用離子交換法提高防火玻璃軟化溫度點的初步探討

宋慧瑾，鄢 強，馮 威，朱曉東，孫 艷，楊志明

(成都大學 機械工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

隨著建筑業的發展和人們生活水平的提高，普通的玻璃材料已經不能滿足社會的需求，各種特種玻璃及安全玻璃逐漸走進人們的生活.防火玻璃是一種防火系統必需材料之一，同時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、緩火勢蔓延、防熱輻射等特殊性能，在市場中逐步得到應用.目前，已報道的提高玻璃強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、強度高、能夠切割、無自爆現象、抗沖擊性能及表面耐磨性增加等優點［1－5］.目前，對熔鹽成分與離子交換增強之間的關系也越來越引起學者們的關注:把玻璃浸入熔鹽中，玻璃中的Na+(或Li+)與熔鹽中的K+發生交換，玻璃表面產生壓應力，抑制微裂紋擴展，可提高玻璃強度2 ～4 倍［6－10］.有關硼硅玻璃的離子交換研究已有較多文獻，但主要集中于離子交換機研究及其對玻璃強度和硬度的影響，而關于離子交換對硼硅玻璃耐火性能影響鮮見報道［11－13］.對此，本研究在白玻璃表面采用熔鹽離子交換技術，討論不同工藝條件對白玻璃軟化溫度點的影響.

1 實 驗

1.1 實驗材料

本實驗采用基體為洛陽玻璃有限責任公司生產的平板破璃，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如表1 所示.

表1 熔鹽材料成分參數

1.2 實驗流程及熱處理工藝

實驗采用圖1 的流程進行，離子交換工藝流程如圖2 所示，熱處理工藝參數如表2 所示，加熱過程中觀察到的熔鹽變化如表3 所示.

圖1 實驗流程示意圖

圖2 離子交換工藝流程示意圖

表2 熱處理工藝參數

表3 離子交換過程中熔鹽的形態變化

2 結論與分析

取一塊經離子交換實驗后且制備良好的玻璃片及一塊型號相同但未進行離子交換實驗的玻璃基片同時用實驗室酒精燈外焰進行灼燒.隨著灼燒時間的增加，2 塊玻璃片將會出現階段性的形貌變化差異.經過多次試驗，發現普通鈉鈣硅玻璃在灼燒溫度540 ℃時開始變黃，600 ℃時表面變軟，而經離子交換后的鈉鈣硅玻璃在灼燒溫度580 ℃開始變黃，640℃時表面變軟.其具體結果如表4 所示.

表4 灼燒實驗中玻璃溫度與形態變化

從表4 可以看出，經過離子交換實驗的成品玻璃片的軟化溫度點比普通鈉鈣硅玻璃片高，且通過多次實驗表明高出40 ℃左右.

為進一步驗證酒精燈外焰灼燒的效果，將經過離子交換后的成品玻璃片放入箱體電阻爐中進行加熱，設定溫度為680 ℃，保溫時間為90 min.實驗結果顯示未發生黏底現象.

玻璃材料是否經受得住溫度的沖擊和其內部材料的膨脹系數有很大的關聯，比如石英玻璃的膨脹系數很低，但石英玻璃可以承受1 200 ℃溫差，而鈉鈣硅玻璃的膨脹系數較大，其耐火性能較低.通常在幕墻玻璃的防熱設計中，當溫差達到40 ℃時，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，提高其熱應力是解決其防火性能的首選途徑.

用熱應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律［14］，

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

根據熱彈性熱力學原理，熱應力符合下列變化規律［16］:

其中，a 為膨脹系數;E 為彈性模量.

在此種情況下，假設上述a 和E 不隨溫度變化而變化，從而簡化計算過程.當玻璃中心周圍溫度相差超過1 000 ℃時，其內部熱應力會被破壞，同時玻璃也會因為失去熱應力的支持而損壞.在實際生活中，當玻璃在高溫高于600 ℃下會出現松弛的現象，但玻璃不會發生破裂而損壞.實驗結果證明，溫差過大會出現玻璃破裂現象，但實際遇火時其內部熱應力作用被破壞，玻璃出現坍塌現象.

3 結 論

采用離子交換法，將鈉鈣硅玻璃基片放入熔鹽中進行離子交換，利用以下工藝可將其耐火性能提高到一定程度:進行離子交換實驗時，退火工序有利于玻璃內部離子進行擴散，有利于玻璃耐火性能的提高;加熱玻璃基片時，需對其進行預熱，溫差超過40 ℃，玻璃基片容易出現裂紋;在熔鹽成分不變的情況下，離子交換時間為8 h，交換溫度為450 ℃時，即達到較好的交換結果.需說明的是，對于具體的離子交換工藝參數對白玻璃軟化溫度點的影響，需要進一步的實驗分析.

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