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)
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.
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)
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
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.
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.
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