铝硅玻璃基材受紫外辐照特性研究

来源:用户上传      作者:平文亮 黄军 周翔磊 王小平

　　摘   要：实验采用高纯原料和商业化铝硅酸盐玻璃作为研究对象，通过以365nm和380nm为主波长的紫外光辐照。研究其辐照前后的色差和透过率变化特性，结果表明玻璃产生色差的主要原因是玻璃中的Fe等着色离子，在辐照过程中吸收紫外光能量从而发生了价态变化，产生色差。高纯原料的玻璃其经过相同能量的辐照后，色差值不足商业化铝硅酸盐玻璃的1/20，且二者的色度变化皆为b*正向增加（即发黄）。此外在可见光范围内，辐照后透过率衰减程度随波长的增加而减少;同一波段，随着紫外辐照能量的累积，透过率衰减逐渐减少，并具有一定的数据函数关系。
　　关键词：铝硅酸盐  盖板玻璃  紫外  色差  透过率  吸收率
　　中图分类号：U270.42                              文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）10（a）-0060-05
　　Abstract： The experiment used the glass with high-purity raw materials and the commercial glass as the research object， and irradiated by the ultraviolet light with 365 nm and 380 nm as the main wavelengths. The characteristics of chromatic aberration and transmittance change before and after irradiation were studied. The results show that the main cause of chromatic aberration of glass is the colored ions such as Fe in the glass， which absorbs the ultraviolet light energy during the irradiation to cause valence change and chromatic aberration. After irradiation of the same energy， the glass of high-purity raw material has a color difference of less than 1/20 of the commercial aluminosilicate glass， and the chromaticity changes of both are positively increased by b* （ie， yellowing）. In addition， in the visible range， the degree of attenuation of the transmittance after irradiation decreases with the increase of the wavelength; in the same band， with the accumulation of ultraviolet radiation energy， the attenuation of the transmittance is gradually decreasing， and has a certain data function relationship.
　　Key Words： Aluminosilicate;Cover Glass;UV;Chromatic Aberration;Transmittance;Absorptivity
　　隨着电子智能设备的快速发展，对高性能的玻璃材质提出越来越多的技术要求。在触摸屏显示行业，玻璃作为人机互动的直接界面，因此其玻璃材质性能和发展越来越受到从业者和消费者的关注。目前行业内主要为铝硅酸盐玻璃为主，通过化学钢化的方法获得高强度的保护玻璃，但是在玻璃应用过程中由于多种工艺使用到UV紫外光，玻璃经UV辐照后会产生色差，并造成透过率的衰减，该问题直接困扰玻璃触控显示行业的应用[1-2]。
　　根据文献[3-4]的相关研究内容，发现玻璃发生UV能量辐照后发生色差主要是因为玻璃原材料中含有少量着色离子元素，主要为Fe、Ti、Ni和Cr等，该部分离子主要来源于玻璃原材料、混料运输工艺和熔制成型工艺。以Fe离子为例，在玻璃体中以Fe2+和Fe3+形式存在，熔窑中的氧化气氛会增加Fe3+的比例，反之还原气氛会增加Fe2+的比例， 其经受紫外辐照后，其低价离子会失去电子变成高价离子，从而使玻璃产生色差，产生色心导致玻璃透过率衰减。目前玻璃的抗紫外能力的主要途径主要有两种，第一种普遍加入CeO2来通过Ce2+释放电子来防止其他着色离子变价着色;另一种方法是通过高纯的玻璃原材料来减少玻璃体中的着色离子含量来控制颜色变化。本实验主要采用高纯原料熔制的玻璃和市场上应用的铝硅玻璃作为研究对象，探究其受紫外辐照后的色差和透过率等变化规律和特性。
　　1  实验部分
　　1.1 玻璃样品制备
　　本实验选用日本旭硝子AGC的龙尾玻璃材料（DT-HW）作为研究的玻璃基材，玻璃化学组成经赛默飞Thermofisher型号为Advat’X3600的XRF成分检测仪检测如表1所示。选用纯度在99.99%的原材料，经研磨混料，铂金坩埚1650℃熔制澄清6h后，浇铸成块，650℃退火2h后自然冷却，切割研磨抛光成0.7mm玻璃样品备用。 　　将上述两种玻璃切割成50mm×50mm×0.7mm标准试样，经ACE-930超声波清洗机清洗烘干后，覆膜编号备用。
　　上述两种玻璃在组成上的最大区别在于DT-HW商业化玻璃Fe2O3等着色离子含量较高，为0.0152%，而实验室高纯原料熔制的玻璃只有0.0019%;本实验主要研究玻璃中Fe2O3等着色离子对UV能量的吸收特性。
　　1.2 紫外辐照实验
　　将上述样品分别经过已稳定运行的三昆科技公司的SK-336-330DP型号紫外固化机，其发射紫外线的金属卤素灯发光光谱图如图1所示，主波长为365nm和380nm，经LS128UV能量计检测单次辐照能量为1400mj/cm2，玻璃样品分别经0、1400、2800、4200和5600mj/cm2能量辐照后检测备用。
　　2  结果分析与讨论
　　2.1 玻璃样品色差变化
　　将上述实验中的样品分别经彩谱科技的CS-810投射分光测色仪检测，分别得到经1400、2800、4200、5600mj/cm2和未经紫外辐照的原始玻璃的色差数据如表格2所示。其中包括（L*）、（a*）、（b*）值，根据CIE国际通用的色空间来表示[5-7]，其中L*为明度坐标，表征颜色的亮度大小;a*、b*为色品坐标，表征颜色的色调和饱和度，色差值用△Eab*来表示，为综合色差值，具体计算方法和亮度差△L、红绿差△a、黄蓝差△b有关系。其计算公式见公式（1）：将上述表格中的数据整理为图2所示的色差对比图，可以明显发现，两者亮度L*和a*值随辐照能量的增加，变化不大，而其b*值和色差值△Eab随辐照能量的增加而显著变大。在6000mj/cm2能量值范围内，实验室熔制的高纯玻璃其色差值△Eab均低于0.1;而DT-HW的玻璃其色差△Eab就非常大，是实验室高纯玻璃的25～30倍。其主要原因在于二者的Fe2O3等着色离子含量相差8倍，DT-HW玻璃中的这些以Fe2O3为代表的的着色离子经紫外光辐照后，吸收了部分能量，差生了价态变化而着色，比较明显的是Fe2+吸收能量转变为Fe3+，玻璃的b*值随紫外辐照能量的增加而变大，颜色因为Fe3+比例的增加而显黄色。
　　2.2 玻璃样品透过率变化
　　2.2.1 DT-HW玻璃样品的透过率
　　将上述DT-HW玻璃样品分别经PerkinElmer Lambda750紫外分光光度计检测，分别得到经1400、2800、4200、5600mj/cm2和未经紫外辐照的原始玻璃的透过率曲线，如图3所示。
　　图3中DT-HW玻璃透过率随着辐照能量的增加，其透过率发生衰减，主要呈现有两个规律：（1）衰减幅度在可见光范围内随着波长的增加而递减;（2）衰减幅度随着辐照能量的累积而递减。
　　2.2.2 实验室高纯玻璃样品的透过率
　　将上述实验室高纯玻璃样品分别经PerkinElmer Lambda750紫外分光光度计检测，分别得到经1400、2800、4200、5600mj/cm2和未经紫外辐照的原始玻璃的透过率曲线，如图4所示。
　　上图中高纯玻璃透过率随着辐照能量的增加而递减的规律与2.2.1中的一致，因其Fe2O3等着色离子含量较低，因此其透过率衰减幅度远小于DT-HW玻璃，说明玻璃经紫外能量辐照后，呈现出发黄和透过率衰减的特性主要取决于其含有的Fe2O3等着色离子含量。
　　2.2.3 玻璃UV辐照吸收率
　　对2.2.1和2.2.2中的数据进行分析，根据文献[8-10]所揭示的玻璃透过率，反射率和吸收率之间满足以下公式（2）：
　　A%+T%+R%=1                                                        （2）
　　其中A%為吸收率，其和玻璃的材质及厚度相关;T%为透过率，其和玻璃的材质及厚度相关;R%为反射率，其和玻璃的材质及表面性质相关。本实验中厚度、表面性质相同，R%变化极小，按照固定值处理，因此其吸收率的升高等于透过率的降低，即△T =△A。
　　玻璃中含Fe2O3等着色离子，其经受紫外能量辐照后，产生了价态变化，产生色差，吸收不同波段的能量，增加了玻璃的吸收率A%从而降低了透过率T%，由于实验室熔制高纯玻璃的△A比较小，仪器测量精度影响比较大，此处主要研究DT-HW玻璃在可见光波段（380～480nm波段的吸收率△A变化）。
　　对上述数据进行处理，发现其经受相同紫外能量后衰减值呈一定的比例关系，如图六所示，设定经1400mj/cm2紫外能量辐照后吸收率增加△A，再经过1400mj/cm2能量后，吸收率增加0.63△A，依次类推吸收率增加△An=0.63（n-1）△An-1，（n≥2），因此其总的吸收率推导为公式3：
　　其中A0为原玻璃吸收率;△A为玻璃经单位紫外辐照能量（本研究中为1400mj/cm2）后吸收率增加值;而n为总辐射计量，即单位辐照能量的倍数。
　　3  结语
　　根据上述实验结果和数据分析，我们可以得到以下结论：
　　（1）玻璃受UV能量辐照发生色差，主要是由于其含有的Fe2O3等着色离子吸收紫外UV能量发生价态变化，引起色差;且色差的大小和其含量成正相关关系;
　　（2）玻璃透过率随着辐照能量的增加，其透过率发生衰减，其衰减幅度在可见光范围内随着波长的增加而递减;同时在相同波长下，衰减幅度随着辐照能量的累积而递减;
　　（3）玻璃中透过率的衰减主要是由于其玻璃体中对可见光 短波吸收离子的增多，即玻璃的吸收率增加，通过研究发现，在可见光范围内，其经过相同UV能量辐照后，后一次吸收率增加△An约为前一次的0.63倍即△An=0.63（n-1）△An-1，（n≥2）。
　　参考文献
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