Kao amorfnog anorganskog materijala, svojstva stakla određena su njegovim kemijskim sastavom i mikrostrukturom. U sustavima glavnog stakla kao što su natrij-kalcij-silikatno staklo, borosilikatno staklo itd., uz glavnu komponentu SiO ₂, odabir i omjer oksidnih aditiva izravno utječu na taljenje, mehanička svojstva, kemijsku stabilnost i funkcionalne karakteristike stakla.Magnezijev oksid (MgO), kao tipični oksid zemnoalkalijskog metala, igra ključnu ulogu u regulaciji strukture, optimiziranju performansi i poboljšanju procesa u sastavu stakla zbog svog malog radijusa iona (0,072 nm) i velike jakosti polja (Z/r ²=6,25). Ovaj članak ukratko analizira mehanizam i praktičnu vrijednost magnezijevog oksida u staklu iz šest dimenzija: proces taljenja, mehanička svojstva, kemijska stabilnost, toplinska svojstva, optička kvaliteta i scenariji primjene.
1、 Prilagodba procesa topljenja i oblikovanja: smanjenje potrošnje energije i minimiziranje nedostataka
Proces taljenja stakla je proces pretvaranja čvrstih sirovina u jednoličnu taljevinu i uklanjanje mjehurića i pruga. Magnezijev oksid značajno optimizira kvalitetu taljenja i oblikovanja reguliranjem viskoznosti i površinske napetosti taline.
U natrij kalcij silikatnom staklu, tradicionalne komponente su uglavnom SiO ₂ (70% -75%), Na ₂ O (12% -16%) i CaO (6% -10%), MgO（3,5% -4%）。 CaO i MgO su zemnoalkalijski metali. Na visokim temperaturama (>1400 ℃), Mg ² ⁺ reagira s Ca ² ⁺ i spaja se s nepremošćujućim kisikom kako bi oslabio stupanj polimerizacije silicijeve kisikove mreže, smanjio viskoznost taline i ubrzao otapanje sirovina i izlazak mjehurića; U fazi oblikovanja pri niskim temperaturama (<1000 ℃), visoke karakteristike jakosti polja Mg ² ⁺ povećavaju međumolekulske sile, povećavaju viskoznost taline (kao što je u kositrenoj kupki kod oblikovanja float stakla, viskoznost se povećava za oko 8%), izbjegava se deformacija staklene vrpce zbog gravitacije i smanjuju nedostaci nejednake debljine. Dvostruki učinak kontrole "smanjenje viskoznosti na visokoj temperaturi i povećanje viskoznosti na niskoj temperaturi" smanjuje potrošnju energije peći za taljenje, skraćuje vrijeme taljenja za 10% -15% i smanjuje stopu mjehurića za više od 30%, značajno poboljšavajući učinkovitost proizvodnje.
Osim toga, magnezijev oksid može inhibirati tendenciju kristalizacije taline. Kada se talina stakla ohladi, Ca ² ⁺ lako formira kristalne faze kao što je kalcijev feldspat (CaAl ₂ Si ₂ O ₈) sa SiO ₂, što dovodi do gubitka stakla (kao što su pruge i defekti kamena). Ionski radijus Mg²⁺ manji je od Ca²⁺ (0,099 nm) i ima jaču kompatibilnost s mrežom kisika silicija, što može spriječiti rast kristalnih jezgri kroz "učinak punjenja". U proizvodnji ravnog stakla, kada je količina dodanog MgO 2% -4%, gornja granična temperatura kristalizacije u talini smanjuje se za 15-25 ℃, učinkovito proširujući raspon temperature kalupljenja i smanjujući defekte kristalizacije uzrokovane lokalnim podhlađenjem.
2、 Jačanje mehaničkih svojstava: povećanje čvrstoće i žilavosti
Krhkost stakla u biti je posljedica dugotrajnog poremećaja rasporeda atoma u mikrostrukturi, dok magnezijev oksid značajno poboljšava njegova mehanička svojstva optimiziranjem gustoće mreže i čvrstoće ionske veze.
Povećanje tvrdoće i modula elastičnosti: Visoka jakost polja Mg²⁺ stvara snažne ionske veze s ionima kisika, smanjujući broj nepremošćujućih vrsta kisika (koje su slabe točke u strukturi mreže). U natrij kalcij silikatnom staklu, kada MgO zamijeni 10% -20% CaO, Vickersova tvrdoća stakla se povećava sa 5,5 GPa na 6,2 GPa, a modul elastičnosti se povećava sa 68 GPa na 75 GPa. To je zato što je energija vezanja između Mg ² ⁺ i tetraedra silicijevog kisika (oko 640 kJ/mol) veća od energije Ca ² ⁺ (oko 560 kJ/mol), čineći strukturu mreže gušćom. Na primjer, dodavanje 3% -5% MgO fotonaponskom staklu povećava površinsku otpornost na ogrebotine za 20%, smanjujući oštećenje površine tijekom transporta i instalacije.
Optimizacija čvrstoće na savijanje i žilavosti: Čvrstoća na savijanje stakla ovisi o otpornosti širenja "mikropukotina" u strukturi, a magnezijev oksid igra ulogu u pročišćavanju veličine mrežnih defekata. Istraživanje je pokazalo da je kod natrij-kalcij-silikatnog stakla koje sadrži MgO prosječna duljina mikropukotina skraćena s 8 μm na 5 μm, a brzina širenja pukotina smanjena je za 30%. Nakon zamjene 25% CaO s MgO u staklu boce, čvrstoća na savijanje porasla je s 45 MPa na 58 MPa, a otpornost na udar tijela boce porasla je za 25%, značajno smanjujući problem eksplozije tijekom procesa punjenja. Osim toga, magnezijev oksid može smanjiti indeks krtosti (energija loma/modul elastičnosti) stakla. U borosilikatnom staklu otpornom na toplinu, dodavanje 4% -6% MgO može smanjiti indeks lomljivosti za 12% i poboljšati njegovu žilavost protiv toplinskog udara.
Kemijska stabilnost stakla (otpornost na vodu, otpornost na kiseline, otpornost na lužine) ovisi o otpornosti mrežne strukture na vanjsku ionsku eroziju. Magnezijev oksid značajno poboljšava svoju prilagodljivost okolišu povećavajući gustoću mreže i snagu vezanja iona.
Poboljšanje otpornosti na vodu: u natrij kalcij silikatnom staklu, visoka stopa migracije Na ⁺ čini ga lako topljivim u vodi (tvoreći "de alkalijski sloj"), dok Mg ² ⁺ može smanjiti stopu otapanja Na ⁺ kroz "ionsku izmjenu". U ISO 719 testu otpornosti na vodu, stopa gubitka težine natrij-kalcijevog stakla bez MgO bila je 0,15 mg/cm². Nakon dodavanja 3% MgO, stopa gubitka težine se smanjila na 0,08 mg/cm². To je zbog jače sile vezivanja između Mg ² ⁺ i mreže silicijevog kisika, koja sprječava prodor molekula H ₂ O u unutrašnjost stakla. Ova značajka produljuje radni vijek stakla koje sadrži MgO za više od 30% u vlažnim okruženjima kao što su zavjese u zgradama i akvariji.
Poboljšana otpornost na alkalije: U alkalnim okruženjima, OH ⁻ napada vezu Si-O-Si, što dovodi do dezintegracije mreže, dok uvođenje Mg²⁺ može formirati "alkalni međusloj". Nakon dodavanja 5% -7% MgO staklenim vlaknima koja se koriste u kompozitnim materijalima na bazi cementa, stopa zadržavanja čvrstoće staklenih vlakana natopljenih u alkalnoj otopini s pH=13 tijekom 28 dana povećala se sa 65% na 82%. To je zato što Mg ² ⁺ i OH ⁻ tvore talog Mg (OH) ₂, blokirajući pore na staklenoj površini i usporavajući prodiranje alkalne otopine.
Regulacija otpornosti na kiseline: Za stakla koja sadrže bor (kao što su optička stakla), magnezijev oksid može inhibirati hidrolizu borovih kisikovih mreža. U borosilikatnom staklu, B ³ ⁺ lako se spaja s H ⁺ da bi se formirao [BO ∝] ³ ⁻, što dovodi do dezintegracije mreže, dok velika jakost polja Mg ² ⁺ može stabilizirati [BO ₄] ⁻ tetraedarsku strukturu. Nakon dodavanja 2% -3% MgO, stopa gubitka težine stakla u 10% otopini HCl smanjila se za 40%, što ga čini prikladnim za prozore preciznih instrumenata u kiselim sredinama.
4、 Optimizirajte toplinska svojstva: smanjite koeficijent širenja i poboljšajte otpornost na toplinu
Koeficijent toplinske ekspanzije (CTE) ključni je parametar u kompozitu stakla, metala, keramike i drugih materijala. Magnezijev oksid postiže preciznu kontrolu CTE podešavanjem vibracijskih karakteristika mreže.
Dodatak jezgre stakla niske ekspanzije: u borosilikatnom staklu niske ekspanzije (kao što je Pyrex staklo), MgO radi sinergistički s B ₂ O3 i Al ₂ O3 kako bi smanjio amplitudu toplinske vibracije kroz "mrežno punjenje". Ionski radijus Mg²⁺ je malen i može se ugraditi u praznine mreža silicij kisik/bor kisik, ograničavajući opuštanje mreže na visokim temperaturama. Kada je količina dodanog MgO 4% -6%, KTŠ stakla se smanjuje sa 3,2 × 10 ⁻⁶/℃ na 2,8 × 10 ⁻⁶/℃, ispunjavajući odgovarajuće zahtjeve za brtvljenje s metalima kao što su volfram i molibden (metalni KTŠ je oko 4 × 10 ⁻⁶/℃). Na primjer, u staklu niske ekspanzije koje se koristi za elektroničko pakiranje, uvođenje MgO smanjuje toplinsko naprezanje na spoju za brtvljenje za 25%, izbjegavajući pucanje uzrokovano temperaturnim ciklusima.
Poboljšanje otpornosti na toplinski udar: Otpornost stakla na toplinski udar ovisi o kombiniranom učinku CTE-a i toplinske vodljivosti, a magnezijev oksid može optimizirati oboje istovremeno. U natrij kalcij silikatnom staklu, dodavanje 3% MgO smanjuje CTE s 9,0 × 10 ⁻⁶/℃ na 8,2 × 10 ⁻⁶/℃, povećava toplinsku vodljivost s 1,05 W/na 1,18 W/, i povećava temperaturnu razliku otpornu na toplinu (Δ T) sa 120 ℃ na 150 ℃. Ova karakteristika čini staklo koje sadrži MgO prikladnim za kuhinjsko posuđe (kao što su posude za pečenje), prednja svjetla automobila (podnosi temperaturne fluktuacije od -40 ℃ do 120 ℃) i druge scenarije.
5、 Osigurajte optičku kvalitetu: održavajte prozirnost, regulirajte indeks loma
Optičko staklo ima stroge zahtjeve za prozirnost, indeks loma (nD) i koeficijent disperzije (∆ D), a magnezijev oksid je postao idealan dodatak za funkcionalno optičko staklo zbog svoje bezbojnosti i slabih svojstava bojanja.
Održavanje visoke prozirnosti: sam MgO je bezbojni oksid i ne uvodi ione prijelaznih metala (kao što su Fe ³ ⁺, Cr ³ ⁺), što može izbjeći obojenje stakla. U ultrabijelom fotonaponskom staklu, kada se dodatak MgO kontrolira na 2% -3%, propusnost vidljive svjetlosti (400-700 nm) može doseći preko 94,5%, što je samo 0,3% niže od čistog silikonskog stakla i daleko bolje od stakla koje sadrži Fe ₂ O ∝ (propusnost <91%). Osim toga, magnezijev oksid može smanjiti mjehuriće i defekte kristalizacije u staklu, dodatno smanjiti gubitke raspršenja svjetlosti i poboljšati jednolikost prijenosa svjetlosti staklenih prozora za laserske daljinomjere za 15%.
Kontrola indeksa loma i disperzije: molarni indeks loma (R=3,2) MgO je između CaO (R=4,0) i ZnO (R=3,0), a optičke konstante stakla mogu se fino podesiti podešavanjem dodane količine. Nakon zamjene 10% CaO s MgO u optičkom staklu marke crown, indeks loma nD smanjio se s 1,523 na 1,518, a koeficijent disperzije ∆ D povećao se s 58 na 62, ispunjavajući zahtjeve dizajna leća niske disperzije. Za infracrveno prijenosno staklo (kao što je GeO ₂ - MgO sustav), MgO može smanjiti infracrveni apsorpcijski koeficijent stakla i povećati propusnost za 8% u pojasu od 3-5 μm, što je prikladno za termovizijske prozore.
U budućnosti, s nadogradnjom zelene proizvodnje i potražnjom za funkcionalnim staklom, primjena magnezijevog oksida razvijat će se prema profinjenosti: s jedne strane, mehanička i optička svojstva stakla dodatno će se poboljšati dopiranjem nano MgO (veličina čestica <50 nm); S druge strane, kombiniranjem dizajna komponenti vođenog umjetnom inteligencijom, novi stakleni sustav temeljen na MgO (kao što je MgO Li ₂ O-ZrO ₂ staklo niske točke taljenja) može se razviti za prilagodbu fleksibilnoj elektronici i aplikacijama za pohranu i transport vodikove energije. Vrijednost magnezijevog oksida u sastavu stakla pomiče se s "regulator performansi" na "funkcionalni pokretač", pokrećući evoluciju staklenih materijala prema višim performansama i širim scenarijima.
SAT NANO je najbolji dobavljač praha MgO magnezijevog oksida u Kini, možemo ponuditi nano veličinu čestica, ako imate bilo kakvih pitanja, slobodno nas kontaktirajte na sales03@satnano.com
