เนื่องจากเป็นวัสดุอนินทรีย์อสัณฐาน คุณสมบัติของแก้วจึงถูกกำหนดโดยทั้งองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างจุลภาค ในระบบแก้วทั่วไป เช่น แก้วโซเดียมแคลเซียมซิลิเกต แก้วบอโรซิลิเกต ฯลฯ นอกเหนือจากส่วนประกอบหลัก SiO ₂ การเลือกและอัตราส่วนของสารเติมแต่งออกไซด์ส่งผลโดยตรงต่อการขึ้นรูปการหลอม สมบัติเชิงกล ความเสถียรทางเคมี และลักษณะการทำงานของแก้วแมกนีเซียมออกไซด์ (MgO)ในฐานะโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธออกไซด์ทั่วไป มีบทบาทสำคัญในการควบคุมโครงสร้าง เพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน และปรับปรุงกระบวนการในองค์ประกอบของแก้วเนื่องจากมีรัศมีไอออนน้อย (0.072 นาโนเมตร) และความเข้มของสนามแม่เหล็กสูง (Z/r ²=6.25) บทความนี้จะวิเคราะห์กลไกและคุณค่าเชิงปฏิบัติของแมกนีเซียมออกไซด์ในแก้วโดยย่อจาก 6 มิติ ได้แก่ กระบวนการหลอม สมบัติเชิงกล ความคงตัวทางเคมี สมบัติทางความร้อน คุณภาพเชิงแสง และสถานการณ์การใช้งาน
1、 การปรับกระบวนการหลอมและการขึ้นรูป: ลดการใช้พลังงานและลดข้อบกพร่องให้เหลือน้อยที่สุด
กระบวนการหลอมแก้วเป็นกระบวนการในการแปลงวัตถุดิบที่เป็นของแข็งให้กลายเป็นการหลอมละลายที่สม่ำเสมอ และขจัดฟองอากาศและลายเส้น แมกนีเซียมออกไซด์ช่วยปรับคุณภาพการหลอมและการขึ้นรูปให้เหมาะสมอย่างมีนัยสำคัญโดยการควบคุมความหนืดและแรงตึงผิวของการหลอม
ในแก้วโซเดียมแคลเซียมซิลิเกต ส่วนประกอบดั้งเดิมส่วนใหญ่เป็น SiO ₂ (70% -75%), Na ₂ O (12% -16%) และ CaO (6% -10%), MgO (3.5% -4%) 。 CaO และ MgO ต่างก็เป็นโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ ที่อุณหภูมิสูง (>1400 ℃) Mg ² ⁺ ทำปฏิกิริยากับ Ca ² ⁺ และรวมตัวกับออกซิเจนที่ไม่เชื่อมเพื่อลดระดับการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของเครือข่ายออกซิเจนซิลิคอน ลดความหนืดของการหลอม และเร่งการละลายของวัตถุดิบและการหลุดพ้นของฟองอากาศ ในขั้นตอนการขึ้นรูปที่อุณหภูมิต่ำ (<1,000 ℃) ลักษณะความแข็งแรงของสนามแม่เหล็กสูงของ Mg ² ⁺ จะช่วยเพิ่มแรงระหว่างโมเลกุล เพิ่มความหนืดของการหลอม (เช่นในอ่างดีบุกของการขึ้นรูปกระจกโฟลต ความหนืดจะเพิ่มขึ้นประมาณ 8%) หลีกเลี่ยงการเสียรูปของริบบิ้นแก้วเนื่องจากแรงโน้มถ่วง และลดข้อบกพร่องที่มีความหนาไม่สม่ำเสมอ เอฟเฟกต์การควบคุมแบบคู่ของ "การลดความหนืดที่อุณหภูมิสูงและการเพิ่มความหนืดที่อุณหภูมิต่ำ" ช่วยลดการใช้พลังงานของเตาหลอม ลดระยะเวลาการหลอมลง 10% -15% และลดอัตราฟองลงมากกว่า 30% ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตอย่างมีนัยสำคัญ
นอกจากนี้ แมกนีเซียมออกไซด์ยังสามารถยับยั้งแนวโน้มการตกผลึกของการหลอมละลายได้ เมื่อแก้วละลายเย็นลง Ca ² ⁺ จะสร้างเฟสของผลึกได้อย่างง่ายดาย เช่น แคลเซียมเฟลด์สปาร์ (CaAl ₂ Si ₂ O ₈) ด้วย SiO ₂ ทำให้เกิดการสูญเสียแก้ว (เช่น แถบและข้อบกพร่องของหิน) รัศมีไอออนิกของ Mg ² ⁺ นั้นเล็กกว่ารัศมีของ Ca ² ⁺ (0.099 นาโนเมตร) และมีความเข้ากันได้ดีกว่ากับเครือข่ายออกซิเจนของซิลิคอน ซึ่งสามารถขัดขวางการเติบโตของนิวเคลียสของผลึกผ่าน "เอฟเฟกต์การเติม" ในการผลิตกระจกแบน เมื่อปริมาณ MgO ที่เพิ่มคือ 2% -4% อุณหภูมิขีดจำกัดบนของการตกผลึกในการหลอมเหลวจะลดลง 15-25 ℃ ซึ่งจะช่วยขยายช่วงอุณหภูมิการขึ้นรูปได้อย่างมีประสิทธิภาพ และลดข้อบกพร่องในการตกผลึกที่เกิดจากการระบายความร้อนต่ำเกินไปในท้องถิ่น
2、 การเสริมสร้างคุณสมบัติทางกล: เพิ่มความแข็งแรงและความเหนียว
ความเปราะบางของแก้วโดยพื้นฐานแล้วเกิดจากความผิดปกติของการจัดเรียงอะตอมในโครงสร้างจุลภาคในระยะยาว ในขณะที่แมกนีเซียมออกไซด์ปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลอย่างมีนัยสำคัญโดยการปรับความหนาแน่นของเครือข่ายและความแข็งแรงของพันธะไอออนิกให้เหมาะสม
การเพิ่มความแข็งและโมดูลัสยืดหยุ่น: ความแรงของสนามแม่เหล็กสูงของ Mg ² ⁺ ก่อให้เกิดพันธะไอออนิกที่แข็งแกร่งกับไอออนออกซิเจน ช่วยลดจำนวนชนิดออกซิเจนที่ไม่เชื่อมกัน (ซึ่งเป็นจุดอ่อนในโครงสร้างเครือข่าย) ในแก้วโซเดียมแคลเซียมซิลิเกต เมื่อ MgO แทนที่ CaO 10% -20% ความแข็งของวิกเกอร์สของแก้วจะเพิ่มขึ้นจาก 5.5 GPa เป็น 6.2 GPa และโมดูลัสยืดหยุ่นจะเพิ่มขึ้นจาก 68 GPa เป็น 75 GPa เนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวระหว่าง Mg ² ⁺ และซิลิคอนออกซิเจนเตตระเฮดรา (ประมาณ 640 กิโลจูล/โมล) สูงกว่าพลังงานของ Ca ² ⁺ (ประมาณ 560 กิโลจูล/โมล) ทำให้โครงสร้างเครือข่ายหนาแน่นขึ้น ตัวอย่างเช่น การเติม MgO 3% -5% ลงในกระจกไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จะช่วยเพิ่มความต้านทานต่อรอยขีดข่วนบนพื้นผิวได้ 20% ซึ่งช่วยลดความเสียหายที่พื้นผิวระหว่างการขนส่งและการติดตั้ง
การปรับความแข็งแรงและความเหนียวของแรงดัดงอให้เหมาะสม: ความแข็งแรงของแรงดัดงอของแก้วขึ้นอยู่กับความต้านทานการแพร่กระจายของ "รอยแตกขนาดเล็ก" ในโครงสร้าง และแมกนีเซียมออกไซด์มีบทบาทในการปรับขนาดของข้อบกพร่องของเครือข่าย การวิจัยแสดงให้เห็นว่าในแก้วโซเดียมแคลเซียมซิลิเกตที่มี MgO ความยาวเฉลี่ยของรอยแตกขนาดเล็กจะลดลงจาก 8 μ m เป็น 5 μ m และอัตราการแพร่กระจายของรอยแตกจะลดลง 30% หลังจากเปลี่ยน CaO 25% ด้วย MgO ในขวดแก้ว ความต้านทานแรงดัดงอเพิ่มขึ้นจาก 45 MPa เป็น 58 MPa และความต้านทานแรงกระแทกของตัวขวดเพิ่มขึ้น 25% ช่วยลดปัญหาการระเบิดระหว่างกระบวนการบรรจุได้อย่างมาก นอกจากนี้ แมกนีเซียมออกไซด์ยังสามารถลดดัชนีความเปราะบาง (พลังงานการแตกหัก/โมดูลัสยืดหยุ่น) ของแก้วได้ ในแก้วทนความร้อนบอโรซิลิเกต การเติม MgO 4% -6% สามารถลดดัชนีความเปราะบางได้ 12% และปรับปรุงความเหนียวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน
ความคงตัวทางเคมีของแก้ว (ความต้านทานน้ำ ความต้านทานต่อกรด ความต้านทานด่าง) ขึ้นอยู่กับความต้านทานของโครงสร้างเครือข่ายต่อการกัดเซาะของไอออนภายนอก แมกนีเซียมออกไซด์ปรับปรุงความสามารถในการปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อมได้อย่างมาก โดยเพิ่มความหนาแน่นของเครือข่ายและแรงจับกับไอออน
การปรับปรุงการกันน้ำ: ในแก้วโซเดียม แคลเซียม ซิลิเกต อัตราการเคลื่อนที่ของ Na ⁺ สูงทำให้ละลายในน้ำได้ง่าย (ก่อตัวเป็น "ชั้นเดออัลคาไล") ในขณะที่ Mg ² ⁺ สามารถลดอัตราการละลายของ Na ⁺ ผ่าน "การแลกเปลี่ยนไอออน" ในการทดสอบการกันน้ำตามมาตรฐาน ISO 719 อัตราการสูญเสียน้ำหนักของแก้วโซเดียมแคลเซียมที่ไม่มี MgO อยู่ที่ 0.15 มก./ซม.² หลังจากเติม MgO 3% อัตราการสูญเสียน้ำหนักลดลงเหลือ 0.08 มก./ซม.² นี่เป็นเพราะแรงยึดเหนี่ยวที่แข็งแกร่งระหว่าง Mg ² ⁺ และโครงข่ายออกซิเจนของซิลิคอน ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการแทรกซึมของโมเลกุล H ₂ O เข้าไปในด้านในของแก้ว คุณลักษณะนี้ช่วยยืดอายุการใช้งานของแก้วที่มี MgO มากกว่า 30% ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น เช่น การสร้างผนังม่านและตู้ปลา
ความต้านทานด่างที่เพิ่มขึ้น: ในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง OH ⁻ โจมตีพันธะ Si-O-Si ซึ่งนำไปสู่การแตกตัวของเครือข่าย ในขณะที่การแนะนำ Mg ² ⁺ สามารถสร้าง "ชั้นบัฟเฟอร์อัลคาไลน์" ได้ หลังจากเติม MgO 5% -7% ลงในเส้นใยแก้วที่ใช้ในวัสดุคอมโพสิตที่ทำจากซีเมนต์ อัตราการรักษาความแข็งแรงของเส้นใยแก้วที่แช่ในสารละลายอัลคาไลน์ที่มีค่า pH=13 เป็นเวลา 28 วันเพิ่มขึ้นจาก 65% เป็น 82% เนื่องจาก Mg ² ⁺ และ OH ⁻ ก่อตัวเป็น Mg (OH) ₂ ทำให้เกิดการตกตะกอน ปิดกั้นรูขุมขนบนพื้นผิวกระจก และทำให้การซึมผ่านของสารละลายอัลคาไลน์ช้าลง
การควบคุมความต้านทานกรด: สำหรับแก้วที่มีโบรอน (เช่น แก้วสายตา) แมกนีเซียมออกไซด์สามารถยับยั้งการไฮโดรไลซิสของโครงข่ายออกซิเจนของโบรอนได้ ในแก้วบอโรซิลิเกต B ³ ⁺ รวมตัวกับ H ⁺ ได้อย่างง่ายดายเพื่อสร้าง [BO ∝] ³ ⁻ ซึ่งนำไปสู่การแตกตัวของเครือข่าย ในขณะที่ความแรงของสนามแม่เหล็กสูงของ Mg ² ⁺ สามารถทำให้โครงสร้าง [BO ₄] ⁻ ทรงสี่หน้ามีความเสถียรได้ หลังจากเติม MgO 2% -3% อัตราการสูญเสียน้ำหนักของแก้วในสารละลาย HCl 10% ลดลง 40% ทำให้เหมาะสำหรับหน้าต่างเครื่องมือที่มีความแม่นยำในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด
4、 ปรับคุณสมบัติทางความร้อนให้เหมาะสม: ลดค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวและปรับปรุงความต้านทานความร้อน
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) เป็นตัวแปรสำคัญในส่วนประกอบของแก้ว โลหะ เซรามิค และวัสดุอื่นๆ แมกนีเซียมออกไซด์ควบคุม CTE ได้อย่างแม่นยำโดยการปรับลักษณะการสั่นสะเทือนของเครือข่าย
สารเติมแต่งหลักของแก้วที่มีการขยายตัวต่ำ: ในแก้วบอโรซิลิเกตที่มีการขยายตัวต่ำ (เช่น แก้วไพเร็กซ์) MgO ทำงานร่วมกันกับ B ₂ O3 และ Al ₂ O3 เพื่อลดความกว้างของการสั่นสะเทือนจากความร้อนผ่าน "การเติมเครือข่าย" รัศมีไอออนของ Mg ² ⁺ มีขนาดเล็กและสามารถฝังอยู่ในช่องว่างของโครงข่ายออกซิเจนของซิลิคอนออกซิเจน/โบรอนได้ ซึ่งจำกัดการคลายตัวของโครงข่ายที่อุณหภูมิสูง เมื่อปริมาณ MgO ที่เติมคือ 4% -6% CTE ของแก้วจะลดลงจาก 3.2 × 10 ⁻⁶/℃ เป็น 2.8 × 10 ⁻⁶/℃ ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดที่ตรงกันสำหรับการปิดผนึกด้วยโลหะ เช่น ทังสเตนและโมลิบดีนัม (CTE โลหะมีค่าประมาณ 4 × 10 ⁻⁶/℃) ตัวอย่างเช่น ในกระจกที่มีการขยายตัวต่ำซึ่งใช้สำหรับบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ การนำ MgO มาใช้จะช่วยลดความเครียดจากความร้อนที่ส่วนต่อประสานการปิดผนึกลง 25% หลีกเลี่ยงการแตกร้าวที่เกิดจากการหมุนเวียนของอุณหภูมิ
การปรับปรุงความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน: ความต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันของกระจกขึ้นอยู่กับผลรวมของ CTE และการนำความร้อน และแมกนีเซียมออกไซด์สามารถปรับให้เหมาะสมทั้งสองอย่างพร้อมกัน ในแก้วโซเดียมแคลเซียมซิลิเกต การเติม MgO 3% จะช่วยลด CTE จาก 9.0 × 10 ⁻⁶/℃ เป็น 8.2 × 10 ⁻⁶/℃ เพิ่มการนำความร้อนจาก 1.05 W/เป็น 1.18 W/ และเพิ่มความแตกต่างของอุณหภูมิทนต่อแรงกระแทก (Δ T) จาก 120 ℃ เป็น 150 ℃ คุณลักษณะนี้ทำให้แก้วที่มี MgO เหมาะสำหรับเครื่องครัว (เช่น ถาดอบขนม) ไฟหน้ารถยนต์ (ทนทานต่อความผันผวนของอุณหภูมิตั้งแต่ -40 ℃ ถึง 120 ℃) และสถานการณ์อื่นๆ
5、 ตรวจสอบคุณภาพแสง: รักษาความโปร่งใส ควบคุมดัชนีการหักเหของแสง
แก้วแสงมีข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับความโปร่งใส ดัชนีการหักเหของแสง (nD) และค่าสัมประสิทธิ์การกระจายตัว (∆ D) และแมกนีเซียมออกไซด์ได้กลายเป็นสารเติมแต่งในอุดมคติสำหรับแก้วแสงที่ใช้งานได้เนื่องจากมีคุณสมบัติไม่มีสีและสีอ่อน
การบำรุงรักษาที่มีความโปร่งใสสูง: ตัว MgO นั้นเป็นออกไซด์ที่ไม่มีสีและไม่ก่อให้เกิดไอออนของโลหะทรานซิชัน (เช่น Fe ³ ⁺, Cr ³ ⁺) ซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงการทำสีแก้วได้ ในกระจกไฟฟ้าโซลาร์เซลล์สีขาวพิเศษ เมื่อควบคุมการเติม MgO ที่ 2% -3% การส่งผ่านแสงที่มองเห็นได้ (400-700 นาโนเมตร) สามารถเข้าถึงได้มากกว่า 94.5% ซึ่งต่ำกว่าแก้วซิลิคอนบริสุทธิ์เพียง 0.3% เท่านั้น และเหนือกว่ากระจกที่มี Fe ₂ O ∝ (การส่งผ่าน <91%) มาก นอกจากนี้ แมกนีเซียมออกไซด์ยังสามารถลดฟองอากาศและข้อบกพร่องในการตกผลึกในแก้ว ลดการสูญเสียการกระเจิงของแสง และปรับปรุงความสม่ำเสมอในการส่งผ่านแสงของหน้าต่างกระจกสำหรับเครื่องวัดระยะแบบเลเซอร์ได้ 15%
ดัชนีการหักเหของแสงและการควบคุมการกระจายตัว: ดัชนีการหักเหของแสงโมลาร์ (R=3.2) ของ MgO อยู่ระหว่าง CaO (R=4.0) และ ZnO (R=3.0) และค่าคงที่เชิงแสงของแก้วสามารถปรับแบบละเอียดได้โดยการปรับปริมาณที่เพิ่ม หลังจากแทนที่ CaO 10% ด้วย MgO ในแก้วแสงยี่ห้อ Crown ดัชนีการหักเหของแสง nD ลดลงจาก 1.523 เป็น 1.518 และค่าสัมประสิทธิ์การกระจาย ∆ D เพิ่มขึ้นจาก 58 เป็น 62 ซึ่งตรงตามข้อกำหนดการออกแบบของเลนส์ที่มีการกระจายต่ำ สำหรับกระจกส่งผ่านอินฟราเรด (เช่น ระบบ GeO ₂ - MgO) MgO สามารถลดค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงอินฟราเรดของกระจก และเพิ่มการส่งผ่านได้ 8% ในย่านความถี่ 3-5 μm ซึ่งเหมาะสำหรับหน้าต่างถ่ายภาพความร้อน
ในอนาคต ด้วยการยกระดับการผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและความต้องการกระจกที่ใช้งานได้จริง การใช้แมกนีเซียมออกไซด์จะพัฒนาไปสู่การปรับแต่ง ในด้านหนึ่ง คุณสมบัติทางกลและทางแสงของแก้วจะได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมโดยการเติมด้วยนาโน MgO (ขนาดอนุภาค <50 นาโนเมตร) ในทางกลับกัน ด้วยการรวมการออกแบบส่วนประกอบที่ขับเคลื่อนด้วย AI ทำให้สามารถพัฒนาระบบแก้วที่ใช้ MgO ใหม่ (เช่น แก้ว MgO Li ₂ O-ZrO ₂ ที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ) เพื่อปรับให้เข้ากับการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นและการจัดเก็บพลังงานไฮโดรเจนและการขนส่ง ค่าของแมกนีเซียมออกไซด์ในส่วนประกอบของแก้วกำลังเปลี่ยนจาก "ตัวควบคุมประสิทธิภาพ" ไปเป็น "ตัวเปิดใช้งานการทำงาน" ซึ่งผลักดันให้เกิดวิวัฒนาการของวัสดุแก้วไปสู่ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและสถานการณ์ที่กว้างขึ้น
SAT NANO คือซัพพลายเออร์ผงแมกนีเซียมออกไซด์ MgO ที่ดีที่สุดในประเทศจีน เราสามารถเสนอขนาดอนุภาคนาโนได้ หากคุณมีคำถามใดๆ โปรดติดต่อเราที่ sales03@satnano.com
