Као аморфног неорганског материјала, својства стакла су одређена и његовим хемијским саставом и микроструктуром. У главним стакленим системима као што су натријум-калцијум-силикатно стакло, боросиликатно стакло итд., поред главне компоненте СиО ₂, избор и однос оксидних адитива директно утичу на формирање топљења, механичка својства, хемијску стабилност и функционалне карактеристике стакла.магнезијум оксид (МгО), као типичан оксид земноалкалног метала, игра кључну улогу у регулисању структуре, оптимизацији перформанси и побољшању процеса у саставу стакла због свог малог радијуса јона (0,072 нм) и велике јачине поља (З/р ²=6,25). Овај чланак укратко анализира механизам и практичну вредност магнезијум оксида у стаклу из шест димензија: процес топљења, механичка својства, хемијска стабилност, термичка својства, оптички квалитет и сценарији примене.
1、 Подешавање процеса топљења и формирања: смањење потрошње енергије и минимизирање дефеката
Процес топљења стакла је процес претварања чврстих сировина у једноличан растоп и уклањања мехурића и пруга. Магнезијум оксид значајно оптимизује квалитет топљења и формирања регулишући вискозитет и површински напон растопа.
У натријум-калцијум силикатном стаклу, традиционалне компоненте су углавном СиО ₂ (70% -75%), На ₂ О (12% -16%) и ЦаО (6% -10%), МгО (3,5%-4%)。 ЦаО и МгО су оба земноалкални метали. На високим температурама (>1400 ℃), Мг ² ⁺ реагује са Ца ² ⁺ и комбинује се са кисеоником који не премошћује да би ослабио степен полимеризације мреже силицијум кисеоника, смањио вискозитет растопа и убрзао растварање сировина и излазак мехурића; У фази формирања при ниској температури (<1000 ℃), карактеристике високе јачине поља Мг²⁺ повећавају међумолекуларне силе, повећавају вискозитет растопа (као што је у лименој кади за формирање флоат стакла, вискозност се повећава за око 8%), избегава се деформација стаклене врпце и смањује дефектна дебљина стаклене траке. Двоструки ефекат контроле „смањење вискозности на високим температурама и повећање вискозитета на ниској температури“ смањује потрошњу енергије пећи за топљење, скраћује време топљења за 10% -15% и смањује брзину мехурића за више од 30%, значајно побољшавајући ефикасност производње.
Поред тога, магнезијум оксид може инхибирати тенденцију кристализације растопа. Када се отопина стакла охлади, Ца ² ⁺ лако формира кристалне фазе као што је калцијум фелдспат (ЦаАл ₂ Си ₂ О ₈) са СиО ₂, што доводи до губитка стакла (као што су пруге и дефекти камена). Јонски радијус Мг ² ⁺ је мањи од Ца ² ⁺ (0,099 нм) и има јачу компатибилност са мрежом силицијум кисеоника, што може ометати раст кристалних језгара кроз „ефекат пуњења“. У производњи равног стакла, када је количина додатог МгО 2% -4%, горња гранична температура кристализације у растопу се смањује за 15-25 ℃, ефективно проширујући температурни опсег обликовања и смањујући дефекте кристализације узроковане локалним подхлађењем.
2、 Јачање механичких својстава: повећање снаге и жилавости
Крхкост стакла је у суштини последица дуготрајног поремећаја атомског распореда у микроструктури, док магнезијум оксид значајно побољшава своја механичка својства оптимизацијом густине мреже и јачине јонске везе.
Повећање тврдоће и модула еластичности: Висока јачина поља Мг ² ⁺ формира јаке јонске везе са јонима кисеоника, смањујући број врста кисеоника који не премошћују (које су слабе тачке у структури мреже). У натријум-калцијум силикатном стаклу, када МгО замени 10% -20% ЦаО, Викерсова тврдоћа стакла се повећава са 5,5 ГПа на 6,2 ГПа, а модул еластичности се повећава са 68 ГПа на 75 ГПа. То је зато што је енергија везивања између Мг²⁺ и тетраедара силицијум кисеоника (око 640 кЈ/мол) већа од енергије Ца²⁺ (око 560 кЈ/мол), чинећи структуру мреже густијом. На пример, додавање 3% -5% МгО фотонапонском стаклу повећава отпорност површине на огреботине за 20%, смањујући оштећење површине током транспорта и инсталације.
Оптимизација чврстоће и жилавости на савијање: Чврстоћа стакла на савијање зависи од отпорности на ширење "микропукотина" у структури, а магнезијум оксид игра улогу у пречишћавању величине дефекта мреже. Истраживања су показала да је код натријум-калцијум-силикатног стакла које садржи МгО просечна дужина микропукотина скраћена са 8 μм на 5 μм, а брзина ширења прслине смањена је за 30%. Након замене 25% ЦаО са МгО у стаклу за флаше, чврстоћа на савијање је порасла са 45 МПа на 58 МПа, а отпорност тела боце на удар се повећала за 25%, што је значајно смањило проблем експлозије током процеса пуњења. Поред тога, магнезијум оксид може смањити индекс ломљивости (енергија лома/модул еластичности) стакла. У боросиликатном стаклу отпорном на топлоту, додавање 4% -6% МгО може смањити индекс ломљивости за 12% и побољшати његову отпорност на топлотни удар.
Хемијска стабилност стакла (отпорност на воду, отпорност на киселине, отпорност на алкалије) зависи од отпорности структуре мреже на спољашњу ерозију јона. Магнезијум оксид значајно побољшава своју прилагодљивост околини повећањем густине мреже и силе везивања јона.
Побољшање водоотпорности: У натријум-калцијум силикатном стаклу, висока стопа миграције На⁺ чини га лако растворљивим у води (формирајући „деалкални слој“), док Мг²⁺ може смањити брзину растварања На⁺ кроз „јонску размену“. У ИСО 719 тесту отпорности на воду, стопа губитка тежине натријум-калцијум стакла без МгО била је 0,15 мг/цм². Након додавања 3% МгО, стопа губитка тежине се смањила на 0,08 мг/цм². Ово је због јаче силе везивања између Мг ² ⁺ и силицијумске кисеоничке мреже, која омета продирање Х 2 О молекула у унутрашњост стакла. Ова карактеристика продужава радни век стакла које садржи МгО за више од 30% у влажним срединама као што су зидови завесе и акваријуми.
Повећана отпорност на алкалије: У алкалним срединама, ОХ⁻ напада Си-О-Си везу, што доводи до дезинтеграције мреже, док увођење Мг²⁺ може формирати „алкални тампон слој“. Након додавања 5% -7% МгО стакленим влакнима која се користе у композитним материјалима на бази цемента, стопа задржавања чврстоће стаклених влакана натопљених у алкални раствор са пХ=13 током 28 дана порасла је са 65% на 82%. То је зато што се Мг ² ⁺ и ОХ ⁻ формирају Мг (ОХ) ₂ таложи, блокирајући поре на стакленој површини и успоравајући продирање алкалног раствора.
Регулација отпорности на киселину: За стакла која садрже бор (као што су оптичка стакла), магнезијум оксид може инхибирати хидролизу мрежа кисеоника бора. У боросиликатном стаклу, Б ³ ⁺ се лако комбинује са Х ⁺ да би формирао [БО ∝] ³ ⁻, што доводи до дезинтеграције мреже, док велика јачина поља Мг ² ⁺ може стабилизовати [БО ₄] ⁻ тетраедарску структуру. Након додавања 2% -3% МгО, брзина губитка тежине стакла у 10% раствору ХЦл смањена је за 40%, што га чини погодним за прозоре прецизних инструмената у киселим срединама.
4、 Оптимизујте термичка својства: смањите коефицијент експанзије и побољшајте отпорност на топлоту
Коефицијент термичке експанзије (ЦТЕ) је кључни параметар у композиту стакла, метала, керамике и других материјала. Магнезијум оксид постиже прецизну контролу ЦТЕ подешавањем карактеристика вибрација мреже.
Основни адитив стакла ниске експанзије: У боросиликатном стаклу ниске експанзије (као што је Пирек стакло), МгО ради синергистички са Б ₂ О3 и Ал ₂ О3 како би смањио амплитуду термичких вибрација кроз „пуњење мреже“. Јонски радијус Мг ² ⁺ је мали и може се уградити у празнине силицијум кисеоник/бор кисеоника мрежа, ограничавајући релаксацију мреже на високим температурама. Када је количина додатог МгО 4% -6%, ЦТЕ стакла се смањује са 3,2 × 10 ⁻⁶/℃ на 2,8 × 10 ⁻⁶/℃, испуњавајући услове за заптивање са металима као што су волфрам и молибден (ЦТЕ метала је око 4/4℃). На пример, у стаклу ниске експанзије које се користи за електронско паковање, увођење МгО смањује термички стрес на заптивном интерфејсу за 25%, избегавајући пуцање изазвано цикличким температурним променама.
Побољшање отпорности на топлотни удар: Отпорност стакла на топлотни удар зависи од комбинованог ефекта ЦТЕ и топлотне проводљивости, а магнезијум оксид може да оптимизује обоје истовремено. У натријум-калцијум силикатном стаклу, додавање 3% МгО смањује ЦТЕ са 9,0 × 10 ⁻⁶/℃ на 8,2 × 10 ⁻⁶/℃, повећава топлотну проводљивост са 1,05 В/до 1,18 В/ и повећава температуру отпорну на ударце од (1 Δ0 Т) 150 ℃. Ова карактеристика чини стакло које садржи МгО погодним за кухињске посуде (као што су тепсије), фарове аутомобила (издрже температурне флуктуације од -40 ℃ до 120 ℃) и друге сценарије.
5、 Обезбедите оптички квалитет: одржавајте транспарентност, регулишите индекс преламања
Оптичко стакло има строге захтеве за транспарентност, индекс преламања (нД) и коефицијент дисперзије (∆ Д), а магнезијум оксид је постао идеалан адитив за функционално оптичко стакло због својих безбојних и слабих својстава бојења.
Одржавање високе транспарентности: МгО је сам по себи безбојни оксид и не уводи јоне прелазних метала (као што су Фе ³ ⁺, Цр ³ ⁺), који могу да избегну бојење стакла. У ултрабелом фотонапонском стаклу, када се додавање МгО контролише на 2% -3%, пропусност видљиве светлости (400-700 нм) може да достигне преко 94,5%, што је само 0,3% ниже од чистог силицијумског стакла и далеко боље од стакла које садржи Фе ₂ О ∝ (пропусност<91%). Поред тога, магнезијум оксид може смањити мехуриће и дефекте кристализације у стаклу, додатно смањити губитке расејања светлости и побољшати униформност преноса светлости стаклених прозора за ласерске даљиномере за 15%.
Индекс преламања и контрола дисперзије: Моларни индекс преламања (Р=3,2) МгО је између ЦаО (Р=4,0) и ЗнО (Р=3,0), а оптичке константе стакла се могу фино подесити подешавањем додане количине. Након замене 10% ЦаО са МгО у оптичком стаклу марке круна, индекс преламања нД се смањио са 1,523 на 1,518, а коефицијент дисперзије ∆ Д повећао се са 58 на 62, испуњавајући захтеве дизајна сочива ниске дисперзије. За инфрацрвено трансмисионо стакло (као што је ГеО ₂ - МгО систем), МгО може смањити коефицијент инфрацрвене апсорпције стакла и повећати пропусност за 8% у опсегу од 3-5 μм, што је погодно за прозоре за термовизију.
У будућности, са надоградњом зелене производње и потражњом за функционалним стаклом, примена магнезијум оксида ће се развијати у правцу рафинирања: с једне стране, механичка и оптичка својства стакла ће се додатно побољшати допирањем нано МгО (величина честица<50 нм); С друге стране, комбиновањем дизајна компоненти вођених вештачком интелигенцијом, може се развити нови систем стакла заснованог на МгО (као што је МгО Ли ₂ О-ЗрО ₂ стакло ниске тачке топљења) како би се прилагодио флексибилној електроници и апликацијама за складиштење и транспорт енергије водоника. Вредност магнезијум оксида у саставу стакла се помера од „регулатора перформанси“ ка „функционалном покретачу“, подстичући еволуцију стаклених материјала ка већим перформансама и ширим сценаријима.
САТ НАНО је најбољи добављач праха МгО магнезијум оксида у Кини, можемо понудити величину нано честица, ако имате било какво питање, слободно нас контактирајте на салес03@сатнано.цом
