玻璃中的“三明治”

史艷龍

擋風(fēng)玻璃是汽車上的重要部件，它不僅要保證司機(jī)良好的視野，還要替司機(jī)和乘客遮風(fēng)擋雨，更要防止石塊、樹枝、動(dòng)物等“不速之客”進(jìn)入車內(nèi)，因此汽車擋風(fēng)玻璃的安全性是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。不知大家是否注意到，汽車擋風(fēng)玻璃突然被異物擊中時(shí)并不會(huì)像普通玻璃那樣裂成碎片四處飛濺，而僅僅是出現(xiàn)一些裂縫。為什么汽車擋風(fēng)玻璃有著明顯優(yōu)于普通玻璃的安全性能？這得益于其中應(yīng)用的一種高分子材料。

從外觀上看，汽車擋風(fēng)玻璃與普通玻璃并沒有明顯區(qū)別，但如果我們觀察它的橫斷面，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上包含了三層：上下兩層都是玻璃，而夾在它們之間的、厚度通常不到1mm的那一層，雖然同樣透明，但并不是玻璃，而是一種聽上去很陌生的高分子材料——聚乙烯醇縮丁醛。

聚乙烯醇縮丁醛的名字聽上去很繞口，那是因?yàn)樗摹吧硎馈鳖H為復(fù)雜。要得到聚乙烯醇縮丁醛，我們首先要讓一種叫做醋酸乙烯酯的分子互相之間發(fā)生反應(yīng)，得到高分子材料聚醋酸乙烯酯。在一定的條件下，聚醋酸乙烯酯會(huì)變成另一種高分子——聚乙烯醇。接下來如果讓聚乙烯醇和丁醛反應(yīng)，一個(gè)丁醛分子能夠把聚乙烯醇分子上相鄰的兩個(gè)羥基連接起來，這樣就得到了用在汽車擋風(fēng)玻璃中的高分子材料。醛分子與醇分子互相反應(yīng)得到的化合物叫做縮醛，因此丁醛與聚乙烯醇反應(yīng)得到的高分子就叫做聚乙烯醇縮丁醛。

有了聚乙烯醇縮丁醛，我們就可以生產(chǎn)汽車擋風(fēng)玻璃了。整個(gè)生產(chǎn)過程就像在制作一塊三明治，因此，這種方法生產(chǎn)的玻璃有一個(gè)很形象的名字——夾層玻璃。

如果汽車的擋風(fēng)玻璃使用普通玻璃，在高速行駛中，玻璃一旦被一顆小石子擊中，很可能被擊出一個(gè)洞，輕則影響駕駛，如果碎片擊中司機(jī)或乘客，后果不堪設(shè)想。毫不夸張地說，夾層玻璃自從誕生以來，拯救了無數(shù)人的生命。

為什么夾層玻璃在受到外力撞擊時(shí)還能大致保持原有形狀，而不會(huì)破裂成碎片呢？我們在生活中都有這樣的體驗(yàn)：讓一個(gè)玻璃杯和一個(gè)塑料杯在相同的高度落下，玻璃杯粉身碎骨，而塑料杯卻完好無損。這個(gè)簡單的例子反映出玻璃和高分子材料的力學(xué)性能有著顯著差別：玻璃雖然堅(jiān)硬，但是缺乏韌性，受力瞬間容易破碎；相反，高分子材料往往有著相當(dāng)好的韌性，在受到外力沖擊時(shí)能夠通過改變自身形狀來化解能量而不會(huì)破碎。因此，通過夾層的方法將玻璃和高分子材料結(jié)合起來，就能夠很好地改善玻璃的力學(xué)性能。我們稍微留意一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，崩裂的擋風(fēng)玻璃只是在直接遭受撞擊的一面出現(xiàn)裂縫，另一面的玻璃通常還是完好的。這是因?yàn)閵A在兩塊玻璃中間的聚乙烯醇縮丁醛很好地化解了能量，使另一面玻璃并沒有受到很大的沖擊。與此同時(shí)，聚乙烯醇縮丁醛像膠水一樣將兩塊玻璃牢牢粘在一起，哪怕其中一面玻璃破碎了，碎片也很難擺脫膠水的束縛飛濺開來。這就是夾層玻璃在受到?jīng)_撞時(shí)總是能大致保持形狀完整的原因。

說來有趣，夾層玻璃這項(xiàng)偉大的發(fā)明竟然源于一次偶然。1903年的一天，法國化學(xué)家愛德華·班尼迪克特斯在自己的實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，失手將一個(gè)玻璃燒杯從高處跌落。他驚奇地發(fā)現(xiàn)，地上并沒有出現(xiàn)無數(shù)的玻璃碎片，燒杯依然保持著大致完整的形狀，只不過杯身上多出許多裂縫而已。

對此現(xiàn)象感到困惑的班尼迪克特斯叫來助手詢問，助手告訴他，這個(gè)燒杯中本來盛放的是一種高分子材料——硝化纖維的溶液，時(shí)間一久，溶劑揮發(fā)，在燒杯的內(nèi)壁和底部留下了薄薄一層硝化纖維。由于這一薄層硝化纖維是透明的，助手一時(shí)疏忽，誤以為燒杯已經(jīng)洗干凈，就放回架子上去了。班尼迪克特斯很快意識到，正是這一薄層硝化纖維發(fā)揮了作用，防止了玻璃碎片飛濺開來。

更巧的是，這次意外發(fā)生后不久，班尼迪克特斯在報(bào)紙上讀到一篇文章。文章提到當(dāng)時(shí)在巴黎發(fā)生的很多汽車事故中，破碎飛濺的擋風(fēng)玻璃碎片會(huì)導(dǎo)致司機(jī)受到嚴(yán)重傷害。班尼迪克特斯立刻想到了那個(gè)涂了一層硝化纖維的燒杯，他意識到自己偶然之中的發(fā)現(xiàn)或許可以解決汽車安全的大問題。他回到實(shí)驗(yàn)室，在玻璃表面涂上各種高分子材料，然后將玻璃摔碎，觀察碎片是否會(huì)飛濺。不久，第一塊夾層玻璃就誕生了。

聚乙烯醇縮丁醛不僅能夠大大提高玻璃的安全性能，還帶來了其他一些意想不到的好處。聚乙烯醇縮丁醛有著比玻璃更好的隔音效果，因此使用夾層玻璃作為汽車擋風(fēng)玻璃能夠大大減少外界噪音對司機(jī)的干擾。另外，聚乙烯醇縮丁醛能夠在允許大部分可見光通過的同時(shí)將紫外線吸收掉，這種特性非常有用，因?yàn)樽贤饩€是個(gè)不安分的家伙，它常常能夠破壞染料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使得許多物品在它的照射下逐漸失去原有的顏色。有了聚乙烯醇縮丁醛吸收紫外線，汽車中的地毯、座墊等物品的顏色就可以保持得更長久。由于聚乙烯醇縮丁醛的這些特性，聚乙烯醇縮丁醛夾層玻璃現(xiàn)在不僅用于汽車擋風(fēng)玻璃，還大量應(yīng)用于其他許多須要兼顧安全與透光性的場合，例如建筑物的玻璃幕墻、博物館的玻璃展柜、水族館的玻璃箱等等。endprint