Essendo un materiale inorganico amorfo, le proprietà del vetro sono determinate sia dalla sua composizione chimica che dalla sua microstruttura. Nei sistemi di vetro tradizionali come il vetro al silicato di sodio e calcio, il vetro al borosilicato, ecc., oltre al componente principale SiO ₂, la selezione e il rapporto degli additivi di ossido influenzano direttamente la formazione della fusione, le proprietà meccaniche, la stabilità chimica e le caratteristiche funzionali del vetro.Ossido di magnesio (MgO), come un tipico ossido di metallo alcalino terroso, svolge un ruolo chiave nella regolazione della struttura, nell'ottimizzazione delle prestazioni e nel miglioramento del processo nella composizione del vetro grazie al suo piccolo raggio ionico (0,072 nm) e all'elevata intensità di campo (Z/r²=6,25). Questo articolo analizza brevemente il meccanismo e il valore pratico dell'ossido di magnesio nel vetro da sei dimensioni: processo di fusione, proprietà meccaniche, stabilità chimica, proprietà termiche, qualità ottica e scenari applicativi.
1、 Regolazione del processo di fusione e formatura: riduzione del consumo energetico e minimizzazione dei difetti
Il processo di fusione del vetro è il processo di conversione delle materie prime solide in una massa fusa uniforme e di rimozione di bolle e strisce. L'ossido di magnesio ottimizza in modo significativo la qualità della fusione e della formatura regolando la viscosità e la tensione superficiale del fuso.
Nel vetro di silicato di sodio e calcio, i componenti tradizionali sono principalmente SiO ₂ (70% -75%), Na ₂ O (12% -16%) e CaO (6% -10%), MgO (3,5% -4%）). CaO e MgO sono entrambi metalli alcalino terrosi. A temperature elevate (>1400 ℃), Mg ² ⁺ reagisce con Ca ² ⁺ e si combina con l'ossigeno non legante per indebolire il grado di polimerizzazione della rete di ossigeno del silicio, ridurre la viscosità del fuso e accelerare la dissoluzione delle materie prime e la fuoriuscita di bolle; Nella fase di formazione a bassa temperatura (<1000 ℃), le caratteristiche di elevata intensità di campo di Mg ² ⁺ migliorano le forze intermolecolari, aumentano la viscosità del fuso (come nel bagno di stagno della formazione del vetro float, la viscosità aumenta di circa l'8%), evitano la deformazione del nastro di vetro dovuta alla gravità e riducono i difetti di spessore irregolare. Il doppio effetto di controllo di "riduzione della viscosità ad alta temperatura e aumento della viscosità a bassa temperatura" riduce il consumo energetico del forno fusorio, accorcia il tempo di fusione del 10% -15% e riduce il tasso di bolle di oltre il 30%, migliorando significativamente l'efficienza produttiva.
Inoltre, l'ossido di magnesio può inibire la tendenza alla cristallizzazione della massa fusa. Quando il vetro fuso si raffredda, Ca ² ⁺ forma facilmente fasi cristalline come il feldspato di calcio (CaAl ₂ Si ₂ O ₈) con SiO ₂, portando alla perdita di vetro (come strisce e difetti della pietra). Il raggio ionico di Mg ² ⁺ è inferiore a quello di Ca ² ⁺ (0,099 nm) e ha una maggiore compatibilità con la rete di ossigeno del silicio, che può ostacolare la crescita dei nuclei cristallini attraverso l'effetto "riempimento". Nella produzione di vetro piano, quando la quantità di MgO aggiunta è del 2% -4%, la temperatura limite superiore di cristallizzazione nella massa fusa diminuisce di 15-25 ℃, espandendo efficacemente l'intervallo di temperature di stampaggio e riducendo i difetti di cristallizzazione causati dal sottoraffreddamento locale.
2、 Rafforzamento delle proprietà meccaniche: miglioramento della resistenza e della tenacità
La fragilità del vetro è essenzialmente dovuta al disordine a lungo raggio della disposizione atomica nella microstruttura, mentre l'ossido di magnesio migliora significativamente le sue proprietà meccaniche ottimizzando la densità della rete e la forza dei legami ionici.
Miglioramento della durezza e del modulo elastico: l'elevata intensità di campo di Mg ² ⁺ forma forti legami ionici con gli ioni di ossigeno, riducendo il numero di specie di ossigeno non a ponte (che sono punti deboli nella struttura della rete). Nel vetro di silicato di sodio e calcio, quando MgO sostituisce il 10% -20% di CaO, la durezza Vickers del vetro aumenta da 5,5 GPa a 6,2 GPa e il modulo elastico aumenta da 68 GPa a 75 GPa. Questo perché l'energia di legame tra Mg ² ⁺ e i tetraedri di ossigeno e silicio (circa 640 kJ/mol) è superiore a quella del Ca ² ⁺ (circa 560 kJ/mol), rendendo la struttura della rete più densa. Ad esempio, l'aggiunta del 3% -5% di MgO al vetro fotovoltaico aumenta la resistenza ai graffi della superficie del 20%, riducendo i danni superficiali durante il trasporto e l'installazione.
Ottimizzazione della resistenza alla flessione e della tenacità: la resistenza alla flessione del vetro dipende dalla resistenza alla propagazione delle "microfessure" nella struttura e l'ossido di magnesio svolge un ruolo affinando la dimensione dei difetti della rete. La ricerca ha dimostrato che nel vetro di silicato sodico-calcico contenente MgO, la lunghezza media delle microfessure è ridotta da 8 μm a 5 μm e la velocità di propagazione delle cricche è ridotta del 30%. Dopo aver sostituito il 25% di CaO con MgO nel vetro della bottiglia, la resistenza alla flessione è aumentata da 45 MPa a 58 MPa e la resistenza all'impatto del corpo della bottiglia è aumentata del 25%, riducendo significativamente il problema dell'esplosione durante il processo di riempimento. Inoltre, l'ossido di magnesio può ridurre l'indice di fragilità (energia di frattura/modulo elastico) del vetro. Nel vetro borosilicato resistente al calore, l'aggiunta del 4% -6% di MgO può ridurre l'indice di fragilità del 12% e migliorarne la tenacità agli shock termici.
La stabilità chimica del vetro (resistenza all'acqua, resistenza agli acidi, resistenza agli alcali) dipende dalla resistenza della struttura della rete all'erosione ionica esterna. L'ossido di magnesio migliora significativamente la sua adattabilità ambientale migliorando la densità della rete e la forza legante degli ioni.
Miglioramento della resistenza all'acqua: nel vetro di silicato sodico-calcico, l'elevata velocità di migrazione di Na ⁺ lo rende facilmente solubile in acqua (formando uno "strato de alcalino"), mentre Mg ² ⁺ può ridurre la velocità di dissoluzione di Na ⁺ attraverso lo "scambio ionico". Nel test di resistenza all'acqua ISO 719, il tasso di perdita di peso del vetro sodico calcico senza MgO è stato di 0,15 mg/cm². Dopo aver aggiunto il 3% di MgO, il tasso di perdita di peso è sceso a 0,08 mg/cm². Ciò è dovuto alla forza legante più forte tra Mg ² ⁺ e la rete di ossigeno del silicio, che ostacola la penetrazione delle molecole di H ₂ O all'interno del vetro. Questa caratteristica prolunga la durata del vetro contenente MgO di oltre il 30% in ambienti umidi come facciate continue di edifici e acquari.
Maggiore resistenza agli alcali: in ambienti alcalini, OH ⁻ attacca il legame Si-O-Si, portando alla disintegrazione della rete, mentre l'introduzione di Mg ² ⁺ può formare uno "strato tampone alcalino". Dopo aver aggiunto il 5%-7% di MgO alle fibre di vetro utilizzate nei materiali compositi a base di cemento, il tasso di ritenzione della resistenza delle fibre di vetro immerse in una soluzione alcalina con pH=13 per 28 giorni è aumentato dal 65% all'82%. Questo perché Mg ² ⁺ e OH ⁻ formano Mg (OH) ₂ precipitando, ostruendo i pori sulla superficie del vetro e rallentando la penetrazione della soluzione alcalina.
Regolazione della resistenza agli acidi: per i vetri contenenti boro (come i vetri ottici), l'ossido di magnesio può inibire l'idrolisi delle reti di boro-ossigeno. Nel vetro borosilicato, B ³ ⁺ si combina facilmente con H ⁺ per formare [BO ∝] ³ ⁻, portando alla disintegrazione della rete, mentre l'elevata intensità di campo di Mg ² ⁺ può stabilizzare la struttura tetraedrica [BO ₄] ⁻. Dopo aver aggiunto il 2% -3% di MgO, il tasso di perdita di peso del vetro nella soluzione di HCl al 10% è diminuito del 40%, rendendolo adatto per finestre di strumenti di precisione in ambienti acidi.
4、 Ottimizza le proprietà termiche: riduce il coefficiente di espansione e migliora la resistenza al calore
Il coefficiente di dilatazione termica (CTE) è un parametro chiave nei compositi di vetro, metallo, ceramica e altri materiali. L'ossido di magnesio raggiunge un controllo preciso del CTE regolando le caratteristiche di vibrazione della rete.
L'additivo principale del vetro a bassa espansione: nel vetro borosilicato a bassa espansione (come il vetro Pyrex), MgO lavora in sinergia con B ₂ O3 e Al ₂ O3 per ridurre l'ampiezza delle vibrazioni termiche attraverso il "riempimento della rete". Il raggio ionico di Mg²⁺ è piccolo e può essere incorporato negli spazi vuoti delle reti ossigeno silicio/ossigeno boro, limitando il rilassamento della rete alle alte temperature. Quando la quantità di MgO aggiunta è del 4% -6%, il CTE del vetro diminuisce da 3,2 × 10 ⁻⁶/℃ a 2,8 × 10 ⁻⁶/℃, soddisfacendo i requisiti corrispondenti per la sigillatura con metalli come tungsteno e molibdeno (il CTE del metallo è circa 4 × 10 ⁻⁶/℃). Ad esempio, nel vetro a bassa espansione utilizzato per l'imballaggio elettronico, l'introduzione di MgO riduce lo stress termico sull'interfaccia di sigillatura del 25%, evitando fessurazioni causate dai cicli di temperatura.
Miglioramento della resistenza allo shock termico: la resistenza allo shock termico del vetro dipende dall'effetto combinato di CTE e conduttività termica e l'ossido di magnesio può ottimizzare entrambi contemporaneamente. Nel vetro di silicato di sodio e calcio, l'aggiunta del 3% di MgO riduce il CTE da 9,0 × 10 ⁻⁶/℃ a 8,2 × 10 ⁻⁶/℃, aumenta la conduttività termica da 1,05 W/a 1,18 W/ e aumenta la differenza di temperatura di impatto resistente al calore (Δ T) da 120 ℃ a 150 ℃. Questa caratteristica rende il vetro contenente MgO adatto per utensili da cucina (come teglie), fari di automobili (sopportando fluttuazioni di temperatura da -40 ℃ a 120 ℃) e altri scenari.
5、 Garantire la qualità ottica: mantenere la trasparenza, regolare l'indice di rifrazione
Il vetro ottico ha severi requisiti di trasparenza, indice di rifrazione (nD) e coefficiente di dispersione (∆ D) e l'ossido di magnesio è diventato un additivo ideale per il vetro ottico funzionale grazie alle sue proprietà di colorazione debole e incolore.
Mantenimento dell'elevata trasparenza: MgO stesso è un ossido incolore e non introduce ioni di metalli di transizione (come Fe ³ ⁺, Cr ³ ⁺), che possono evitare la colorazione del vetro. Nel vetro fotovoltaico ultra bianco, quando l'aggiunta di MgO è controllata al 2% -3%, la trasmittanza della luce visibile (400-700 nm) può raggiungere oltre il 94,5%, che è solo lo 0,3% inferiore rispetto al vetro al silicio puro e di gran lunga superiore al vetro contenente Fe ₂ O ∝ (trasmittanza <91%). Inoltre, l'ossido di magnesio può ridurre le bolle e i difetti di cristallizzazione nel vetro, ridurre ulteriormente le perdite per diffusione della luce e migliorare del 15% l'uniformità di trasmissione della luce delle finestre di vetro per i telemetri laser.
Indice di rifrazione e controllo della dispersione: l'indice di rifrazione molare (R=3,2) di MgO è compreso tra CaO (R=4,0) e ZnO (R=3,0) e le costanti ottiche del vetro possono essere regolate con precisione regolando la quantità aggiunta. Dopo aver sostituito il 10% di CaO con MgO nel vetro ottico di marca Crown, l'indice di rifrazione nD è diminuito da 1,523 a 1,518 e il coefficiente di dispersione ∆ D è aumentato da 58 a 62, soddisfacendo i requisiti di progettazione delle lenti a bassa dispersione. Per il vetro a trasmissione infrarossa (come il sistema GeO ₂ - MgO), MgO può ridurre il coefficiente di assorbimento dell'infrarosso del vetro e aumentare la trasmittanza dell'8% nella banda 3-5 μ m, adatta per finestre con imaging termico.
In futuro, con il miglioramento della produzione ecologica e la domanda di vetro funzionale, l'applicazione dell'ossido di magnesio si svilupperà verso un perfezionamento: da un lato, le proprietà meccaniche e ottiche del vetro saranno ulteriormente migliorate mediante drogaggio con nano MgO (dimensione delle particelle <50 nm); D'altra parte, combinando la progettazione dei componenti basata sull'intelligenza artificiale, è possibile sviluppare un nuovo sistema di vetro a base di MgO (come il vetro a basso punto di fusione MgO Li ₂ O-ZrO ₂) per adattarsi all'elettronica flessibile e alle applicazioni di stoccaggio e trasporto dell'energia dell'idrogeno. Il valore dell'ossido di magnesio nella composizione del vetro si sta spostando da "regolatore delle prestazioni" a "abilitatore funzionale", guidando l'evoluzione dei materiali di vetro verso prestazioni più elevate e scenari più ampi.
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