玻璃中的“三明治”

史艷龍

擋風玻璃是汽車上的重要部件，它不僅要保證司機良好的視野，還要替司機和乘客遮風擋雨，更要防止石塊、樹枝、動物等“不速之客”進入車內，因此汽車擋風玻璃的安全性是一個非常重要的指標。不知大家是否注意到，汽車擋風玻璃突然被異物擊中時并不會像普通玻璃那樣裂成碎片四處飛濺，而僅僅是出現一些裂縫。為什么汽車擋風玻璃有著明顯優于普通玻璃的安全性能？這得益于其中應用的一種高分子材料。

從外觀上看，汽車擋風玻璃與普通玻璃并沒有明顯區別，但如果我們觀察它的橫斷面，就會發現它實際上包含了三層：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，那是因為它的“身世”頗為復雜。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生反應，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，一個丁醛分子能夠把聚乙烯醇分子上相鄰的兩個羥基連接起來，這樣就得到了用在汽車擋風玻璃中的高分子材料。醛分子與醇分子互相反應得到的化合物叫做縮醛，因此丁醛與聚乙烯醇反應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，我們就可以生產汽車擋風玻璃了。整個生產過程就像在制作一塊三明治，因此，這種方法生產的玻璃有一個很形象的名字——夾層玻璃。

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

為什么夾層玻璃在受到外力撞擊時還能大致保持原有形狀，而不會破裂成碎片呢？我們在生活中都有這樣的體驗：讓一個玻璃杯和一個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。這個簡單的例子反映出玻璃和高分子材料的力學性能有著顯著差別：玻璃雖然堅硬，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好的韌性，在受到外力沖擊時能夠通過改變自身形狀來化解能量而不會破碎。因此，通過夾層的方法將玻璃和高分子材料結合起來，就能夠很好地改善玻璃的力學性能。我們稍微留意一下就會發現，崩裂的擋風玻璃只是在直接遭受撞擊的一面出現裂縫，另一面的玻璃通常還是完好的。這是因為夾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，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沖撞時總是能大致保持形狀完整的原因。

說來有趣，夾層玻璃這項偉大的發明竟然源于一次偶然。1903年的一天，法國化學家愛德華·班尼迪克特斯在自己的實驗室工作時，失手將一個玻璃燒杯從高處跌落。他驚奇地發現，地上并沒有出現無數的玻璃碎片，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，這個燒杯中本來盛放的是一種高分子材料——硝化纖維的溶液，時間一久，溶劑揮發，在燒杯的內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，助手一時疏忽，誤以為燒杯已經洗干凈，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揮了作用，防止了玻璃碎片飛濺開來。

更巧的是，這次意外發生后不久，班尼迪克特斯在報紙上讀到一篇文章。文章提到當時在巴黎發生的很多汽車事故中，破碎飛濺的擋風玻璃碎片會導致司機受到嚴重傷害。班尼迪克特斯立刻想到了那個涂了一層硝化纖維的燒杯，他意識到自己偶然之中的發現或許可以解決汽車安全的大問題。他回到實驗室，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玻璃能夠大大減少外界噪音對司機的干擾。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將紫外線吸收掉，這種特性非常有用，因為紫外線是個不安分的家伙，它常常能夠破壞染料的化學結構，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在不僅用于汽車擋風玻璃，還大量應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