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              走夜路不怕錯過路標,全靠“高折射玻璃微珠”
              2020年09月27日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:854
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              “玻璃”是我們日常生活中最為熟悉的無機材料之一,它以形形色色的形態為我們提供了許多便利,有些你甚至都想不到居然會是玻璃。比如說道路上的斑馬線、夜間行駛的反光裝置,就與一種名為高折射率玻璃微珠的新型玻璃材料息息相關。

              高折射率玻璃微珠

              正是這種看似“平平無奇”的材料,極大地增強了道路及路標的折射率,讓人們在夜間行駛時不用再擔心看不見斑馬線或是錯過路標,為公路行駛安全做出了巨大貢獻。為什么高折射率玻璃微珠會擁有這樣的能力,具體它又是怎么發揮出來的,下面便來一起了解一下。

              什么是“高折射率玻璃微珠”?

              首先,玻璃微珠是一種近年來發展比較迅速且用途廣泛的硅酸鹽材料,憑借其球形形狀和材料特性為工業生產提供了許多獨特的強化功能。其次,根據折射率的不同,玻璃微珠可分為:低折射率玻璃微珠(n<1.7);準高折射率玻璃微珠(1.7<n<1.9)和高折射率玻璃微珠n>1.9)。由于后者具有很好的回歸反射性能,因此是近年來研究及應用上的一個熱點。

              玻璃微珠

              玻璃微珠

              比如說上文中所提及的道路標線和交通標志,它們之所以能反光,主要歸功于覆蓋在上面的逆反射材料,而高折射率玻璃珠正是逆反射材料中實現逆向反射功能的主要光學元件。利用玻璃微珠較高的折射率,它在接受入射光后,可基本上按與入射光平行而相逆的方向返回大部分光能,因此又叫回歸式反光材料,其反光原理如圖所示。

              玻璃微珠發射示意圖

              左:玻璃微珠的回歸反射路線

              右:逆反射材料的反光原理示意圖

              目前,逆反射材料常用作安全指示標志被大量應用于道路安全設施和各種防護裝備,如反光交通標志、反光道路標線、反光車身識別、故障車警告標志、能見度高警示服、反光雨衣、反光警示帶等,在晚上給司機起到警示作用,避免或減少事故的發生。隨著政府對安全工作力度的加大和人們安全意識的提高,逆反射材料的應用已不僅限于道路交通,在礦山、消防、搶險、救援、環衛、市政、建筑等行業也已經廣泛使用。具有反光性能的回歸式反光材料,不需要外加電源就可以起到良好的指示作用,因此也是一種重要的節能材料。

              高折射玻璃微珠的成分

              當玻璃陶瓷微珠的折射率達到1.93時,光源照射透光玻璃或陶瓷,微珠內部的光線焦點落在球體的內表面,此時玻璃陶瓷微珠得到最好的回歸反射特性,這就要求制備的玻璃陶瓷微珠為透明微珠且折射率為1.9左右。不過由于工業制備的玻璃陶瓷微珠引入高折射率的氧化物容易引起析晶,造成玻璃陶瓷的失透,所以制備的玻璃陶瓷微珠一般為非嚴格透明的微晶玻璃,折射率大于1.9時或在2.0以上時也同樣有較好的回歸反射性能。

              為了獲得折射率1.9 以上的玻璃,就需引入折射率加和性系數1.9以上的氧化物,如PbO、Bi2O3TiO2ZrO2以及稀土氧化物LaO3NdOs等。由于Pb有毒,不符合環保要求,在工業生產中普遍不被采用,Bi2O3以及稀土氧化物價格昂貴,并且形成玻璃的范圍較窄,工業生產中應用較少,而TiO2作為玻璃網絡中間體氧化物,配位數可變,當有網絡外體存在提供足夠“游離”時氧可成為[TiO4]四面體而進入網絡,使玻璃更趨穩定,當玻璃系統中存在BaO、ZrO2時,可促進TiO2轉變為[TiO4]四面體。因此國內外普遍采用TiO2、BaO、ZrO2作為提高玻璃陶瓷微珠折射率的氧化物引入。

              此外,有研究證明在以TiO2-SiO2-BaO為基礎成分時,加入R2O、CaO、ZrO2可得到高折射率、低色散、低密度的光學玻璃。Al2O3的引入可大大降低玻璃的析晶性能,提高強度,無堿硅酸鹽玻璃SiO2-Al2O3-CaO-MgO中不含R2O或R2O<2%時,具有很高的化學穩定性、強度。因此國內外高折射率玻璃微珠的成分中往往引入Al、Ca、Mg等元素以提高玻璃的化學穩定性及熱力學穩定性,降低析晶性,提高玻璃或微晶玻璃的強度及硬度。

              高折射玻璃微珠的制備工藝

              目前,高折射率玻璃微珠的傳統制備方法可分成熔液法和粉末法兩大類。熔液法是以傳統的玻璃熔制工藝為基礎,將玻璃原料研磨混合均勻,高溫下熔融玻璃原料得到玻璃液,然后將玻璃液分散成玻漓液滴,液滴在表面張力的作用下形成微珠,在空氣或水中快速淬火得到固體微珠。粉末法則是將篩分好的滿足粒度要求的碎玻璃粉加入噴燒器或高溫爐中熱處理成珠。

              不過現在除了傳統的玻璃制備方法外,比較流行的是利用合成玻璃、陶瓷的新工藝——溶膠凝膠法來制造高折射率玻璃微珠。溶膠-凝膠法制備微珠可分為以下幾個步驟:

              ①選擇各組分的活性化合物,并溶解于醇溶液中進行充分的混合并加入足量水,使得各個組分發生絡合、水解、縮聚反應,得到均勻透明溶膠。

              ②將親水性的溶膠滴加到憎水性的油相中,形成“O/W”型液滴結構。同時為了使溶膠分散成均勻的液滴,需要加入非離子型乳化劑在溶膠微珠表面形成保護層,避免微珠變形或者粘連。當溶膠在油相中分散成均勻的微珠,同時對其進行水浴加熱,加快凝膠。

              ③將沉積在油相底部的凝膠微珠取出,經過陳化、濾去油相、使用有機溶劑反復洗滌、干燥、燒結后就可以得到所需的玻璃微珠。

              玻璃微珠

              使用溶膠凝膠法制備的玻璃微珠SEM

              顯然,與傳統工藝相比,溶膠凝膠法具備很多優勢,如產品純度高、性能優良、耗能少、工藝過程簡單易控等。若能大范圍進行推廣,對于降低玻璃微珠生產成本及提高品質將具有重要意義。

              資料來源:

              高折射率玻璃微珠的制備及性能研究,張怡。

              高折射玻璃微珠的溶膠-凝膠法制備研究,黃希風。

              粉體圈整理


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