用離子交換法提高防火玻璃軟化溫度點(diǎn)的初步探討

宋慧瑾，鄢 強(qiáng)，馮 威，朱曉東，孫 艷，楊志明

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

隨著建筑業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，普通的玻璃材料已經(jīng)不能滿足社會(huì)的需求，各種特種玻璃及安全玻璃逐漸走進(jìn)人們的生活.防火玻璃是一種防火系統(tǒng)必需材料之一，同時(shí)也作為安全玻璃中的一種，除了擁有普通玻璃的一些性能外，還具有隔熱、緩火勢(shì)蔓延、防熱輻射等特殊性能，在市場(chǎng)中逐步得到應(yīng)用.目前，已報(bào)道的提高玻璃強(qiáng)度的方法主要有微晶化、層合、鍍膜和離子交換等，其中，離子交換法具有不變形、強(qiáng)度高、能夠切割、無自爆現(xiàn)象、抗沖擊性能及表面耐磨性增加等優(yōu)點(diǎn)［1－5］.目前，對(duì)熔鹽成分與離子交換增強(qiáng)之間的關(guān)系也越來越引起學(xué)者們的關(guān)注:把玻璃浸入熔鹽中，玻璃中的Na+(或Li+)與熔鹽中的K+發(fā)生交換，玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，抑制微裂紋擴(kuò)展，可提高玻璃強(qiáng)度2 ～4 倍［6－10］.有關(guān)硼硅玻璃的離子交換研究已有較多文獻(xiàn)，但主要集中于離子交換機(jī)研究及其對(duì)玻璃強(qiáng)度和硬度的影響，而關(guān)于離子交換對(duì)硼硅玻璃耐火性能影響鮮見報(bào)道［11－13］.對(duì)此，本研究在白玻璃表面采用熔鹽離子交換技術(shù)，討論不同工藝條件對(duì)白玻璃軟化溫度點(diǎn)的影響.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用基體為洛陽(yáng)玻璃有限責(zé)任公司生產(chǎn)的平板破璃，品種為白玻，尺寸:70 mm ×30 mm ×3 mm;用于離子交換的熔鹽材料及參數(shù)如表1 所示.

表1 熔鹽材料成分參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)流程及熱處理工藝

實(shí)驗(yàn)采用圖1 的流程進(jìn)行，離子交換工藝流程如圖2 所示，熱處理工藝參數(shù)如表2 所示，加熱過程中觀察到的熔鹽變化如表3 所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)流程示意圖

圖2 離子交換工藝流程示意圖

表2 熱處理工藝參數(shù)

表3 離子交換過程中熔鹽的形態(tài)變化

2 結(jié)論與分析

取一塊經(jīng)離子交換實(shí)驗(yàn)后且制備良好的玻璃片及一塊型號(hào)相同但未進(jìn)行離子交換實(shí)驗(yàn)的玻璃基片同時(shí)用實(shí)驗(yàn)室酒精燈外焰進(jìn)行灼燒.隨著灼燒時(shí)間的增加，2 塊玻璃片將會(huì)出現(xiàn)階段性的形貌變化差異.經(jīng)過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)普通鈉鈣硅玻璃在灼燒溫度540 ℃時(shí)開始變黃，600 ℃時(shí)表面變軟，而經(jīng)離子交換后的鈉鈣硅玻璃在灼燒溫度580 ℃開始變黃，640℃時(shí)表面變軟.其具體結(jié)果如表4 所示.

表4 灼燒實(shí)驗(yàn)中玻璃溫度與形態(tài)變化

從表4 可以看出，經(jīng)過離子交換實(shí)驗(yàn)的成品玻璃片的軟化溫度點(diǎn)比普通鈉鈣硅玻璃片高，且通過多次實(shí)驗(yàn)表明高出40 ℃左右.

為進(jìn)一步驗(yàn)證酒精燈外焰灼燒的效果，將經(jīng)過離子交換后的成品玻璃片放入箱體電阻爐中進(jìn)行加熱，設(shè)定溫度為680 ℃，保溫時(shí)間為90 min.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示未發(fā)生黏底現(xiàn)象.

玻璃材料是否經(jīng)受得住溫度的沖擊和其內(nèi)部材料的膨脹系數(shù)有很大的關(guān)聯(lián)，比如石英玻璃的膨脹系數(shù)很低，但石英玻璃可以承受1 200 ℃溫差，而鈉鈣硅玻璃的膨脹系數(shù)較大，其耐火性能較低.通常在幕墻玻璃的防熱設(shè)計(jì)中，當(dāng)溫差達(dá)到40 ℃時(shí)，幕墻玻璃就很難承受其帶來的熱能沖擊，容易被破碎.所以，從鈉鈣硅玻璃的抗熱能沖擊性能角度說，提高其熱應(yīng)力是解決其防火性能的首選途徑.

用熱應(yīng)力值來衡量其耐熱性能大小，玻璃片由中心到玻璃片四邊符合以下規(guī)律［14］，

其中，T0為最大溫差值，L 為玻璃片半長(zhǎng)，X 為玻璃片接近中心任意一點(diǎn)的位置.

根據(jù)熱彈性熱力學(xué)原理，熱應(yīng)力符合下列變化規(guī)律［16］:

其中，a 為膨脹系數(shù);E 為彈性模量.

在此種情況下，假設(shè)上述a 和E 不隨溫度變化而變化，從而簡(jiǎn)化計(jì)算過程.當(dāng)玻璃中心周圍溫度相差超過1 000 ℃時(shí)，其內(nèi)部熱應(yīng)力會(huì)被破壞，同時(shí)玻璃也會(huì)因?yàn)槭釕?yīng)力的支持而損壞.在實(shí)際生活中，當(dāng)玻璃在高溫高于600 ℃下會(huì)出現(xiàn)松弛的現(xiàn)象，但玻璃不會(huì)發(fā)生破裂而損壞.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，溫差過大會(huì)出現(xiàn)玻璃破裂現(xiàn)象，但實(shí)際遇火時(shí)其內(nèi)部熱應(yīng)力作用被破壞，玻璃出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象.

3 結(jié) 論

采用離子交換法，將鈉鈣硅玻璃基片放入熔鹽中進(jìn)行離子交換，利用以下工藝可將其耐火性能提高到一定程度:進(jìn)行離子交換實(shí)驗(yàn)時(shí)，退火工序有利于玻璃內(nèi)部離子進(jìn)行擴(kuò)散，有利于玻璃耐火性能的提高;加熱玻璃基片時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，溫差超過40 ℃，玻璃基片容易出現(xiàn)裂紋;在熔鹽成分不變的情況下，離子交換時(shí)間為8 h，交換溫度為450 ℃時(shí)，即達(dá)到較好的交換結(jié)果.需說明的是，對(duì)于具體的離子交換工藝參數(shù)對(duì)白玻璃軟化溫度點(diǎn)的影響，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)分析.

［1］Zelmon D E，Bayya S S，Sanghera J S，et al.Dispersion of barium gallogermanate glass［J］.Appl Optics，2002，41(7):1366－1367.

［2］Shyu J J，Mai H CH.ZrO2-nucleated calcium aluminate glass-ceramics with mid-infrared transparency［J］.J Mater Res，2006，21(2):465－472.

［3］Jewell J M，Barry B H，Aggarwal I D，et al.Germanate glassceramic［P］.US:5486495，1996.

［4］Shen C，Wang Y J，Xu J H，et al.Preparation and ion exchange properties of egg-shell glass beads with different surface morphologies［J］.Particuology，2012，10(3):317－326.

［5］Luo H Y，Xiang W D，Zhong J S，et al.Third-order nonlinearity of lead nanocrystals doped Na2O-B2O3-SiO2glass［J］.J Chin Ceram Soc，2013，41(10):1447－1452.

［6］Suszynska M，Grau P，Meinhard H，et al.Chemical strengthening of some soda lime silicate glasses［J］.Phys Status Solid C，ApplRes，2005，2(1):604－607.

［7］Jiang Y M，Jiang L G.Effect of additives in the salt bath onglass strengthening［J］.J Non-Cryst Solids，1986，80(1－3):300－306.

［8］He Y Q，Duvigneaud P H，Plumat E.Influence of anion groupson Li+for Na+exchange in soda-lime glass［J］.J Non-Cryst Solids，1991，127(1):81－89.

［9］Mallick K K，Holland D.Strengthening of container glasses byion-exchange dip coating［J］.J Non-Cryst Solids，2005，351(30－32):2524－2536.

［10］陶瑛，葉鋼.熔鹽中雜質(zhì)離子對(duì)玻璃離子交換的影響［J］.硅酸鹽通報(bào)，1984，5(3):35－40.

［11］Shen J，Greem D J，Tressler R E，et al.Stress relaxation of a soda lime silicate glass below the glass transition temperature［J］.J Non-Cryst Solids，2003，324(3):277－288.

［12］Wang Y X，Ma C Y，Zhang X L.Effects of Ba2+，Pb2+and Ti4+ions on exchanging Na+for Li+in borosilicate glass［J］.Acta Phot Sin，2000，29(3):260－263.

［13］Lu M，Li J K，Chen Z S，et al.Effect of ion exchanging between the glass and molten salt on glass structure［J］.Acta Phot Sin，1996，25(3):41－48.

［14］石德珂.材料科學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.