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    國產防火玻璃“火”了 ——中國建材總院攻克複合防火玻璃技術壁壘

    2019-08-12 09:46:10  來源:《中國科學報》 (2019-08-12 第5版 技術經濟周刊)

    近幾年來,國內外高層建築火災不斷,從幾年前的中央電視台新址北配樓大火,到上海靜安區教師公寓特大火災,再到今年6月14日,英國倫敦高層居民建築火災……一場場大火,火勢蔓延的速度令人驚駭,現場仿佛“人間煉獄”。
    “幾次高層建築大火觸目驚心,也給中國的建築安全敲響了警鍾。”正如中國建築材料科學研究總院玻璃科學研究院院長左岩所說,頻繁發生的大火,引發了全社會對高層建築防火設施的拷問。2015年,國家出台《建築設計防火規範》,對耐火窗等防火設備作出了強製規定。
    在災難發生時,如果有更好的防火玻璃,是否人們就能多一點獲救的希望?這個問題,一直敲打著中國建材總院玻璃院的科研團隊。他們曆時三年蟄伏,終於啃下了這塊“硬骨頭”,打破了國外廠商對該領域高端市場的壟斷,做出了具有國際競爭力的複合防火玻璃。
    小氣泡 大難題
    按照結構劃分,防火玻璃分為單片和複合防火玻璃兩大類。單片玻璃不但成本高、質量良莠不齊,且具有自爆風險,可能帶來意想不到的人身傷害。相比之下,複合防火玻璃安全係數更高、用途更廣泛,更受市場歡迎。
    然而,優良的性能勢必需要更高的科技含量。目前,國內複合防火玻璃存在的主要技術問題是微氣泡難以消除,外觀不如國外品牌;耐紫外線輻照性能較差,大部分產品長時間在戶外使用,會出現發烏、出泡等問題。
    複合防火玻璃技術的核心是兩層玻璃之間的無機防火液,目前常規的生產技術是直接利用低模數的鉀水玻璃作為防火液,但這種物質化學穩定性差,在使用過程中會出現透過率下降、氣泡、流膠等缺陷,影響玻璃外觀質量和對火場狀況的判斷。
    那麼,將鉀水玻璃的模數增加,就能解決這些問題嗎?中國建材總院玻璃院高級工程師穆元春告訴《中國科學報》記者:“高模數鉀水玻璃溶液固體含量低、黏度大,排泡和鋪展成型難度極大,在防火玻璃製備過程中會產生大量微泡,降低外觀質量,無法直接作為防火層基材使用。”
    因此,研發無微泡、耐候性能優異的高性能複合防火玻璃,實現產品性能質的飛躍,擴大產品的應用範圍,既是我國防火玻璃技術發展的必然趨勢,也是建築節能、安全玻璃產業化發展的一個重要方向。
    在充分了解到行業的痛點後,從2012年開始,穆元春團隊走上了複合式無機防火玻璃的研發之路。
    玻璃“芯” 不脆弱
    但是,事情並非一帆風順。複合防火玻璃的主流製作技術是平板式晾製法,也就是把一塊玻璃水平放置,上麵塗上防火液,然後晾幹,*後再蓋一層玻璃。
    “國外是用專門的大型精密設備來生產,但進口這樣一整套設備,需要花費上千萬歐元。”穆元春承認,為了節省經費,*初他們的實驗都是“徒手”做的。
    防火液中間層隻有1毫米厚,這就要求玻璃必須放得非常平,有一點誤差,防火液就無法均勻平鋪。整個團隊在實驗室裏蹲了一個星期,終於把誤差調到0.1毫米以下。
    但這還是不能完全解決微泡、印痕等問題。由於國外廠家對核心技術的封鎖,團隊很長時間都找不到突破點,走了很多彎路。
    直到2015年夏天,事情才出現了轉機。在與客戶的交流中,對方提出將一種固含量較低的二氧化矽分散液應用於玻璃外表麵拋光的想法。
    這讓穆元春突發奇想:如果能利用這種二氧化矽分散液,直接在玻璃層間與氫氧化鉀溶液反應,生成高模數的鉀水玻璃,不就能一箭雙雕地避免平板晾製法的缺點和低模數防火液的缺點了嗎?
    但這一切的前提,是需要製備低粘度、高固含量的二氧化矽分散液才能實現灌裝。如果直接使用普通納米二氧化矽與氫氧化鉀混合,黏度過大,無法成型。
    攻關再次陷入僵局。這時,穆元春想到了自己讀博士期間做過的塗料實驗,他曾經通過粒子設計,解決了塗料成膜性的問題。“簡單來說,這種方法就是用一層物質把二氧化矽顆粒給包裹起來,這樣二氧化矽顆粒就不會彼此團聚在一起,而是均勻地分散開。”
    同時要求低黏度和高固含量,這幾乎是一項不可能完成的任務。左岩承認,當初穆元春提出這個想法時,他的內心是打鼓的:“我們老百姓和麵,都知道加水少了,麵團就黏糊糊的,但穆元春要做的事,是要求少加水,多加麵,還得做成均勻的稀湯,一點麵疙瘩都不能有。”
    他拿著這個方案谘詢了一圈玻璃深加工領域的專家,大家都說不可能。
    不過,左岩還是選擇了相信這個年輕人。在他看來,玻璃加工技術本來就是多學科融合交叉的,想要創新,就應該鼓勵科研人員大膽嚐試。
    科研團隊對二氧化矽的粒徑、比表麵積、功能單體的組成等因素進行了優化,終於攻克了低粘度、高固含、高模數的鉀水玻璃基防火溶液的製備難題。利用這種全新方法製備的複合防火玻璃,徹底解決了微氣泡、不能物理鋼化、不能用於幕牆、不能具備曲麵異形結構等局限。
    就這樣,穆元春團隊“四兩撥千斤”,研發出了超薄型複合式無機防火玻璃。他們成功研製出了滿足國家A類標準、C類標準要求的各種規格尺寸產品,順利通過第三方檢測機構耐火極限試驗檢驗;在知識產權方麵共申請了十餘項專利(包括PCT國際專利1項),獲授權3件發明專利、2項實用新型專利。
    成長中的“隱形冠軍”
    這種能夠使生產效率提高5倍以上、生產成本降低近一半、價格僅為國外產品1/3,還能夠實現連續化生產的新型複合防火玻璃製備技術,很快受到了市場的青睞。
    2017年5月,中國建材總院攜新研發的不同規格新型複合式無機防火玻璃參加第28屆中國國際玻璃工業技術展覽會,其中4200mm×2000mm大尺寸、曲麵結構超薄型複合式防火玻璃剛剛亮相就驚豔全場,受到國內外客戶的廣泛關注。
    合作與訂單如雪花般紛遝而至,由於掌握核心技術並實現關鍵設備國產化,目前中國建材總院已和國內十餘家玻璃深加工企業簽訂技術服務協議,為其提供防火溶液,並指導複合防火玻璃的工業化生產,計劃年產耐火窗用複合防火玻璃100萬平方米,帶動相關玻璃門窗行業的產值超過15億元,成為化解當地玻璃深加工產業“高能耗、低附加值”等弊端的利器。
    作為中國成立時間*早、承擔型號*多、技術水平領先的航空玻璃生產基地,玻璃院在曆史上創造了一個又一個“中國*”,被譽為“中國航空玻璃的搖籃”。近年來,玻璃院實施軍民結合的發展戰略,憑借創新,牢牢把握玻璃深加工領域的技術製高點。
    “我們是國家的研究院,國家急需的就是我們要做的。”左岩說,“我們的研究團隊會緊跟科技*前沿,在產學研一體化的道路上砥礪前行。”
    目前,中國建材總院玻璃院已承擔了“十三五”國家重點研發計劃“智能玻璃與高安全功能玻璃關鍵技術開發”項目,將繼續完善防火玻璃的生產技術,起草相關行業標準,醞釀成立產業聯盟,推動中國防火玻璃行業的轉型和有序可持續發展。
    三年不飛,一飛衝天;三年不鳴,一鳴驚人。借助穆元春團隊的創新科技,中國建材總院在複合防火玻璃領域成功實現了“逆襲”,不但正在成長為該領域的“隱形冠軍”,更為中國在這一關係到人民生命財產安全的關鍵技術領域贏得了一席之地,真正讓中國防火玻璃“火”了起來。
    《中國科學報》 (2019-08-12 第5版 技術經濟周刊)

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