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陜科大郭宏偉團(tuán)隊(duì)：小玻璃珠子里的大智慧
2023-05-12  來源：高分子科技
關(guān)鍵詞：玻璃微球 回歸反射

  近日，陜西科技大學(xué)功能玻璃創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)郭宏偉副教授團(tuán)隊(duì)通過酸熱處理成功的提高了玻璃微球的回歸反射性能。


  據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，道路標(biāo)線回歸反射性能與交通事故的相關(guān)概率為70%，當(dāng)?shù)缆窐?biāo)線回歸反射亮度系數(shù)每提高10~100mcd，交通風(fēng)險就會降低0.9%~8.6%，同時標(biāo)線回歸反射性能的提高還能有效提高運(yùn)輸效率30%以上，因此提高道路標(biāo)線的回歸反射性能對于有效降低雨夜間行車事故率具有重要意義。道路標(biāo)線的逆反射性能主要由標(biāo)線涂料本身性能及所摻加的反光材料所決定，其中主要影響因素為反光玻璃微球，因此從根本上出發(fā)，提高玻璃微球的回歸反射性能可以有效降低雨夜間行車事故率。


  玻璃微球作為高新技術(shù)，從原料到成形要經(jīng)過熔融、粉碎、成球、后處理等一系列流程，在任何一項(xiàng)流程中出錯都會影響到最后的性能。帶著問題出發(fā)，摸索車間設(shè)備每一個參數(shù)以及每一步工藝，探索其中蘊(yùn)含的知識機(jī)理，將所得到的猜想帶回實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)方案去不斷驗(yàn)證研究（圖1）。 


圖1 現(xiàn)場調(diào)研


  研究其回歸反射性能首先從自身出發(fā)，組成決定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)決定性能。針對SiO2-TiO2-BaO系統(tǒng)玻璃的析晶行為采用差示掃描量熱法在其不等溫條件下進(jìn)行了研究。根據(jù)得到的非等溫析晶動力學(xué)參數(shù)，清楚地闡明了SiO2-TiO2-BaO系統(tǒng)玻璃在非等溫加熱過程中成核活化能、析晶生長行為以及析晶規(guī)律，通過調(diào)整成形工藝改善了玻璃微球的亮度（圖2）。 


圖2 火焰漂浮法


  經(jīng)火焰漂浮法后得到的玻璃微球表面狀態(tài)很差，沾有很多玻璃碎屑以及原料雜質(zhì)（圖3）。而玻璃微球是一種具有高比表面積的表面敏感材料，當(dāng)雜質(zhì)覆蓋表面并與表面發(fā)生反應(yīng)時，其回歸反射性能會下降。 


圖3 玻璃微球的表面狀態(tài)


  因此他們采用環(huán)境友好酸代替強(qiáng)酸來酸浸改善玻璃微球的表面狀態(tài)。并基于動力學(xué)模型研究酸浸過程動力學(xué)，酸浸過程由化學(xué)反應(yīng)以及溶解擴(kuò)散兩部分組成，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析來確定兩者的影響比重。結(jié)果表明表明玻璃微球酸浸除雜過程為擴(kuò)散收縮核模型，擴(kuò)散控制階段的活化能Ea1為11.22 kJ/mol，化學(xué)反應(yīng)控制的活化能Ea2為7.73 kJ/mol，玻璃微球表面雜質(zhì)清洗過程中擴(kuò)散是影響除雜的控制因素，通過調(diào)節(jié)酸浸的濃度、時間及溫度可以除去玻璃微球表面的雜質(zhì)。 


圖4 酸浸機(jī)制模型 


圖5 玻璃微球結(jié)構(gòu)

  通過C2H2O4浸出后，玻璃微球的回歸反射性能有所提高，但仍不能達(dá)到期望值。為了進(jìn)一步提高玻璃微球的回歸反射性能，需要關(guān)注玻璃微球特殊的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)。玻璃微球由于其高TiO2濃度而具有優(yōu)異的性能，而Ti4+在玻璃微球內(nèi)部具有多種配位形式（圖5）。在屏蔽掉Fe-O-Ti影響之后誘導(dǎo)[TiO6]發(fā)生相變，成功提高了玻璃微球的回歸反射性能（圖6）。 


圖6 玻璃微球提高回歸反射后的應(yīng)用效果


  從三個方面對玻璃微球的回歸反射性能進(jìn)行調(diào)控，并成功的改善了玻璃微球的回歸反射性能。實(shí)驗(yàn)室的里任何實(shí)驗(yàn)都是基于產(chǎn)線中實(shí)際發(fā)生的問題，而產(chǎn)線調(diào)試的效果則是對我們實(shí)驗(yàn)結(jié)果的反饋，把文章寫在產(chǎn)品上，讓企業(yè)受益。


  并以“Enhanced optical properties of glass microspheres using acid thermal integration - Brightness”為題發(fā)表在《Ceramics International》上。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.02.037 


  以“Kinetic Behavior of the Nonisothermal Crystallization of Highly Refracted Glass Microspheres”為題發(fā)表在《Crystal Growth & Design》上。

  原文鏈接：https://doi.org/ 10.1021/acs.cgd.2c01230


  以“酸洗增亮玻璃微球及浸出動力學(xué)分析”為題發(fā)表在《中國陶瓷》上。

  原文鏈接：https://doi.org/10.16521/j.cnki.issn.1001-9642.2022.09.004



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