1、抗紫外安全玻璃的研究进展 *摘要：抗紫外安全玻璃不仅具有优良的抗冲击安全性能，防弹、防盗等，而且具有良好的抗紫外线的效果，其应用十分广泛。本文主要阐述了抗紫外安全玻璃的研究现状、机理、制备方法、主要应用和展望。关键词：抗紫外、PVB、安全玻璃、纳米材料、分散The Progress of research on uvioresistant laminated glassAbstract: Not only dose the uvioresistant laminated glass have excellent safety performance of shock resistance, s
2、uch as bulletproof, guard against theft etc., it also has good uvioresistant effect.So the product has wide applications. This paper mainly describes the present situation of laminated glass，uvioresistant mechanism，preparation methods，main applications and prospects.Key Words: uvioresistant，Polyviny
3、l butyral，laminated glass，nanomaterials ，disperse抗紫外安全玻璃主要是两块玻璃板之间夹有一透明抗紫外粘接层,称作抗紫外中间膜。抗紫外安全玻璃的中间膜是用聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinyl butyral,简称PVB)作基材，将纳米材料和PVB混合溶解，制作成抗紫外中间膜，中间膜粘接两块玻璃构成层合安全玻璃,简单结构如图1。为了提高耐冲击性和耐穿透性,抗紫外安全玻璃有材料的变化、层数的变化以及各厚度的调整。现在主要使用于两种抗紫外薄膜厚度，分别是0.38mm和0.76mm，0.38mm的中间膜主要用于建筑和汽车，而0.76mm的中间膜主要应用于防盗
4、、防弹等用途 1。近数十年,随着氟利昂等氟氯烷类物质使用量剧增,造成臭氧层的破坏与空洞,使得阳光中到达地面的紫外线增强。紫外线虽然具有促进动物体内维生素D的合成,杀菌，保健等功效，但是其会对设施设备造成老化，皮肤的损害，免疫功能的下降和引起皮肤癌和白内障等危害。Woods等 2研究发现,紫外线的照射可导致33.3%的正常人发生免疫抑制,而在皮肤肿瘤患者中其发生率可高达90%。在幼年和青年时期,过多地暴露于太阳光和晒伤的形成会在很大程度上增加患基底细胞癌和鳞状细胞癌的危险。随着经济的快速发展和人们健康意识的增强,如*基金项目:国家自然科学基金资助项目(51003088，50573061)；中央高
5、校基本科研业务费专项资金资助（SWJTU12CX047，SWJTU12CX048） 作者简介：卢金富（1987-） ，男，在读硕士，从事医用高分子材料研究。通讯作者：张志斌，教授，硕导，研究方向：生物医用材料，Email: 何抵御紫外线辐射已引起人们的广泛关注。现今很多国家都广泛开展关于紫外线的危害的研究工作,且加强紫外线强度的监测、预测,并大力研究紫外辐射的防护问题，因此，抗紫外安全玻璃应运而生，应用领域十分广阔。1.抗紫外安全玻璃的研究现状安全玻璃自30年代开始兴起，由于其优良的性能，各国都竞相发展。在欧洲、美国、日本等汽车工业和建筑业发达国家发展较快，使得每年以大约10%以上的速度增长。
6、而中国在1957年上海耀华玻璃厂建成开始，玻璃业逐渐开始发展和增速，每年约几倍甚至几十倍速度增长，近年来由于汽车产业和房地产等建筑业的兴起，安全玻璃的需求量和生产量逐年以极大的速度增加，每年产量约2500万平方米，成为玻璃生产大国。虽然普通的安全玻璃已经在各个领域广泛应用，但抗紫外安全玻璃起步较晚，近几年研究比较热门，这主要是纳米技术的诞生促进了抗紫外安全玻璃的发展。纳米技术在20世纪80年出现，90年代迅速发展和应用。当材料粒径达到纳米级后，其体积效应和表面效应使得磁性、光吸收、催化性和电导性等特别突出 3-5。正因为如此，有许多纳米材料具有良好的吸收紫外线的效果，如纳米TiO 2、纳米Si
7、O 2、纳米Al 2O3、纳米ZnO等 6，将这些材料应用到防护紫外线方面效果极其突出。但是由于纳米材料价格昂贵，只在高档物品及贵重资料方面有所应用，而日常生活方面使用较少，这阻碍其广泛应用。近年来对TiO 2研究最多，技术也相对成熟，科学家也都致力于这些材料的研究，会将纳米材料逐渐运用到抗紫外安全玻璃的应用研究中，造福普通大众。2.抗紫外安全玻璃的抗紫外机理现在抗紫外安全玻璃抗紫外机理主要有两种：一种是吸收屏蔽理论，另一种是光致变引起物质颜色变化。2.1 吸收屏蔽理论 7-8纳米材料的电子结构是由充满电子的价电子带和没有电子的空轨道形成的传导带构成。价带和导带之间的能量差值，称为禁带宽度。当
8、纳米材料受到紫外线照射时，价带的电子激发至导带，发生空穴，形成电子-空穴对。电子-空穴对在材料内迅速移动，而且具有极强有化学活性。激活的电子-空穴对迅速发生各种氧化还原反应后重新结合，将紫外线以热和光的形式释放掉能量。根据光散射理论，光的散射能力和折射率与颗粒粒径有关，颗粒越小，对光的屏蔽能力和折射率越大，对光的散射能力越大。如纳米金红石型TiO 2的禁带宽度约为3.0eV，折射率为2.71；纳米ZnO的禁带宽度约为3.2eV，折射率为2.03，当受到紫外线照射时，二者具有很强的紫外线吸收屏蔽能力 9。2.2 光致变色理论 10-11光致变色物质是近年来研究得较热的一种功能性染料。所谓光致变色
9、就是指一种物质M受到紫外线照射后,可发生光化学反应得到产物N,M和N的颜色明显不同,一般M是无色透明的物质，而N是有颜色物质，可以有效阻碍紫外线的通过。在紫外光照停止时N就能可逆地自动恢复到原来的物质M，保证光线的通过。将这种物质掺杂到PVB中制成夹层安全玻璃,那么这种玻璃除具有本身的一些性能外,还具有调光作用和光致变色性能。刘辉等 12将光致变色吲哚啉螺吡喃化合物掺杂到PVB中制成了一种具有光致变色性能的夹层安全玻璃。在正常情况下，夹层玻璃无色透明，而在紫外光照射下，夹层玻璃变成红色，阻止紫外线的通过。3.抗紫外安全玻璃的制备方法制备抗紫外安全玻璃分两步进行：第一步是纳米材料和PVB制成悬浮
10、液，将其制成均匀透明的抗紫外膜片；第二步是玻璃片与抗紫外膜片的处理加工，形成抗紫外安全玻璃。3.1 制备悬浮液，合成抗紫外膜片纳米颗粒直径在1-100nm之间，使得颗粒比表面积大，比表面能高，属于热力不稳定体系，在制备和处理过程中极易发生粒子凝并、团聚现象，导致应用时颗粒失去应有的物性和功能 13-14,因此，需要对纳米颗粒进行分散。目前纳米材料的分散方法主要有三种：（1）机械分散法：利用高速分散机或精磨机 ,在剪切力或撞击力作用下 ,使纳米颗粒在基体中达到有效地分散。机械分散法可以实现颗粒团聚体的解团 ,效果并不理想。其原因在于尽管使团聚颗粒在强制剪切力作用下解团 ,但颗粒间的吸附引力尤存
11、,解团后又可能迅速团聚长大。朱协彬等 15利用球磨法将ITO粉体在无水乙醇体系分散制备的ITO浆液，与PVB树脂、PVPK30分散剂和异丙醇等作何制备了ITO/PVB涂料，结果发现ITO颗粒分散均匀，具有高的紫外吸收率，制备了抗紫外安全玻璃。（2）超声波分散法：利用超声空化时产生的局部高温、高压或强冲击波和微射流等，弱化微粒间的微粒作用能,有效地对纳米材料进行超声处理,以达到均质、分散、乳化、粉碎等目的。超声波分散法可以使团聚体解团破碎 , 效果比机械分散法理想，但颗粒间的吸附引力依然存在 ,静止后迅速团聚。黄燕 16等研究了纳米氧化锡锑（ATO）在水中的分散性能，结果发现超声波可以获得小粒径
12、且分布窄的分散液，分散效果比机械分散法的效果好。（3）化学法：添加某些化学试剂，与纳米材料相互作用，使得具有良好的分散效果。加入化学试剂有两种效应：一是增加纳米材料的空间位阻效应，使得纳米颗粒难以接触团聚；二是使纳米颗粒表面带有相同电荷，在库仑力的作用下相互排斥阻止颗粒团聚。化学法可以有效的分散纳米颗粒，达到所需要的要求，但加入了化学试剂，可能会影响纳米材料的性质。龚圣等 17以纳米锑掺杂氧化锡(ATO)为原料,采用阴离子、阳离子以及非离子型表面活性剂为分散剂制备了分散稳定的纳米ATO浆料,结果发现添加0.6wt%的SPA分散剂的ATO分散体分散稳定性高，可以防止团聚。将纳米材料与PVB混合，
13、使用以上三种方法将其制备成纳米悬浮液，将悬浮液倒入模具中形成液膜，干燥处理形成均一、透明的抗紫外膜片。3.2 玻璃片与膜片加工成抗紫外安全玻璃将抗紫外膜片夹在两玻璃片之间，在适当高温高压下形成抗紫外玻璃。如康宁玻璃厂在制备抗紫外安全玻璃时,将层合件放到橡皮袋中,抽真空,在235下预压25分钟,然后从袋中取出,在空气蒸压釜中于23550Pa下压制25分钟,冷却即成 18；Saint-Gobain玻璃公司将玻璃板,PVB薄膜及涂有醋酸丁酸纤维素的弱交联聚氨醋放置在一起,在真空中70下加热,然后在130/6大气压(表压)下层合而成 19。4.抗紫外安全玻璃的应用4.1 抗紫外安全玻璃在建筑行业的应用
14、中国经济的迅速发展，带动了房地产的崛起和人们生活水平的提高，人们更加注重建筑的安全和健康。如今在建筑上可以使用各种各样的玻璃。抗紫外安全玻璃要优于其他类玻璃，从安全和健康角度上来说，抗紫外安全玻璃比普通玻璃的强度高4倍以上,具有防弹、防爆、防盗等功能，而抗紫外效果是普通玻璃的10倍以上。即使受到极强的外力冲击,也只会出现放射状的裂痕,而不会有任何碎片飞溅,可有效防止事故发生,同时整块玻璃仍保持原来的形状和一定的可见度,在更换新玻璃之前的一段时间内起到保护作用,继续阻挡外来冲击或风雨侵入。在军事建筑上，抗紫外防弹玻璃极其重要，尤其在高原地带，紫外线比较强，不仅能够抵御枪弹乃至炮弹射击而且可以保护
15、人身健康和防止设备老化；在民用建筑上，抗紫外安全玻璃透明而强度高,用简单工具在规定时间内无法将其破坏,能有效地防止偷盗或破坏事件发生，同时，对于活泼好动的小孩，抗紫外安全玻璃的破碎不会伤害到顽皮小孩，也可以有效保护人们的健康。在公共场所建筑上，如博物馆，档案馆等，必须使用抗紫外安全玻璃，不仅可以防止文物档案的被盗和丢失，而且更能有效防止紫外线对文物档案的损害。4.2 抗紫外安全玻璃在汽车行业的应用玻璃是构成车身的重要附件，对它的要求是具有一定的强度，破碎时不会四散伤人和抗辐射。抗紫外安全玻璃破碎后呈蜘蛛网状不脱落不飞溅，继续留在框内起保护和抗辐射作用。正因为如此，汽车前挡风玻璃多是抗紫外安全玻
16、璃做的。抗紫外安全玻璃具有很高的强度、韧性，而且抗碰撞能力强、安全性好、透明度高，一旦破碎，内外两层玻璃的碎片仍能黏结在PVB薄膜上。抗紫外PVB薄膜具有较大的韧性，在承受撞击时会拱起，从而吸收一部分撞击能量，具有一定缓冲作用。根据美国全国高速公路安全管理局的车祸统计，66%甩出车外的受害者是从侧窗飞出的，甩出和半甩出的人有30%致死。英国伯明翰大学7年跟踪研究表明，从车中甩出的人往往受到严重伤害 20。5.抗紫外安全玻璃存在问题和展望抗紫外安全玻璃主要存在着三个问题：一是材料价格昂贵，阻碍其广泛应用。由于抗紫外安全玻璃需要纳米材料，纳米技术刚刚起步，并不完全成熟，使得材料价格比较昂贵。二是加
17、工合成成品的器械设备价格昂贵，使得成本大大增加。例如，普通玻璃一般一平方米约40元，而一平方米的抗紫外安全玻璃价格在300元左右，是普通玻璃的7倍多。三是制备工艺不成熟。制备出来的抗紫外安全玻璃中抗紫外膜厚度不均一，色泽性差。虽然现在的抗紫外安全玻璃存在着以上三点不足，但随着科学技术的不断提高和社会的发展,其未来的前景是广阔的。建筑业和汽车行业的玻璃总体的发展趋势是节能、安全、环保、健康、时尚。而抗紫外安全玻璃本身就具有这些功能，比如避免因玻璃掉落造成人身和财产损失，6mm厚的普通玻璃对波长380nm的紫外线防御能力为20%，而同样厚度的夹层玻璃防紫外线的能力为90%以上，所以现代建筑和汽车对
18、玻璃的要求，定然为抗紫外安全玻璃提供了巨大的发展空间。参考文献1汤显玉.安全玻璃与中间膜J.精细化工，1988,5（3）:49-552WOODS GM,MALLEY R C ,MULLER H K.The skin immune system and the challenge of tumour immunosurveillanceJ .Eur J Dermatol,2005 ,15 :63-693 Pelet S, Moser J E, Gratzel M. J Phys Chem:B 2000,104(8):1791-17954施利毅. 纳米材料. 华东理工大学出版社，2006.95 L
19、iu L,Zhao Y M, Jia N Q, et al. Tin Sold Films, 2006,503(1-2):241-2456王彦华.无机纳米抗紫外剂的研究进展J.上海建材，2003,4:6-87陈春华.二氧化钛纳米材料生物效应与安全应用M.北京.科学出版社，2010:61-628许并社.纳米材料及应用技术M.北京.化学工业出版社，2004:437-4389Rawat J,Rana S, Srivastava R,et al. Antimicrobial activity of composite nanoparticles consisting of titania photoc
20、atalytic shell and nickel ferrite magnetic core. Mat Sci Eng C-Bio S,2007, 27: 540-54510樊美公.光子存储原理与光致变色材料J.化学进展,1997,9(2):170-178.11孟继本,陆桂芬,赵梓年,等.光致变色纳米复合材料的聚乙烯醇缩丁醛胶片的制备方法P:CN,1 640 929.2007-02-0712刘辉,李陵岚,叶楚平,等.PVB光致变色夹层安全玻璃的制备及性能研究J.中国粘胶剂，2007,11（16）：12-1413卢寿慈.粉体加工技术M .北京:中国轻工业出版社,1999：40-6014方启学.
21、纳米颗粒水基悬浮体的研究J.矿治,1999 ,12 :26-2815朱协彬,伊大鹏,汪海涛,等.ITO/PVB膜制备及其性能研究 J.功能材料，2010：209-21316黄燕,涂伟萍.纳米氧化锡锑粉体在水基体系中的分散研究 J.材料导报，2008,22:78-8117龚圣,宋光泉,周新华,等.纳米锑掺杂氧化锡粒子在水中的分散性研究 J.陕西科技大学学报，2010,28:35-3918U.S.P., 3781184;C.A.,80(24),13445819Ger.2229467;C.A.,80(18),9695520肖艳.透视PVB夹层玻璃及其市场J.GLASSENAMEL.2011,39(5):43-48
