汽车挡风玻璃为什么比普通玻璃更安全？
挡风玻璃是汽车上相当重要的部件，它不仅为司机保证良好的视野，还要替司机和乘客遮风挡雨，更要防止石块、树枝、动物等“不速之客”进入车内，因此汽车挡风玻璃的安全性是一个非常重要的指标。不知大家是否注意到，汽车挡风玻璃突然被异物击中时并不会像普通玻璃那样裂成碎片四处飞溅，而仅仅是出现一些裂缝（图1）。为什么汽车挡风玻璃有着明显优于普通玻璃的安全性能？这得益于应用其中的一种高分子材料。
汽车挡风玻璃中竟然有高分子？你没有看错，汽车挡风玻璃中确确实实用到了高分子材料。从外观上看，汽车挡风玻璃与普通玻璃并没有明显区别，但如果我们观察它的横断面，就会发现它实际上包含了三层：上下两层都是玻璃，而夹在它们之间的、厚度通常不到1mm的那一层，虽然同样透明，但并不是玻璃，而是一种听上去很陌生的高分子材料——聚乙烯醇缩丁醛（图2）。
聚乙烯醇缩丁醛的名字听上去很绕口，那是因为它的“身世”颇为复杂。要得到聚乙烯醇缩丁醛，我们首先要让一种叫做醋酸乙烯酯的分子互相之间发生反应，得到高分子材料聚醋酸乙烯酯。在一定的条件，聚醋酸乙烯酯会变成另一种高分子——聚乙烯醇。接下来如果让聚乙烯醇和丁醛反应，一个丁醛分子能够把聚乙烯醇分子上相邻的两个羟基连接起来，这样就得到了用在汽车挡风玻璃中的高分子材料（图3）。醛分子与醇分子互相反应得到的化合物叫做缩醛，因此丁醛与聚乙烯醇反应得到的高分子就叫做聚乙烯醇缩丁醛。不过在实际生产中，为了保证一定的性能，最后一步反应往往并不完全，因此得到的聚乙烯醇缩丁醛高分子中仍然保留一定数量的尚未反应的羟基。
有了聚乙烯醇缩丁醛，我们就可以生产汽车挡风玻璃了。先将一块使用浮法工艺生产的平板玻璃表面清洗干净，放置在生产线上，然后在它表面涂上一层聚乙烯醇缩丁醛，再把第二块玻璃放上去；紧接着用力将两块玻璃压紧，并对它们进行加热。在高温和压力的作用下，聚乙烯醇缩丁醛均匀地充满两块玻璃之间的空间。当压力和温度撤去后，上下两块玻璃就被牢固地粘合在一起，从外观上看与一块普通的玻璃几乎没有什么区别。这样就可以安装到汽车上作为挡风玻璃使用了（图4）。当然，如果需要，我们还可以在第二块玻璃的表面再涂上一层聚乙烯醇缩丁醛，然后把第三块玻璃粘合上去；还可以重复这个过程，直到指定数目的玻璃板全被粘合在一起。整个生产过程就像在制作一块三明治，因此，这种方法生产的玻璃有一个很形象的名字——夹层玻璃。
夹层玻璃的生产过程看上去并不复杂，但它能大大提高汽车挡风玻璃的安全性能。如果汽车的挡风玻璃使用普通玻璃，在高速行驶中，玻璃一旦被一颗小石子击中，很可能被击出一个洞，轻则影响驾驶，如果飞溅的玻璃碎片击中司机或者乘客，后果更加不堪设想。虽然我们可以通过一定的处理让玻璃碎裂时碎片的边缘不那么锋利，从而减少碎片造成的划伤，但破损的玻璃仍然会严重影响正常的驾驶。毫不夸张地说，夹层玻璃自从诞生以来，拯救了无数人的生命。
为什么夹层玻璃在受到外力撞击时还能大致保持原有形状，而不会破裂成碎片呢？我们在生活中都有这样的体验：让一个玻璃杯和一个塑料杯在相同的高度落下，玻璃杯粉身碎骨，而塑料杯却完好无损。这个简单的例子反映出玻璃和高分子材料的力学性能有着显著差别：玻璃虽然坚硬，但是缺乏韧性，受到一定力度的瞬间撞击时很容易破碎；相反，高分子材料往往有着相当好的韧性，在受到外力冲击时能够通过改变自身形状来化解能量而不会破碎。因此，通过夹层的方法将玻璃和高分子材料结合起来，就能够很好地改善玻璃的力学性能。我们稍微留意一下就会发现，崩裂的挡风玻璃只是在直接遭受撞击的一面出现裂缝，另一面的玻璃通常还是完好的。这是因为夹在两块玻璃中间的聚乙烯醇缩丁醛很好地化解了能量，使另一面玻璃并没有受到很大的冲击。与此同时，聚乙烯醇缩丁醛像胶水一样将两块玻璃牢牢粘在一起，哪怕其中一面玻璃破碎了，碎片也很难摆脱胶水的束缚飞溅开来。这就是夹层玻璃在受到冲撞时总是能大致保持形状完整的原因。
说来有趣，夹层玻璃这项伟大的发明竟然诞生于一次实验事故。1903年的一天，法国化学家爱德华·班尼迪克特斯（Edouard Benetictus）在自己的实验室工作时，失手将一个玻璃烧杯从高处跌落。他惊奇地发现，地上并没有出现无数的玻璃碎片，烧杯依然保持着大致完整的形状，只不过杯身上多出许多裂缝而已。
对此现象感到困惑的班尼迪克特斯叫来自己的助手询问，助手告诉他，这个烧杯中本来盛放的是一种高分子材料——硝化纤维的溶液，时间一久，溶剂挥发，在烧杯的内壁和底部留下了薄薄一层硝化纤维。由于这一薄层硝化纤维是透明的，助手一时疏忽，误以为烧杯已经洗干净，就放回架子上去了。班尼迪克特斯很快意识到，正是这一薄层硝化纤维发挥了作用，防止了玻璃碎片飞溅开来。
更巧的是，这次意外发生后不久，班尼迪克特斯在报纸上读到一篇文章。文章提到当时巴黎很多汽车事故中，破碎飞溅的挡风玻璃碎片会导致司机受到严重伤害。班尼迪克特斯立刻想到了那个涂了一层硝化纤维的烧杯，他意识到自己偶然之中的发现或许可以解决这个汽车安全的大问题。他回到实验室，在玻璃表面涂上各种高分子材料，然后将玻璃摔碎，观察碎片是否会飞溅。不久，第一块夹层玻璃就诞生了。起初，各大汽车制造商对他的发明并不是很感兴趣，但他们很快意识到夹层玻璃对于汽车安全的重要性。1919年，美国著名企业家、福特公司创始人亨利·福特率先在福特汽车上安装夹层玻璃，很快，夹层玻璃就成了汽车挡风玻璃的标准配置。[2,3]
虽然班尼迪克特斯最初使用的高分子材料是硝化纤维，但很快聚乙烯醇缩丁醛就从众多的高分子材料中脱颖而出，成为生产夹层玻璃的首选材料。夹层玻璃的原理虽然并不复杂，对用于中间层的高分子材料却有着不低的要求：首先，这种材料必须有优异的机械性能，能够在遇到外力冲击时尽可能地化解能量，还必须能很牢固地将两层玻璃粘合住。其次，这种材料必须足够透明；这也是很关键的一条标准，毕竟谁也不希望在提高汽车挡风玻璃安全性能的同时让玻璃变得模糊。这两条重要的标准，再加上生产成本、加工工艺等方面的考虑，使得聚乙烯醇缩丁醛成为用于生产夹层玻璃的最主要的材料。
聚乙烯醇缩丁醛不仅能够大大提高玻璃的安全性能，还带来了其他一些意想不到的好处。聚乙烯醇缩丁醛有着比玻璃更好的隔音效果，因此使用夹层玻璃作为汽车挡风玻璃能够大大减少外界噪音对司机的干扰。另外，聚乙烯醇缩丁醛能够在允许大部分可见光通过的同时将紫外线吸收掉，这种特性非常有用，因为紫外线是个不安分的家伙，它常常能够破坏染料的化学结构，使得许多物品在它的照射下逐渐失去原有的颜色。有了聚乙烯醇缩丁醛吸收紫外线，汽车中的地毯、坐垫等物品的颜色就可以保持地更长久。由于聚乙烯醇缩丁醛的这些特性，聚乙烯醇缩丁醛夹层玻璃现在不仅用于汽车挡风玻璃，还大量应用于其他许多需要兼顾安全与透光性的场合。例如建筑物的玻璃幕墙、博物馆的玻璃展柜、水族馆的玻璃箱等等。
时至今日，聚乙烯醇缩丁醛在夹层玻璃中的应用已经臻于成熟，但来自世界各地的研究人员仍然没有停下创新的脚步，以期更好地提高它的性能。科技，就是这样在不知不觉中让我们的生活更加美好。（作者：嵌段共聚物是高分子科学与工程专业博士。现从事企业研发工作。）
参考文献：
[1] http://www.clearglass.com.au/glass-types/laminated-glass
[2] http://www.dyneema.com/emea/stories/2012/04/inventor-of-the-week-edouard-benedictus.aspx
[3] http://www.ideafinder.com/history/inventions/safglass.htm
- 发表于 2014-06-13 00:00
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