夹层玻璃用高性能PVB薄膜的制备和性能研究

摘要

聚乙烯醇缩丁醛简称PVB，是聚乙烯醇和丁醛在少量矿物酸的催化下的缩合产物。PVB坚韧灵活、粘结力强并且常温下抗冲击强度出色，这些性能使其广泛应用于夹层玻璃的玻璃夹层原料。然而，相比于上述卓越特性，PVB的热稳定性相形见绌，并成为在高温下削弱其力学性能的主要原因。商业生产的PVB大都添加增塑剂以改善其力学强度，而增塑剂的加入又降低了PVB的玻璃化温度等热学性能。PVB中醛基及羟基的含量也一定程度上决定了PVB的热学和力学性能。无机物二氧化锆(ZrO2)强度高、热稳定性卓越。所以本实验的目的是通过溶胶凝胶法将ZrO2纳米粒子掺杂至四种PVB中以改善PVB的热学和力学性能，进而用改进的PVB-ZrO2杂化薄膜作为夹层制作试验用夹层玻璃并且测试其抗冲击强度、透明度等力学和光学性能。本实验中根据缩醛度即羟基含量的不同，四种PVB试样记为PVB60H、塑化PVB60H、PVB60HH、PVB60T，其中缩醛度最低为T而缩醛度最高为HH。对试验制得的PVB-ZrO2杂化薄膜及制得的夹层玻璃进行一系列如动态机械分析(DMA)、热机械分析(TMA)、拉伸试验、抗冲击测试和光学透明度测试后发现以下结果：
　　 动态机械分析结果显示PVB分子中所含羟基含量越高，PVB的玻璃化温度(Te)的值就越高：PVB60HH中的羟基含量为12-16％，而PVB60T中的羟基含量24-27％；同样为含10wt％ZrO2纳米粒子的PVB60HH-ZrO2和PVB60T-ZrO2，后者的Te就比前者高10℃左右。增塑剂降低了PVB的玻璃化温度，而掺杂一定含量的ZrO2纳米粒子并经较高温度下退火处理可有效提高PVB-ZrO2杂化薄膜的Tg，并有效减缓Te以上PVB薄膜储能模量的下降趋势。热机械分析结果显示，ZrO2可与PVB中羟基反应生成交联网络结构，从而使杂化薄膜的绝对热膨胀系数下降1到2个数量级。此外，ZrO2纳米粒子和较高的退火温度提升了薄膜的杨氏模量但同时降低断裂伸长，增强薄膜的硬度并获得适当的韧度。将掺杂2.5-10 wt％的ZrO2纳米粒子并经过高温退火后的PVB薄膜制成试验用夹层玻璃后，其抗冲击性能得以改善。其中，由于粘结性能优越、拉伸强度与断裂伸长适中，掺杂2.5/5/10wt％ZrO2纳米粒子、退火温度为100℃的PVB60HH-ZrO2夹层玻璃其抗冲击性能可与同等ZrO2含量和退火温度的塑化PVB60H-ZrO2夹层玻璃相媲美。在透光度方面，掺杂10wt％的ZrO2纳米粒子不会影响玻璃的透明度，但塑化PVB薄膜的夹层玻璃的透明度比其他三种夹层玻璃低3-5％。PVB60H/塑化PVB60H-ZrO2夹层玻璃有卓越的抗紫外线功能，而PVB60HH/PVB60T-ZrO2夹层玻璃能透过60-80％的紫外线，可以考虑在今后的试验中加入功能性无机纳米粒子解决抗UV性能较差的问题。