李運(yùn)濤， 李林林， 白 文， 劉存海

(陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

在玻璃制造行業(yè)和玻璃加工行業(yè)中，光電顯示玻璃由于其應(yīng)用的廣泛性，而形成了一個(gè)國(guó)際性范圍的產(chǎn)業(yè)鏈[1].無論是電視光顯玻璃[2]、電腦光顯玻璃[3]、航天航海導(dǎo)航光顯屏、車載導(dǎo)航儀[4]，還是手機(jī)光顯玻璃、精密儀器光顯屏[5]，都是由玻璃加工行業(yè)完成.在玻璃加工中應(yīng)用尤為廣泛的是高鋁玻璃，由于氧化鋁含量高，化學(xué)穩(wěn)定性好，化學(xué)強(qiáng)化具有優(yōu)良的力學(xué)性能，尤其在抗壓、硬度、韌性和抗劃傷等方面表現(xiàn)突出，制成的觸摸屏蓋板玻璃[3]廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦、數(shù)碼相機(jī)和光學(xué)鏡頭等行業(yè)領(lǐng)域.

隨著玻璃產(chǎn)品的不斷應(yīng)用和更新，同時(shí)帶來了大量的光污染，解決了光學(xué)玻璃材料的光污染問題，已是科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)[6].減免和消除光污染的方法主要有：①物理拋磨法[7]；②噴沙法[8]；③激光法；④化學(xué)蒙砂法等方法[9,10].這些方法雖然均具有減免光污染的優(yōu)點(diǎn)，但就其生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量均一性、蒙砂粒度等方面，仍然存在著一定的問題.

本研究通過選擇合適的蒙砂液配方以及溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件，制備高透蒙砂玻璃，運(yùn)用不同的測(cè)試手段對(duì)其光學(xué)性能和表面形貌進(jìn)行了表征，對(duì)玻璃表面的蜂窩形貌進(jìn)行分析，解釋了蒙砂玻璃防眩光的原理.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

(1)主要試劑與材料：氟化鈉，AR，天津華達(dá)化工有限公司；硫酸銨，AR，天津華達(dá)化工有限公司；硫酸鈉，AR，天津華達(dá)化工有限公司；四硼酸鈉，AR，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；濃硫酸，AR，天津市耀華化學(xué)試劑有限責(zé)任公司；高鋁玻璃基片，玻璃基片組成為SiO2、A12O3、MgO、Na2O、K2O、CaO、BaO等，厚度為0.82 mm，尺寸大小為300 mm×300 mm，深圳金鴻樺燁電子有限公司.

(2)主要儀器：S-4800型環(huán)境掃描電子顯微鏡，日本日立公司；CQ-60G光澤度儀，深圳市成企鑫科技有限公司；SJ-210表面粗糙度測(cè)量?jī)x，日本三豐公司；X射線能譜儀，EDAX公司；WGT-S透光率測(cè)定儀，上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司；SPI3800N/SPA400原子力顯微鏡，日本精工.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 蒙砂液各成分用量的確定

蒙砂時(shí)間和溫度一定的條件下，以氟化鈉(A)、硫酸銨(B)、硫酸鈉(C)、水(D)和四硼酸鈉(E)為蒙砂液設(shè)計(jì)的影響因素，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn).在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)L16(54)的正交試驗(yàn)，對(duì)蒙砂液各組分配比進(jìn)行優(yōu)化，得出蒙砂液的最優(yōu)配比.單因素水平如表1所示.

表1 因素水平表

1.2.2 蒙砂工藝

(1)玻璃蒙砂工藝流程

玻璃樣品清洗→干燥→預(yù)處理→蒙砂→工件清洗→干燥→儀器測(cè)試→成品.

(2)實(shí)驗(yàn)步驟

將玻璃樣品放入乙醇、丙酮溶液分別浸泡5 min，將玻璃表面吸附的灰塵和油脂等清洗干凈，再將玻璃放入超聲清洗機(jī)中超聲處理10 min，然后用去離子水清洗，烘干.最后得到表面清潔的玻璃基片.

把氟化鈉、硫酸銨、硫酸鈉、四硼酸鈉和水，按一定的比例混合，配成蒙砂液，然后用恒溫磁力攪拌器將溶液攪拌均勻，在25 ℃熟化8 h后使用.

1.3 蒙砂樣品的結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試

1.3.1 結(jié)構(gòu)表征

采用掃描電子顯微鏡觀察蒙砂前后玻璃表面形貌；采用原子力顯微鏡觀察蒙砂前后玻璃表面形貌；通過X射線能譜儀分析蒙砂前后玻璃表面元素含量變化情況.

1.3.2 性能測(cè)試

采用光澤度儀測(cè)定蒙砂后玻璃的表面光澤度；采用表面粗糙度測(cè)儀測(cè)定蒙砂后玻璃的表面粗糙度；采用紫外可見分光光度計(jì)，在580 nm波長(zhǎng)處，以未蒙砂玻璃樣品作為對(duì)照，測(cè)定蒙砂玻璃的透光率.

2 結(jié)果與討論

2.1 蒙砂液最佳配比的確定

表2是蒙砂液配比的正交試驗(yàn)結(jié)果.由表2可知，蒙砂液最優(yōu)組合為A2B4C3D3E2，即蒙砂液最佳配比(質(zhì)量比/g)為NaF∶(NH4)2SO4∶Na2SO4∶H2O∶Na2B4O7·10H2O=5.5∶1.5∶1.6∶9.3∶0.2.

表2 蒙砂液配比的正交試驗(yàn)結(jié)果表

2.2 最佳蒙砂工藝參數(shù)的確定

根據(jù)晶體保護(hù)層理論[11-13]，為了使玻璃獲得較高的透光率，必須找到玻璃蝕刻過程中晶體生長(zhǎng)的最佳條件，除了對(duì)起主要作用的反應(yīng)物進(jìn)行控制以外，蒙砂溫度、時(shí)間和蒙砂液pH等工藝條件對(duì)蒙砂效果起著至關(guān)重要的影響，因此也要有一定的控制.

2.2.1 不同蒙砂時(shí)間對(duì)蒙砂玻璃透光率的影響

在一定蒙砂液pH和蒙砂溫度條件下，對(duì)高鋁玻璃進(jìn)行蒙砂處理，以蒙砂后玻璃透光率對(duì)蒙砂時(shí)間作圖，結(jié)果如圖1所示.

圖1 蒙砂時(shí)間對(duì)透光率的影響

由圖1可知，玻璃的透光率隨著時(shí)間的變化整體呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì).當(dāng)蒙砂時(shí)間為9 min時(shí)，玻璃的透光率達(dá)到最高，為95.9%，而隨著蒙砂時(shí)間的延長(zhǎng)，蒙砂玻璃的透光率逐漸降低，是由于溶解度很低的氟硅酸鹽晶體覆蓋在玻璃表面，阻止蒙砂液對(duì)玻璃的進(jìn)一步侵蝕，從而導(dǎo)致蒙砂玻璃透光率降低.

2.2.2 不同蒙砂溫度對(duì)蒙砂玻璃透光率的影響

在蒙砂時(shí)間9 min和一定蒙砂液pH，不同蒙砂溫度條件下，對(duì)高鋁玻璃進(jìn)行蒙砂處理，以蒙砂后玻璃透光率對(duì)蒙砂時(shí)間作圖，結(jié)果如圖2所示.

圖2 蒙砂溫度對(duì)透光率的影響

由圖2可知，玻璃的透光率隨溫度的變化呈先增高后降低又增高的趨勢(shì).在蒙砂溫度為25 ℃時(shí)，蒙砂玻璃的透光率達(dá)到最高，為95.9%.分析其原因，隨著溫度的不斷升高，蒙砂速率逐漸加快，當(dāng)溫度為25 ℃時(shí)，玻璃表面超微晶粒子基本形成，均勻分布于玻璃表面，此刻透光率最高.但是隨著溫度的進(jìn)一步提高，覆蓋在玻璃表面超微晶粒子被溶解，使得玻璃原有的表面形狀被破壞，原來的玻璃形貌被蝕刻變淺，因此對(duì)光的捕捉效果變差，透光率降低.

2.2.3 不同蒙砂液pH對(duì)蒙砂玻璃透光率的影響

在溫度為25 ℃和時(shí)間9 min條件下，探討不同pH對(duì)蒙砂玻璃透光率的影響，以蒙砂后玻璃的透光率對(duì)蒙砂液pH作圖，結(jié)果如圖3所示.

圖3 蒙砂液pH對(duì)透光率的影響

由圖3可知，透光率隨pH的變化整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).當(dāng)pH=2.5時(shí)，蒙砂玻璃的透光率最大，為95.7%，蒙砂效果良好.分析原因，當(dāng)pH<2.5時(shí)，HF濃度過大，蒙砂反應(yīng)速率較大，大量超微晶粒子在玻璃表面生成并堆積，導(dǎo)致玻璃表面均一性變差，此時(shí)玻璃透光率較低；當(dāng)pH=2.5時(shí)，透光率達(dá)到最高，為95.7%；當(dāng)pH>2.5時(shí)，溶液產(chǎn)生的HF濃度逐漸減小，玻璃受蒙砂程度不斷降低，蒙砂效果變差，從而導(dǎo)致玻璃的透光率降低；故選pH=2.5時(shí)為最佳的蒙砂液pH值.

綜上所述，本文選擇蒙砂時(shí)間9 min，溫度為25 ℃，pH=2.5作為玻璃蒙砂的最優(yōu)工藝條件.

2.3 蒙砂時(shí)間對(duì)玻璃表面光澤度與粗糙度的影響

在pH=2.5和溫度為25 ℃的條件下，以最優(yōu)蒙砂液配比對(duì)高鋁玻璃基片進(jìn)行蒙砂處理，觀察不同蒙砂時(shí)間對(duì)玻璃表面光澤度與粗糙度的影響，結(jié)果如圖4所示.

圖4 蒙砂時(shí)間對(duì)光澤度和粗糙度的影響

從圖4可知，蒙砂處理后玻璃的光澤度隨著時(shí)間的變化整體呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，而蒙砂后玻璃的表面粗糙度隨著時(shí)間的變化整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì).蒙砂時(shí)間為9 min時(shí)，玻璃的光澤度達(dá)到最高，為86.9 Gs；粗糙度基本不變，為0.08μm，達(dá)到高透蒙砂玻璃對(duì)光澤度與粗糙度的要求.

結(jié)合2.2所述，可知光蒙砂玻璃的透光率越大，蒙砂玻璃表面粗糙度越低，光澤度越高.

2.4 蒙砂溫度對(duì)玻璃表面光澤度與粗糙度的影響

在pH=2.5和時(shí)間為9 min的條件下，以最優(yōu)蒙砂液配比對(duì)玻璃基片進(jìn)行蒙砂處理，觀察不同蒙砂溫度對(duì)玻璃表面光澤度與粗糙度的影響，結(jié)果如圖5所示.

圖5 蒙砂溫度對(duì)光澤度和粗糙度的影響

從圖5可知，蒙砂處理后玻璃表面光澤度隨著溫度的變化整體呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，而粗糙度隨著溫度的變化整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì).在蒙溫度25 ℃時(shí)，玻璃的光澤度最高，為85.1 Gs；玻璃的粗糙度基本不變，為0.08μm，達(dá)到高透蒙砂玻璃對(duì)光澤度與粗糙度的要求.

結(jié)合章節(jié)2.2所述，可知蒙砂玻璃的透光率越大，玻璃表面光澤度越高，粗糙度越低.

2.5 蒙砂玻璃表面分析

為了更清楚的了解蒙砂處理后玻璃的表面變化對(duì)光學(xué)性能的影響以及對(duì)蒙砂效果的評(píng)價(jià)，在pH=2.5，溫度為25 ℃，蒙砂時(shí)間9 min條件下，以最優(yōu)蒙砂液配比對(duì)高鋁玻璃基板進(jìn)行蒙砂處理，對(duì)蒙砂玻璃表面進(jìn)行了SEM、AFM和EDS分析.

2.5.1 SEM分析

圖6(a)、(b)分別為蒙砂前后玻璃理片的表面SEM圖.由圖6(b)可以看出，蒙砂處理后的玻璃樣品表面生成大量超微晶粒子(氟硅酸鹽晶體)，晶粒尺寸較小，分布均勻，凹坑和裂紋不明顯，玻璃表面平整，蒙砂樣品表面均一性較高.

(a) 未蒙砂玻璃基片的SEM圖

2.5.2 AFM分析

圖7(a)、(b)分別為未蒙砂玻璃基片和蒙砂玻璃的表面AFM圖片.從圖7(b)可以看出，玻璃表面經(jīng)過蒙砂后，形成了許多大小不一凹坑，也是顯微鏡照片中的蜂窩狀形貌的原始形態(tài).而這些凹坑的旁邊有許多微小的形狀不同的凸起或者凹坑，當(dāng)光照時(shí)，光在玻璃表面的這些蜂窩狀孔洞中被捕捉，而無法被反射出來導(dǎo)致了反射率的降低，而光通過在玻璃蜂窩狀峰之間的反射和折射，最終透過玻璃，從而大大提高了玻璃的透光率.這就是蒙砂玻璃高透過率形成的主要原因.同時(shí)，也為蒙砂玻璃防眩效果的形成提供了最基本的形貌特征[14]，為解決光污染問題提供了有效途徑.

(a) 未蒙砂玻璃基片的AFM圖

(b) 蒙砂玻璃基片的AFM圖圖7 蒙砂前后玻璃的AFM圖

2.5.3 EDS分析

分別對(duì)蒙砂前后的玻璃基片進(jìn)行X射線能譜分析，得到未蒙砂玻璃表面各元素含量比(摩爾百分比/%)為Si∶O∶Na∶Mg∶K∶Al = 29.69∶45.52∶9.62∶4.41∶3.61∶7.16，蒙砂玻璃表面各元素含量比(摩爾百分比/%)為Si∶O∶Na∶Mg∶K∶Al = 29.17∶45.86∶9.83∶4.30∶3.72∶7.13，可知蒙砂前后玻璃表面?zhèn)€元素含量基本無變化.再結(jié)合蒙砂前后玻璃基片的EDS譜圖進(jìn)行分析，如圖8和圖9所示.

圖8 未蒙砂玻璃基片的EDS譜圖

圖9 蒙砂玻璃基片的EDS譜圖

從圖8和圖9可以看出，蒙砂前后樣品后樣品的譜圖非常相似，基體Si的量稍有波動(dòng)，O/Si比例近似為1/2，結(jié)構(gòu)基本無任何改變，說明玻璃的蒙砂效果較良好，無新元素引入，不會(huì)對(duì)高鋁玻璃原有的優(yōu)良性能造成影響.

3 結(jié)論

(1)采用單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定了玻璃蒙砂液的最佳配比(質(zhì)量比/g)為：NaF∶(NH4)2SO4∶Na2SO4∶H2O∶Na2B4O7·10H2O=5.5∶1.5∶1.6∶9.3∶0.2.

(2)以最佳配比配置蒙砂液對(duì)玻璃進(jìn)行蒙砂，然后通過研究各種工藝條件對(duì)玻璃透光率的影響.結(jié)果表明，要得到高透蒙砂玻璃，選擇的最佳蒙砂工藝條件為：蒙砂液pH=2.5，蒙砂溫度25 ℃，時(shí)間9 min.

(3)利用不同測(cè)試手段蒙砂產(chǎn)品進(jìn)行了表征，獲得蒙砂玻璃的透光率為95.9%，光澤度為86.9 Gs，粗糙度為0.08 μm；SEM顯示蒙砂玻璃表面平整度高，均一性好；EDS測(cè)試表明，蒙砂前后玻璃表面所含元素基本無變化，無新元素引入，達(dá)到預(yù)期要求；通過AFM分析，進(jìn)一步解釋了蒙砂玻璃防眩光，可解決光污染問題的原因.

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