Vlastnosti skla jakožto amorfního anorganického materiálu jsou dány jak jeho chemickým složením, tak mikrostrukturou. V běžných skleněných systémech, jako je sodnovápenatokřemičité sklo, borosilikátové sklo atd., kromě hlavní složky SiO ₂, výběr a poměr oxidových přísad přímo ovlivňuje tváření tavením, mechanické vlastnosti, chemickou stabilitu a funkční vlastnosti skla.Oxid hořečnatý (MgO), jako typický oxid kovu alkalických zemin, hraje klíčovou roli při regulaci struktury, optimalizaci výkonu a zlepšování procesu složení skla díky svému malému poloměru iontů (0,072 nm) a vysoké intenzitě pole (Z/r²=6,25). Tento článek stručně analyzuje mechanismus a praktickou hodnotu oxidu hořečnatého ve skle ze šesti dimenzí: proces tavení, mechanické vlastnosti, chemická stabilita, tepelné vlastnosti, optická kvalita a aplikační scénáře.
1、 Úprava procesu tavení a tvarování: snížení spotřeby energie a minimalizace defektů
Proces tavení skla je proces přeměny pevných surovin na stejnoměrnou taveninu a odstraňování bublin a pruhů. Oxid hořečnatý výrazně optimalizuje kvalitu tavení a tváření regulací viskozity a povrchového napětí taveniny.
V sodnovápenatokřemičitém skle jsou tradičními složkami hlavně SiO ₂ (70 % -75 %), Na 2 O (12 % -16 %) a CaO (6 % -10 %), MgO（3,5 % -4 %）。 CaO a MgO jsou oba kovy alkalických zemin. Při vysokých teplotách (>1400 ℃) Mg ² ⁺ reaguje s Ca ² ⁺ a kombinuje se s nemůstkovým kyslíkem, aby se oslabil stupeň polymerace sítě křemíkového kyslíku, snížila se viskozita taveniny a urychlilo se rozpouštění surovin a únik bublin; Ve fázi tváření při nízké teplotě (<1000 ℃) vlastnosti vysoké intenzity pole Mg² ⁺ zvyšují mezimolekulární síly, zvyšují viskozitu taveniny (jako např. v cínové lázni při formování plaveného skla se viskozita zvyšuje asi o 8 %), zabraňuje deformaci skleněného pásu vlivem gravitace a snižuje nerovnoměrnou tloušťku. Dvojí kontrolní efekt „snížení viskozity při vysoké teplotě a zvýšení viskozity při nízké teplotě“ snižuje spotřebu energie tavicí pece, zkracuje dobu tavení o 10 % -15 % a snižuje rychlost bublin o více než 30 %, což výrazně zlepšuje efektivitu výroby.
Kromě toho může oxid hořečnatý inhibovat tendenci taveniny ke krystalizaci. Když se tavenina skla ochladí, Ca2⁺ snadno tvoří krystalické fáze, jako je vápenatý živec (CaAl2Si20₈) s SiO2, což vede ke ztrátě skla (jako jsou pruhy a vady kamene). Iontový poloměr Mg ² ⁺ je menší než poloměr Ca ² ⁺ (0,099 nm) a má silnější kompatibilitu s křemíkovou kyslíkovou sítí, což může bránit růstu krystalových jader prostřednictvím „výplňového efektu“. Při výrobě plochého skla, když je množství přidaného MgO 2% -4%, se horní mezní teplota krystalizace v tavenině sníží o 15-25 ℃, čímž se účinně rozšiřuje rozsah lisovacích teplot a snižují se krystalizační vady způsobené místním podchlazením.
2、 Posílení mechanických vlastností: zvýšení pevnosti a houževnatosti
Křehkost skla je v podstatě způsobena dlouhodosahovou poruchou uspořádání atomů v mikrostruktuře, zatímco oxid hořečnatý výrazně zlepšuje jeho mechanické vlastnosti optimalizací hustoty sítě a pevnosti iontové vazby.
Zvýšení tvrdosti a modulu pružnosti: Vysoká intenzita pole Mg ² ⁺ vytváří silné iontové vazby s ionty kyslíku, čímž se snižuje počet nemůstkových forem kyslíku (což jsou slabá místa ve struktuře sítě). V sodnovápenatokřemičitém skle, když MgO nahradí 10% -20% CaO, se tvrdost skla podle Vickerse zvýší z 5,5 GPa na 6,2 GPa a modul pružnosti se zvýší z 68 GPa na 75 GPa. To je způsobeno tím, že vazebná energie mezi Mg²⁺ a křemíkovým kyslíkovým tetraedrem (asi 640 kJ/mol) je vyšší než energie Ca²⁺ (asi 560 kJ/mol), čímž je struktura sítě hustší. Například přidání 3% -5% MgO do fotovoltaického skla zvyšuje odolnost povrchu proti poškrábání o 20%, čímž se snižuje poškození povrchu během přepravy a instalace.
Optimalizace pevnosti v ohybu a houževnatosti: Pevnost skla v ohybu závisí na odolnosti proti šíření „mikrotrhlin“ ve struktuře a oxid hořečnatý hraje roli tím, že zpřesňuje velikost síťových defektů. Výzkum ukázal, že v sodnovápenatokřemičitém skle obsahujícím MgO se průměrná délka mikrotrhlin zkrátí z 8 μm na 5 μm a rychlost šíření trhliny se sníží o 30 %. Po nahrazení 25% CaO MgO ve skle lahve se pevnost v ohybu zvýšila ze 45 MPa na 58 MPa a nárazuvzdornost těla lahve se zvýšila o 25 %, což výrazně snížilo problém exploze během procesu plnění. Kromě toho může oxid hořečnatý snížit index křehkosti (energie lomu/modul pružnosti) skla. U borosilikátového žáruvzdorného skla může přidání 4% -6% MgO snížit index křehkosti o 12% a zlepšit jeho houževnatost vůči tepelnému šoku.
Chemická stabilita skla (odolnost vůči vodě, kyselinám, zásadám) závisí na odolnosti struktury sítě vůči vnější iontové erozi. Oxid hořečnatý výrazně zlepšuje svou přizpůsobivost prostředí zvýšením hustoty sítě a vazebné síly iontů.
Zlepšení odolnosti proti vodě: V sodnovápenatokřemičitém skle je díky vysoké rychlosti migrace Na+ snadno rozpustné ve vodě (vytváření „dealkalické vrstvy“), zatímco Mg2⁺ může snížit rychlost rozpouštění Na⁺ prostřednictvím „iontové výměny“. V testu odolnosti proti vodě podle ISO 719 byla míra ztráty hmotnosti sodnovápenatého skla bez MgO 0,15 mg/cm². Po přidání 3 % MgO se rychlost ztráty hmotnosti snížila na 0,08 mg/cm2. To je způsobeno silnější vazebnou silou mezi Mg ² ⁺ a křemíkovou kyslíkovou sítí, která brání pronikání molekul H 2 O do vnitřku skla. Tato vlastnost prodlužuje životnost skla obsahujícího MgO o více než 30 % ve vlhkém prostředí, jako jsou fasády budov a akvária.
Zvýšená odolnost vůči alkáliím: V alkalickém prostředí OH ⁻ napadá vazbu Si-O-Si, což vede k rozpadu sítě, zatímco zavedení Mg ² ⁺ může vytvořit "alkalickou nárazníkovou vrstvu". Po přidání 5% -7% MgO ke skleněným vláknům používaným v kompozitních materiálech na bázi cementu se míra zachování pevnosti skleněných vláken namočených v alkalickém roztoku s pH=13 po dobu 28 dnů zvýšila z 65% na 82%. Je to proto, že Mg ² ⁺ a OH ⁻ tvoří Mg (OH) ₂ precipitují, ucpávají póry na povrchu skla a zpomalují pronikání alkalického roztoku.
Regulace odolnosti vůči kyselinám: U skel obsahujících bor (jako jsou optická skla) může oxid hořečnatý inhibovat hydrolýzu sítí boru a kyslíku. V borosilikátovém skle se B ³ ⁺ snadno kombinuje s H ⁺ za vzniku [BO ∝] 3 ⁻, což vede k rozpadu sítě, zatímco vysoká intenzita pole Mg ² ⁺ může stabilizovat tetraedrickou strukturu [BO ₄] ⁻. Po přidání 2% -3% MgO se rychlost úbytku hmotnosti skla v 10% roztoku HCl snížila o 40%, díky čemuž je vhodné pro okna přesných přístrojů v kyselém prostředí.
4、 Optimalizujte tepelné vlastnosti: snižte koeficient roztažnosti a zlepšujte tepelnou odolnost
Koeficient tepelné roztažnosti (CTE) je klíčovým parametrem u kompozitu skla, kovu, keramiky a dalších materiálů. Oxid hořečnatý dosahuje přesné kontroly CTE úpravou vibračních charakteristik sítě.
Základní přísada skla s nízkou roztažností: V borosilikátových sklech s nízkou roztažností (jako je sklo Pyrex) působí MgO synergicky s B₂O3 a Al₂O3 na snížení amplitudy tepelných vibrací prostřednictvím „vyplnění sítě“. Iontový poloměr Mg ² ⁺ je malý a může být uložen v mezerách sítí křemíkový kyslík/bór kyslík, což omezuje relaxaci sítě při vysokých teplotách. Když je množství přidaného MgO 4 % -6 %, CTE skla se sníží z 3,2 × 10 ⁻⁶/℃ na 2,8 × 10 ⁻⁶/℃, čímž jsou splněny odpovídající požadavky na těsnění s kovy, jako je wolfram a molybden (CTE kovu je asi 4 × ⁻ ⁻ 10 ⁻ ℃). Například u skla s nízkou roztažností používaného pro elektronické obaly snižuje zavedení MgO tepelné namáhání na těsnícím rozhraní o 25 %, čímž se zabrání praskání způsobenému teplotními cykly.
Zlepšení odolnosti proti tepelným šokům: Odolnost skla proti tepelnému šoku závisí na kombinovaném účinku CTE a tepelné vodivosti a oxid hořečnatý může optimalizovat obojí současně. V sodnovápenatokřemičitém skle přidání 3 % MgO snižuje CTE z 9,0 × 10 ⁻⁶/℃ na 8,2 × 10 ⁻⁶/℃, zvyšuje tepelnou vodivost z 1,05 W/na 1,18 W/ a zvyšuje teplotní rozdíl odolný vůči teplu (⁻ ⁶ T) z ℃ Díky této vlastnosti je sklo obsahující MgO vhodné pro kuchyňské náčiní (jako jsou pekáče), světlomety automobilů (odolává teplotním výkyvům od -40 ℃ do 120 ℃) a další scénáře.
5、 Zajistěte optickou kvalitu: udržujte průhlednost, regulujte index lomu
Optické sklo má přísné požadavky na průhlednost, index lomu (nD) a disperzní koeficient (∆ D) a oxid hořečnatý se stal ideální přísadou pro funkční optické sklo díky svým bezbarvým a slabým barevným vlastnostem.
Zachování vysoké průhlednosti: MgO je sám o sobě bezbarvý oxid a nevnáší ionty přechodných kovů (jako je Fe 3 ⁺, Cr 3 ⁺), které mohou zabránit zbarvení skla. V ultra bílém fotovoltaickém skle, když je přídavek MgO řízen na 2 % -3 %, může propustnost viditelného světla (400-700 nm) dosáhnout více než 94,5 %, což je pouze o 0,3 % méně než u čistého křemíkového skla a mnohem lepší než u skla obsahujícího Fe₂ O∝ (propustnost < 91 %). Kromě toho může oxid hořečnatý snížit bubliny a krystalizační vady ve skle, dále snížit ztráty rozptylem světla a zlepšit rovnoměrnost přenosu světla skleněnými okénky pro laserové dálkoměry o 15 %.
Index lomu a kontrola disperze: Molární index lomu (R=3,2) MgO je mezi CaO (R=4,0) a ZnO (R=3,0) a optické konstanty skla lze jemně doladit úpravou přidaného množství. Po nahrazení 10% CaO MgO v optickém skle značky korunky se index lomu nD snížil z 1,523 na 1,518 a disperzní koeficient ∆D se zvýšil z 58 na 62, což splnilo požadavky na design čoček s nízkou disperzí. U skla pro přenos infračerveného záření (jako je systém GeO ₂ - MgO) může MgO snížit koeficient infračervené absorpce skla a zvýšit propustnost o 8 % v pásmu 3-5 μm, což je vhodné pro termovizní okna.
V budoucnu, s modernizací zelené výroby a poptávkou po funkčním skle, se bude aplikace oxidu hořečnatého vyvíjet směrem ke zdokonalování: na jedné straně se mechanické a optické vlastnosti skla dále zlepší dopováním nano MgO (velikost částic<50 nm); Na druhou stranu, kombinací designu komponent řízených umělou inteligencí lze vyvinout nový skleněný systém na bázi MgO (jako je sklo s nízkým bodem tání MgO Li ₂ O-ZrO ₂), který se přizpůsobí flexibilní elektronice a aplikacím pro skladování a přepravu vodíkové energie. Hodnota oxidu hořečnatého ve složení skla se posouvá od „regulátoru výkonu“ k „funkčnímu aktivátoru“, což pohání vývoj skleněných materiálů směrem k vyššímu výkonu a širším scénářům.
SAT NANO je nejlepším dodavatelem prášku oxidu hořečnatého MgO v Číně, můžeme nabídnout velikost částic nano, pokud máte nějaký dotaz, neváhejte nás kontaktovat na adrese sales03@satnano.com
