Som et amorft uorganisk materiale er glasets egenskaber bestemt af både dets kemiske sammensætning og mikrostruktur. I almindelige glassystemer såsom natriumcalciumsilikatglas, borosilikatglas osv., foruden hovedkomponenten SiO 2, påvirker valget og forholdet mellem oxidadditiver direkte smeltedannelsen, mekaniske egenskaber, kemisk stabilitet og funktionelle egenskaber af glasset.Magnesiumoxid (MgO), som et typisk jordalkalimetaloxid, spiller en nøglerolle i regulering af struktur, optimering af ydeevne og forbedring af proces i glassammensætning på grund af dens lille ionradius (0,072 nm) og høje feltstyrke (Z/r ²=6,25). Denne artikel analyserer kort mekanismen og den praktiske værdi af magnesiumoxid i glas ud fra seks dimensioner: smelteproces, mekaniske egenskaber, kemisk stabilitet, termiske egenskaber, optisk kvalitet og anvendelsesscenarier.
1、 Justering af smelte- og formningsprocessen: reduktion af energiforbrug og minimering af defekter
Smelteprocessen af glas er processen med at omdanne faste råmaterialer til en ensartet smelte og fjerne bobler og striber. Magnesiumoxid optimerer markant kvaliteten af smeltning og formning ved at regulere smeltens viskositet og overfladespænding.
I natriumcalciumsilikatglas er de traditionelle komponenter hovedsageligt SiO ₂ (70 % -75 %), Na ₂ O (12 % -16 %) og CaO (6 % -10 %), MgO (3,5 % -4 %)。 CaO og MgO er begge jordalkalimetaller. Ved høje temperaturer (>1400 ℃) reagerer Mg ² ⁺ med Ca ² ⁺ og kombineres med ikke-brodannende oxygen for at svække polymerisationsgraden af silicium-iltnetværket, reducere viskositeten af smelten og accelerere opløsningen af råmaterialer og undslippet af bobler; I lavtemperatur (<1000 ℃) dannelsesstadiet øger de høje feltstyrkekarakteristika for Mg ² ⁺ de intermolekylære kræfter, øger viskositeten af smelten (såsom i tinbadet til floatglas, der dannes, øges viskositeten med ca. 8%), undgår deformation af glastykkelsesbåndet, og reducerer på grund af ujævn tykkelsesdefekt. Den dobbelte kontroleffekt af "høj temperatur viskositetsreduktion og lav temperatur viskositetsstigning" reducerer energiforbruget i smelteovnen, forkorter smeltetiden med 10% -15% og reducerer boblehastigheden med mere end 30%, hvilket forbedrer produktionseffektiviteten betydeligt.
Derudover kan magnesiumoxid hæmme smeltens krystallisationstendens. Når glassmelten afkøles, danner Ca ² ⁺ let krystalfaser såsom calciumfeldspat (CaAl ₂ Si ₂ O ₈) med SiO ₂, hvilket fører til glastab (såsom striber og stendefekter). Den ioniske radius af Mg ² ⁺ er mindre end den for Ca ² ⁺ (0,099 nm), og den har stærkere kompatibilitet med silicium oxygen-netværket, som kan hindre væksten af krystalkerner gennem "fyldningseffekten". Ved produktion af fladt glas, når mængden af tilsat MgO er 2% -4%, falder den øvre grænsetemperatur for krystallisation i smelten med 15-25 ℃, hvilket effektivt udvider støbetemperaturområdet og reducerer krystallisationsfejl forårsaget af lokal underafkøling.
2、 Styrkelse af mekaniske egenskaber: Forbedring af styrke og sejhed
Glass skørhed skyldes i det væsentlige den langsigtede forstyrrelse af atomarrangementet i mikrostrukturen, mens magnesiumoxid forbedrer dets mekaniske egenskaber væsentligt ved at optimere netværkstæthed og ionisk bindingsstyrke.
Forøgelse af hårdhed og elasticitetsmodul: Den høje feltstyrke af Mg ² ⁺ danner stærke ionbindinger med oxygenioner, hvilket reducerer antallet af ikke-brodannende oxygenarter (som er svage punkter i netværksstrukturen). I natriumcalciumsilikatglas, når MgO erstatter 10% -20% CaO, øges Vickers hårdhed af glasset fra 5,5 GPa til 6,2 GPa, og elasticitetsmodulet stiger fra 68 GPa til 75 GPa. Dette skyldes, at bindingsenergien mellem Mg ² ⁺ og silicium oxygentetraeder (ca. 640 kJ/mol) er højere end Ca ² ⁺ (ca. 560 kJ/mol), hvilket gør netværksstrukturen tættere. For eksempel øger tilsætning af 3 % -5 % MgO til fotovoltaisk glas overfladeridsemodstanden med 20 %, hvilket reducerer overfladeskader under transport og installation.
Optimering af bøjningsstyrke og sejhed: Glass bøjningsstyrke afhænger af udbredelsesmodstanden af "mikrorevner" i strukturen, og magnesiumoxid spiller en rolle ved at forfine størrelsen af netværksdefekter. Forskning har vist, at i natriumcalciumsilikatglas, der indeholder MgO, er den gennemsnitlige længde af mikrorevner forkortet fra 8 μm til 5 μm, og revneudbredelsen reduceres med 30 %. Efter at have erstattet 25% CaO med MgO i flaskeglas, steg bøjningsstyrken fra 45 MPa til 58 MPa, og slagfastheden af flaskekroppen steg med 25%, hvilket signifikant reducerede problemet med eksplosion under påfyldningsprocessen. Derudover kan magnesiumoxid reducere skørhedsindekset (brudenergi/elasticitetsmodul) af glas. I borosilikat varmebestandigt glas kan tilsætning af 4% -6% MgO reducere skørhedsindekset med 12% og forbedre dets sejhed mod termisk stød.
Glasets kemiske stabilitet (vandbestandighed, syrebestandighed, alkalibestandighed) afhænger af netværksstrukturens modstand mod ekstern ionerosion. Magnesiumoxid forbedrer dets miljøtilpasningsevne betydeligt ved at forbedre netværkstætheden og ionbindende kraft.
Forbedring af vandmodstand: I natriumcalciumsilikatglas gør den høje migrationshastighed af Na ⁺ det letopløseligt i vand (danner et "alkalilag"), mens Mg ² ⁺ kan reducere opløsningshastigheden af Na ⁺ gennem "ionbytning". I ISO 719 vandmodstandstesten var vægttabshastigheden for natriumcalciumglas uden MgO 0,15 mg/cm². Efter tilsætning af 3 % MgO faldt vægttabshastigheden til 0,08 mg/cm². Dette skyldes den stærkere bindingskraft mellem Mg ² ⁺ og silicium oxygen-netværket, som hindrer indtrængning af H 2 O-molekyler ind i glassets indre. Denne funktion forlænger levetiden for glas indeholdende MgO med mere end 30 % i fugtige miljøer som f.eks. bygning af gardinvægge og akvarier.
Forbedret alkaliresistens: I alkaliske miljøer angriber OH ⁻ Si-O-Si-bindingen, hvilket fører til netværksdesintegration, mens introduktionen af Mg ² ⁺ kan danne et "alkalisk bufferlag". Efter tilsætning af 5 % -7 % MgO til glasfibre, der anvendes i cementbaserede kompositmaterialer, steg styrketilbageholdelsesgraden af glasfibre gennemblødt i en alkalisk opløsning med pH=13 i 28 dage fra 65 % til 82 %. Dette skyldes, at Mg ² ⁺ og OH ⁻ danner Mg (OH) ₂ udfælder, hvilket blokerer porerne på glasoverfladen og bremser indtrængning af alkalisk opløsning.
Syrebestandighedsregulering: For borholdige glas (såsom optiske glas) kan magnesiumoxid hæmme hydrolysen af boriltnetværk. I borosilikatglas kombineres B ³ ⁺ let med H ⁺ for at danne [BO ∝] 3 ⁻, hvilket fører til netværksdesintegration, mens den høje feltstyrke af Mg ² ⁺ kan stabilisere den [BO ₄] ⁻ tetraedriske struktur. Efter tilsætning af 2 % -3 % MgO faldt vægttabshastigheden for glas i 10 % HCl-opløsning med 40 %, hvilket gør det velegnet til præcisionsinstrumentvinduer i sure miljøer.
4、 Optimer termiske egenskaber: reducere udvidelseskoefficienten og forbedre varmemodstanden
Termisk udvidelseskoefficient (CTE) er en nøgleparameter i kompositten af glas, metal, keramik og andre materialer. Magnesiumoxid opnår præcis kontrol af CTE ved at justere netværkets vibrationsegenskaber.
Kerneadditivet i lavekspansionsglas: I lavekspansionsborosilikatglas (såsom Pyrex-glas) arbejder MgO synergistisk med B ₂ O3 og Al ₂ O3 for at reducere den termiske vibrationsamplitude gennem "netværksfyldning". Ionradius af Mg ² ⁺ er lille og kan indlejres i hullerne i silicium oxygen/bor oxygen netværk, hvilket begrænser afslapning af netværket ved høje temperaturer. Når mængden af tilsat MgO er 4 % -6 %, falder glassets CTE fra 3,2 × 10 ⁻⁶/℃ til 2,8 × 10 ⁻⁶/℃, hvilket opfylder de matchende krav til forsegling med metaller såsom wolfram og molybdæn (metal CTE er ca. 4 ⁻ ℃). For eksempel i lavekspansionsglas, der anvendes til elektronisk emballage, reducerer indførelsen af MgO den termiske spænding ved forseglingsgrænsefladen med 25 %, hvilket undgår revner forårsaget af temperaturcyklus.
Forbedring af termisk stødmodstand: Glasets termiske stødmodstand afhænger af den kombinerede effekt af CTE og termisk ledningsevne, og magnesiumoxid kan optimere begge dele samtidigt. I natriumcalciumsilikatglas reducerer tilsætning af 3 % MgO CTE fra 9,0 × 10 ⁻⁶/℃ til 8,2 × 10 ⁻⁶/℃, øger den termiske ledningsevne fra 1,05 W/til 1,18 W/ og øger temperaturforskellen fra 10 til T 20. 150 ℃. Denne egenskab gør glas indeholdende MgO velegnet til køkkenredskaber (såsom bradepander), billygter (modstår temperatursvingninger fra -40 ℃ til 120 ℃) og andre scenarier.
5、 Sikre optisk kvalitet: bevar gennemsigtighed, reguler brydningsindeks
Optisk glas har strenge krav til gennemsigtighed, brydningsindeks (nD) og spredningskoefficient (∆ D), og magnesiumoxid er blevet et ideelt tilsætningsstof til funktionelt optisk glas på grund af dets farveløse og svage farveegenskaber.
Vedligeholdelse af høj gennemsigtighed: MgO i sig selv er et farveløst oxid og introducerer ikke overgangsmetalioner (såsom Fe ³ ⁺, Cr ³ ⁺), hvilket kan undgå glasfarvning. I ultrahvidt fotovoltaisk glas, når MgO-tilsætningen styres til 2% -3%, kan den synlige lystransmittans (400-700 nm) nå over 94,5%, hvilket kun er 0,3% lavere end rent siliciumglas og langt bedre end glas indeholdende Fe ₂ O ∝ (transmittans <91%). Derudover kan magnesiumoxid reducere bobler og krystallisationsfejl i glas, yderligere reducere lysspredningstab og forbedre lystransmissionens ensartethed af glasvinduer til laserafstandsmålere med 15 %.
Brydningsindeks og dispersionskontrol: Det molære brydningsindeks (R=3,2) for MgO er mellem CaO (R=4,0) og ZnO (R=3,0), og glassets optiske konstanter kan finjusteres ved at justere den tilsatte mængde. Efter at have erstattet 10% CaO med MgO i optisk glas af kronemærke faldt brydningsindekset nD fra 1,523 til 1,518, og spredningskoefficienten ∆ D steg fra 58 til 62, hvilket opfylder designkravene for linser med lav spredning. For infrarødt transmissionsglas (såsom GeO ₂ - MgO-system) kan MgO reducere glassets infrarøde absorptionskoefficient og øge transmittansen med 8% i 3-5 μm-båndet, som er velegnet til termiske billedvinduer.
I fremtiden, med opgraderingen af grøn fremstilling og efterspørgslen efter funktionelt glas, vil anvendelsen af magnesiumoxid udvikle sig i retning af raffinement: på den ene side vil glassets mekaniske og optiske egenskaber blive yderligere forbedret ved doping med nano MgO (partikelstørrelse <50 nm); På den anden side, ved at kombinere AI-drevet komponentdesign, kan et nyt MgO-baseret glassystem (såsom MgO Li ₂ O-ZrO ₂ glas med lavt smeltepunkt) udvikles til at tilpasse sig fleksibel elektronik og brintenergilagring og transportapplikationer. Værdien af magnesiumoxid i glassammensætningen skifter fra en "ydelsesregulator" til en "funktionel muliggører", der driver udviklingen af glasmaterialer mod højere ydeevne og bredere scenarier.
SAT NANO er en bedste leverandør af MgO Magnesiumoxidpulver i Kina, vi kan tilbyde nanopartikelstørrelse, hvis du har nogen forespørgsel, er du velkommen til at kontakte os på sales03@satnano.com
