Là một vật liệu vô cơ vô định hình, các tính chất của thủy tinh được xác định bởi cả thành phần hóa học và cấu trúc vi mô của nó. Trong các hệ thống thủy tinh phổ thông như thủy tinh natri canxi silicat, thủy tinh borosilicate, v.v., ngoài thành phần chính SiO ₂, việc lựa chọn và tỷ lệ các chất phụ gia oxit ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hình thành nóng chảy, tính chất cơ học, độ ổn định hóa học và đặc tính chức năng của thủy tinh.Ôxít magie (MgO), như một oxit kim loại kiềm thổ điển hình, đóng vai trò chính trong việc điều chỉnh cấu trúc, tối ưu hóa hiệu suất và cải thiện quá trình trong thành phần thủy tinh do bán kính ion nhỏ (0,072 nm) và cường độ trường cao (Z/r ²=6,25). Bài viết này phân tích ngắn gọn cơ chế và giá trị thực tế của magie oxit trong thủy tinh từ sáu khía cạnh: quá trình nóng chảy, tính chất cơ học, độ ổn định hóa học, tính chất nhiệt, chất lượng quang học và kịch bản ứng dụng.
1, Điều chỉnh quá trình nấu chảy và tạo hình: giảm tiêu hao năng lượng và giảm thiểu khuyết tật
Quá trình nấu chảy thủy tinh là quá trình chuyển đổi nguyên liệu thô rắn thành chất lỏng tan chảy đồng nhất và loại bỏ bong bóng và sọc. Magiê oxit tối ưu hóa đáng kể chất lượng nóng chảy và hình thành bằng cách điều chỉnh độ nhớt và sức căng bề mặt của tan chảy.
Trong thủy tinh natri canxi silicat, các thành phần truyền thống chủ yếu là SiO ₂ (70% -75%), Na ₂ O (12% -16%) và CaO (6% -10%), MgO（3,5% -4%). CaO và MgO đều là kim loại kiềm thổ. Ở nhiệt độ cao (> 1400oC), Mg 2 ⁺ phản ứng với Ca 2 ⁺ và kết hợp với oxy không bắc cầu để làm suy yếu mức độ trùng hợp của mạng lưới oxy silicon, giảm độ nhớt của chất tan chảy và đẩy nhanh quá trình hòa tan nguyên liệu thô và thoát bong bóng; Ở giai đoạn hình thành ở nhiệt độ thấp (<1000 oC), đặc tính cường độ trường cao của Mg 2 ⁺ giúp tăng cường lực liên phân tử, tăng độ nhớt của chất tan chảy (chẳng hạn như trong bể thiếc tạo thành thủy tinh nổi, độ nhớt tăng khoảng 8%), tránh biến dạng dải băng thủy tinh do trọng lực và giảm các khuyết tật về độ dày không đồng đều. Hiệu ứng điều khiển kép "giảm độ nhớt ở nhiệt độ cao và tăng độ nhớt ở nhiệt độ thấp" giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng của lò nấu chảy, rút ngắn thời gian nóng chảy 10% -15% và giảm tỷ lệ bong bóng hơn 30%, cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất.
Ngoài ra, oxit magiê có thể ức chế xu hướng kết tinh của sự tan chảy. Khi thủy tinh tan chảy nguội đi, Ca ² ⁺ dễ dàng hình thành các pha tinh thể như canxi fenspat (CaAl ₂ Si ₂ O ₈) với SiO ₂, dẫn đến thất thoát thủy tinh (như sọc và khuyết tật của đá). Bán kính ion của Mg 2 ⁺ nhỏ hơn bán kính của Ca 2 ⁺ (0,099nm) và nó có khả năng tương thích mạnh hơn với mạng oxy silicon, có thể cản trở sự phát triển của hạt nhân tinh thể thông qua "hiệu ứng lấp đầy". Trong sản xuất kính phẳng, khi lượng MgO được thêm vào là 2% -4%, nhiệt độ kết tinh giới hạn trên trong quá trình tan chảy giảm 15-25oC, mở rộng hiệu quả phạm vi nhiệt độ đúc và giảm các khuyết tật kết tinh do làm lạnh cục bộ gây ra.
2, Tăng cường tính chất cơ học: tăng cường độ bền và độ dẻo dai
Độ giòn của thủy tinh về cơ bản là do sự rối loạn sắp xếp nguyên tử trong vi cấu trúc trong thời gian dài, trong khi magie oxit cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của nó bằng cách tối ưu hóa mật độ mạng và cường độ liên kết ion.
Tăng cường độ cứng và mô đun đàn hồi: Cường độ trường cao của Mg ² ⁺ hình thành liên kết ion mạnh với các ion oxy, làm giảm số lượng các loại oxy không bắc cầu (là điểm yếu trong cấu trúc mạng lưới). Trong thủy tinh natri canxi silicat, khi MgO thay thế 10% -20% CaO, độ cứng Vickers của thủy tinh tăng từ 5,5 GPa lên 6,2 GPa và mô đun đàn hồi tăng từ 68 GPa lên 75 GPa. Điều này là do năng lượng liên kết giữa Mg 2 ⁺ và tứ diện oxy silicon (khoảng 640 kJ/mol) cao hơn năng lượng liên kết của Ca 2 ⁺ (khoảng 560 kJ/mol), làm cho cấu trúc mạng dày đặc hơn. Ví dụ, thêm 3% -5% MgO vào kính quang điện sẽ tăng khả năng chống trầy xước bề mặt lên 20%, giảm hư hỏng bề mặt trong quá trình vận chuyển và lắp đặt.
Tối ưu hóa độ bền uốn và độ dẻo dai: Độ bền uốn của kính phụ thuộc vào khả năng chống lan truyền của các "vết nứt vi mô" trong cấu trúc và oxit magiê đóng vai trò tinh chỉnh kích thước của các khuyết tật mạng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong thủy tinh natri canxi silicat có chứa MgO, chiều dài trung bình của các vết nứt vi mô được rút ngắn từ 8 μ m xuống còn 5 μ m và tốc độ lan truyền vết nứt giảm 30%. Sau khi thay thế 25% CaO bằng MgO trong chai thủy tinh, độ bền uốn tăng từ 45 MPa lên 58 MPa, khả năng chống va đập của thân chai tăng 25%, giúp giảm đáng kể vấn đề cháy nổ trong quá trình rót. Ngoài ra, oxit magiê có thể làm giảm chỉ số độ giòn (năng lượng gãy/mô đun đàn hồi) của thủy tinh. Trong thủy tinh chịu nhiệt borosilicate, thêm 4% -6% MgO có thể làm giảm 12% chỉ số độ giòn và cải thiện độ dẻo dai chống sốc nhiệt.
Độ ổn định hóa học của thủy tinh (khả năng chống nước, kháng axit, kháng kiềm) phụ thuộc vào khả năng chống xói mòn ion bên ngoài của cấu trúc mạng. Magiê oxit cải thiện đáng kể khả năng thích ứng với môi trường bằng cách tăng cường mật độ mạng và lực liên kết ion.
Cải thiện khả năng chống nước: Trong thủy tinh natri canxi silicat, tốc độ di chuyển cao của Na ⁺ khiến nó dễ dàng hòa tan trong nước (tạo thành "lớp khử kiềm"), trong khi Mg 2 ⁺ có thể làm giảm tốc độ hòa tan của Na ⁺ thông qua "trao đổi ion". Trong thử nghiệm khả năng chống nước theo tiêu chuẩn ISO 719, tỷ lệ giảm trọng lượng của thủy tinh natri canxi không có MgO là 0,15 mg/cm2. Sau khi thêm 3% MgO, tốc độ giảm cân giảm xuống còn 0,08 mg/cm2. Điều này là do lực liên kết mạnh hơn giữa Mg 2 ⁺ và mạng lưới oxy silicon, cản trở sự xâm nhập của các phân tử H ₂ O vào bên trong kính. Tính năng này giúp kéo dài tuổi thọ của kính chứa MgO lên hơn 30% trong môi trường ẩm ướt như xây tường rèm và bể cá.
Tăng cường khả năng kháng kiềm: Trong môi trường kiềm, OH ⁻ tấn công liên kết Si-O-Si, dẫn đến sự tan rã mạng lưới, đồng thời đưa Mg 2 ⁺ vào có thể tạo thành "lớp đệm kiềm". Sau khi thêm 5% -7% MgO vào sợi thủy tinh dùng làm vật liệu composite gốc xi măng, tỷ lệ duy trì độ bền của sợi thủy tinh ngâm trong dung dịch kiềm có pH=13 trong 28 ngày tăng từ 65% lên 82%. Điều này là do Mg ² ⁺ và OH ⁻ tạo thành Mg (OH) ₂ kết tủa, làm tắc nghẽn các lỗ rỗng trên bề mặt kính và làm chậm quá trình thẩm thấu của dung dịch kiềm.
Điều chỉnh độ kháng axit: Đối với thủy tinh chứa boron (chẳng hạn như kính quang học), magie oxit có thể ức chế quá trình thủy phân mạng oxy boron. Trong thủy tinh borosilicate, B ³ ⁺ dễ dàng kết hợp với H ⁺ để tạo thành [BO ∝] ³ ⁻, dẫn đến sự phân rã mạng, trong khi cường độ trường cao của Mg ² ⁺ có thể ổn định cấu trúc tứ diện [BO ₄] ⁻. Sau khi thêm 2% -3% MgO, tỷ lệ hao hụt trọng lượng của kính trong dung dịch HCl 10% giảm 40%, khiến nó phù hợp với các cửa sổ dụng cụ chính xác trong môi trường axit.
4, Tối ưu hóa tính chất nhiệt: giảm hệ số giãn nở và cải thiện khả năng chịu nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) là một thông số quan trọng trong hỗn hợp thủy tinh, kim loại, gốm sứ và các vật liệu khác. Magiê oxit đạt được khả năng kiểm soát CTE chính xác bằng cách điều chỉnh các đặc tính rung của mạng.
Chất phụ gia cốt lõi của kính có độ giãn nở thấp: Trong thủy tinh borosilicate có độ giãn nở thấp (như thủy tinh Pyrex), MgO hoạt động hiệp đồng với B ₂ O3 và Al ₂ O3 để giảm biên độ rung nhiệt thông qua "lấp đầy mạng". Bán kính ion của Mg ² ⁺ nhỏ và có thể được nhúng vào các khoảng trống của mạng oxy silicon/oxy boron, hạn chế sự giãn của mạng ở nhiệt độ cao. Khi lượng MgO được thêm vào là 4% -6%, CTE của kính giảm từ 3,2 × 10 ⁻⁶/°C xuống 2,8 × 10 ⁻⁶/°C, đáp ứng các yêu cầu phù hợp để bịt kín bằng kim loại như vonfram và molypden (CTE kim loại là khoảng 4 × 10 ⁻⁶/°C). Ví dụ, trong kính có độ giãn nở thấp dùng làm bao bì điện tử, việc đưa MgO vào giúp giảm 25% ứng suất nhiệt ở bề mặt bịt kín, tránh nứt vỡ do chu trình nhiệt độ.
Cải thiện khả năng chống sốc nhiệt: Khả năng chống sốc nhiệt của kính phụ thuộc vào tác dụng kết hợp của CTE và tính dẫn nhiệt, và oxit magiê có thể tối ưu hóa đồng thời cả hai. Trong thủy tinh natri canxi silicat, thêm 3% MgO sẽ làm giảm CTE từ 9,0 × 10 ⁻⁶/oC xuống 8,2 × 10 ⁻⁶/oC, tăng độ dẫn nhiệt từ 1,05 W/lên 1,18 W/, đồng thời tăng chênh lệch nhiệt độ va đập chịu nhiệt (Δ T) từ 120 oC lên 150 oC. Đặc tính này làm cho thủy tinh chứa MgO phù hợp với các dụng cụ nhà bếp (như chảo nướng), đèn pha ô tô (chịu được dao động nhiệt độ từ -40oC đến 120oC) và các tình huống khác.
5、 Đảm bảo chất lượng quang học: duy trì độ trong suốt, điều chỉnh chiết suất
Kính quang học có các yêu cầu nghiêm ngặt về độ trong suốt, chỉ số khúc xạ (nD) và hệ số phân tán (∆ D), và oxit magiê đã trở thành chất phụ gia lý tưởng cho kính quang học chức năng do đặc tính tạo màu yếu và không màu của nó.
Bảo trì độ trong suốt cao: Bản thân MgO là một oxit không màu và không tạo ra các ion kim loại chuyển tiếp (như Fe ³ ⁺, Cr ³ ⁺), có thể tránh tạo màu thủy tinh. Trong thủy tinh quang điện siêu trắng, khi lượng bổ sung MgO được kiểm soát ở mức 2% -3%, độ truyền ánh sáng khả kiến (400-700nm) có thể đạt trên 94,5%, chỉ thấp hơn 0,3% so với thủy tinh silicon nguyên chất và vượt trội hơn nhiều so với thủy tinh chứa Fe ₂ O ∝ (độ truyền qua<91%). Ngoài ra, oxit magiê có thể làm giảm bong bóng và khuyết tật kết tinh trong thủy tinh, giảm hơn nữa tổn thất tán xạ ánh sáng và cải thiện độ đồng đều truyền ánh sáng của cửa sổ kính cho máy đo khoảng cách laser thêm 15%.
Kiểm soát chỉ số khúc xạ và độ phân tán: Chỉ số khúc xạ mol (R=3,2) của MgO nằm giữa CaO (R=4,0) và ZnO (R=3,0), và các hằng số quang học của thủy tinh có thể được tinh chỉnh bằng cách điều chỉnh lượng thêm vào. Sau khi thay thế 10% CaO bằng MgO trong kính quang học nhãn hiệu Crown, chiết suất nD giảm từ 1,523 xuống 1,518, hệ số tán sắc ∆ D tăng từ 58 lên 62, đáp ứng yêu cầu thiết kế thấu kính có độ tán sắc thấp. Đối với kính truyền hồng ngoại (chẳng hạn như hệ thống GeO ₂ - MgO), MgO có thể làm giảm hệ số hấp thụ hồng ngoại của kính và tăng độ truyền qua 8% trong dải 3-5 μm, phù hợp cho cửa sổ chụp ảnh nhiệt.
Trong tương lai, với việc nâng cấp nền sản xuất xanh và nhu cầu về thủy tinh chức năng, ứng dụng của magie oxit sẽ phát triển theo hướng tinh tế: một mặt, các tính chất cơ và quang của thủy tinh sẽ được cải thiện hơn nữa nhờ pha tạp nano MgO (kích thước hạt <50 nm); Mặt khác, bằng cách kết hợp thiết kế thành phần được điều khiển bằng AI, một hệ thống kính dựa trên MgO mới (chẳng hạn như kính có điểm nóng chảy thấp MgO Li ₂ O-ZrO ₂) có thể được phát triển để thích ứng với các ứng dụng vận chuyển và lưu trữ năng lượng hydro cũng như điện tử linh hoạt. Giá trị của oxit magie trong thành phần thủy tinh đang chuyển từ "bộ điều chỉnh hiệu suất" sang "bộ điều khiển chức năng", thúc đẩy sự phát triển của vật liệu thủy tinh hướng tới hiệu suất cao hơn và các kịch bản rộng hơn.
SAT NANO là nhà cung cấp bột oxit magiê MgO tốt nhất tại Trung Quốc, chúng tôi có thể cung cấp kích thước hạt nano, nếu bạn có bất kỳ yêu cầu nào, vui lòng liên hệ với chúng tôi theo địa chỉ sales03@satnano.com
