汽車擋風玻璃為什麼比普通玻璃更安全？
擋風玻璃是汽車上相當重要的部件，它不僅為司機保證良好的視野，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並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（圖1）。為什麼汽車擋風玻璃有著明顯優於普通玻璃的安全性能？這得益於應用其中的一種高分子材料。
汽車擋風玻璃中竟然有高分子？你沒有看錯，汽車擋風玻璃中確確實實用到了高分子材料。從外觀上看，汽車擋風玻璃與普通玻璃並沒有明顯區別，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，但並不是玻璃，而是一種聽上去很陌生的高分子材料——聚乙烯醇縮丁醛（圖2）。
聚乙烯醇縮丁醛的名字聽上去很繞口，那是因為它的「身世」頗為複雜。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，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（圖3）。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。不過在實際生產中，為了保證一定的性能，最後一步反應往往並不完全，因此得到的聚乙烯醇縮丁醛高分子中仍然保留一定數量的尚未反應的羥基。
有了聚乙烯醇縮丁醛，我們就可以生產汽車擋風玻璃了。先將一塊使用浮法工藝生產的平板玻璃表面清洗乾淨，放置在生產線上，然後在它表面塗上一層聚乙烯醇縮丁醛，再把第二塊玻璃放上去；緊接著用力將兩塊玻璃壓緊，並對它們進行加熱。在高溫和壓力的作用下，聚乙烯醇縮丁醛均勻地充滿兩塊玻璃之間的空間。當壓力和溫度撤去後，上下兩塊玻璃就被牢固地粘合在一起，從外觀上看與一塊普通的玻璃幾乎沒有什麼區別。這樣就可以安裝到汽車上作為擋風玻璃使用了（圖4）。當然，如果需要，我們還可以在第二塊玻璃的表面再塗上一層聚乙烯醇縮丁醛，然後把第三塊玻璃粘合上去；還可以重複這個過程，直到指定數目的玻璃板全被粘合在一起。整個生產過程就像在製作一塊三明治，因此，這種方法生產的玻璃有一個很形象的名字——夾層玻璃。
夾層玻璃的生產過程看上去並不複雜，但它能大大提高汽車擋風玻璃的安全性能。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，如果飛濺的玻璃碎片擊中司機或者乘客，後果更加不堪設想。雖然我們可以通過一定的處理讓玻璃碎裂時碎片的邊緣不那麼鋒利，從而減少碎片造成的劃傷，但破損的玻璃仍然會嚴重影響正常的駕駛。毫不誇張地說，夾層玻璃自從誕生以來，拯救了無數人的生命。
為什麼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，受到一定力度的瞬間撞擊時很容易破碎；相反，高分子材料往往有著相當好的韌性，在受到外力衝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，使另一面玻璃並沒有受到很大的衝擊。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衝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誕生於一次實驗事故。1903年的一天，法國化學家愛德華·班尼迪克特斯（Edouard Benetictus）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，地上並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自己的助手詢問，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。由於這一薄層硝化纖維是透明的，助手一時疏忽，誤以為燒杯已經洗乾淨，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，這次意外發生後不久，班尼迪克特斯在報紙上讀到一篇文章。文章提到當時巴黎很多汽車事故中，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塗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這個汽車安全的大問題。他回到實驗室，在玻璃表面塗上各種高分子材料，然後將玻璃摔碎，觀察碎片是否會飛濺。不久，第一塊夾層玻璃就誕生了。起初，各大汽車製造商對他的發明並不是很感興趣，但他們很快意識到夾層玻璃對於汽車安全的重要性。1919年，美國著名企業家、福特公司創始人亨利·福特率先在福特汽車上安裝夾層玻璃，很快，夾層玻璃就成了汽車擋風玻璃的標準配置。[2,3]
雖然班尼迪克特斯最初使用的高分子材料是硝化纖維，但很快聚乙烯醇縮丁醛就從眾多的高分子材料中脫穎而出，成為生產夾層玻璃的首選材料。夾層玻璃的原理雖然並不複雜，對用於中間層的高分子材料卻有著不低的要求：首先，這種材料必須有優異的機械性能，能夠在遇到外力衝擊時儘可能地化解能量，還必須能很牢固地將兩層玻璃粘合住。其次，這種材料必須足夠透明；這也是很關鍵的一條標準，畢竟誰也不希望在提高汽車擋風玻璃安全性能的同時讓玻璃變得模糊。這兩條重要的標準，再加上生產成本、加工工藝等方面的考慮，使得聚乙烯醇縮丁醛成為用於生產夾層玻璃的最主要的材料。
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傢伙，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、坐墊等物品的顏色就可以保持地更長久。由於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於汽車擋風玻璃，還大量應用於其他許多需要兼顧安全與透光性的場合。例如建築物的玻璃幕牆、博物館的玻璃展櫃、水族館的玻璃箱等等。
時至今日，聚乙烯醇縮丁醛在夾層玻璃中的應用已經臻於成熟，但來自世界各地的研究人員仍然沒有停下創新的腳步，以期更好地提高它的性能。科技，就是這樣在不知不覺中讓我們的生活更加美好。（作者：嵌段共聚物是高分子科學與工程專業博士。現從事企業研發工作。）
參考文獻：
[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
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