴2NaO H + H2 SiO3H2 Si F6 + 2NaO H ∴Na2 Si F6 + 2 H2 O Ca SiO3 + 2 H2 O ∴Ca ( O H) 2 + H2 SiO3H2 Si F6 + Ca (O H) 2 ∴Ca Si F6 + H2 SiO3(7) (8) (9)(10)( 注 :以上实验数据均是重复 4 次反应所取平均值) 生成在玻璃表面的 Na2 Si F6 和 Ca Si F6 等难溶性氟硅酸盐晶体 。

在同时含有 2 %氟硅酸钠 和 3 %氯化锌组分的刻蚀液 中 ,浸入玻璃进行刻蚀反应 ,通过反应后对玻璃表面的晶体进行 XRD 图谱分析 ,如图 3 所示 图 1 氟硅酸钠含量与玻璃雾度之间的关系由表 1 和图 2 可知 ,随着氟硅酸钠含量的增加 ,玻璃的透过率也呈现出比较明显的趋势 虽然 ,在氟硅酸钠含量小于2 %时 ,光透过率曲线略有弯曲 ,但总体变化趋势还是相当明 显的 当 氟 硅 酸 钠 含 量 达 到 2 %时 , 玻 璃 的 透 过 率 最 高 , 为图 3 反应后玻璃粉 X 射线衍射图侵蚀后玻璃 的 表 面 性 质 取 决 于 氢 氟 酸 和 玻 璃 表 面 作 用后 ,所生成盐类的性质 、 溶解度的大小 、 结晶的精细程度以及 是否容易从玻璃表面清除 如生成的盐类溶解度小 , 且以结 晶状态保留在玻璃表面上 ,不易清除 ,遮盖玻璃 ,阻碍氢氟酸与玻璃接触反应 ,则玻璃表面受到的侵蚀不均匀 ,得到粗糙而 无光泽的表面 ,即是蒙砂玻璃 ,对于化学刻蚀来讲 ,就是毛面图 2 氟硅酸钠含量与玻璃透过率之间的关系化 工 新 型 材 料第 37 卷·86 ·刻蚀 。

Na2 Si F6 和 Ca Si F6 的盐类即是如此 此外 ,表面所生成的 Na2 Si F6 、ZnSi F6 等难溶性晶体还可 以通过对反应前后玻 璃表面化学成分变化的 XPS 图谱来分析 图 4 中 ,0 号样品是未经蚀刻液处理 , 1 号样品经添加了 氟硅酸钠的蚀刻液处理 经对比分析可知 , 玻璃在发生刻蚀反应后 ,其表面会生成。