Sebagai bahan anorganik amorf, sifat kaca ditentukan oleh komposisi kimia dan struktur mikronya. Dalam sistem kaca umum seperti kaca natrium kalsium silikat, kaca borosilikat, dll., selain komponen utama SiO ₂, pemilihan dan rasio aditif oksida secara langsung mempengaruhi pembentukan leleh, sifat mekanik, stabilitas kimia, dan karakteristik fungsional kaca.Magnesium oksida (MgO), sebagai oksida logam alkali tanah yang khas, memainkan peran penting dalam mengatur struktur, mengoptimalkan kinerja, dan meningkatkan proses dalam komposisi kaca karena radius ionnya yang kecil (0,072 nm) dan kekuatan medan yang tinggi (Z/r ²=6,25). Artikel ini menganalisis secara singkat mekanisme dan nilai praktis magnesium oksida dalam kaca dari enam dimensi: proses peleburan, sifat mekanik, stabilitas kimia, sifat termal, kualitas optik, dan skenario aplikasi.
1、 Menyesuaikan proses peleburan dan pembentukan: mengurangi konsumsi energi dan meminimalkan cacat
Proses peleburan kaca adalah proses mengubah bahan mentah padat menjadi lelehan seragam dan menghilangkan gelembung dan garis. Magnesium oksida secara signifikan mengoptimalkan kualitas peleburan dan pembentukan dengan mengatur viskositas dan tegangan permukaan lelehan.
Dalam gelas natrium kalsium silikat, komponen tradisionalnya terutama SiO ₂ (70% -75%), Na ₂ O (12% -16%), dan CaO (6% -10%), MgO（3,5%-4%）。 CaO dan MgO keduanya merupakan logam alkali tanah. Pada suhu tinggi (>1400 ℃), Mg ² ⁺ bereaksi dengan Ca ² ⁺ dan bergabung dengan oksigen non-penghubung untuk melemahkan derajat polimerisasi jaringan oksigen silikon, mengurangi viskositas lelehan, dan mempercepat pembubaran bahan mentah dan keluarnya gelembung; Pada tahap pembentukan suhu rendah (<1000 ℃), karakteristik kekuatan medan Mg ² ⁺ yang tinggi meningkatkan gaya antarmolekul, meningkatkan viskositas lelehan (seperti dalam wadah timah pembentukan kaca apung, viskositas meningkat sekitar 8%), menghindari deformasi pita kaca karena gravitasi, dan mengurangi cacat ketebalan yang tidak rata. Efek kontrol ganda dari "pengurangan viskositas suhu tinggi dan peningkatan viskositas suhu rendah" mengurangi konsumsi energi tungku peleburan, memperpendek waktu peleburan sebesar 10% -15%, dan mengurangi laju gelembung lebih dari 30%, sehingga meningkatkan efisiensi produksi secara signifikan.
Selain itu, magnesium oksida dapat menghambat kecenderungan kristalisasi lelehan. Ketika lelehan kaca mendingin, Ca ² ⁺ dengan mudah membentuk fase kristal seperti kalsium feldspar (CaAl ₂ Si ₂ O ₈) dengan SiO ₂, yang menyebabkan hilangnya kaca (seperti garis-garis dan cacat batu). Jari-jari ionik Mg² ⁺ lebih kecil dibandingkan Ca ² ⁺ (0,099 nm), dan memiliki kompatibilitas yang lebih kuat dengan jaringan oksigen silikon, yang dapat menghambat pertumbuhan inti kristal melalui "efek pengisian". Dalam produksi kaca lembaran, ketika jumlah MgO yang ditambahkan adalah 2% -4%, batas atas suhu kristalisasi dalam lelehan menurun sebesar 15-25 ℃, yang secara efektif memperluas kisaran suhu pencetakan dan mengurangi cacat kristalisasi yang disebabkan oleh pendinginan bawah lokal.
2[UNK] Memperkuat sifat mekanik: meningkatkan kekuatan dan ketangguhan
Kerapuhan kaca pada dasarnya disebabkan oleh gangguan susunan atom dalam struktur mikro dalam jangka panjang, sementara magnesium oksida secara signifikan meningkatkan sifat mekaniknya dengan mengoptimalkan kepadatan jaringan dan kekuatan ikatan ionik.
Peningkatan kekerasan dan modulus elastisitas: Kekuatan medan Mg ² ⁺ yang tinggi membentuk ikatan ionik yang kuat dengan ion oksigen, mengurangi jumlah spesies oksigen non-jembatan (yang merupakan titik lemah dalam struktur jaringan). Dalam kaca natrium kalsium silikat, ketika MgO menggantikan 10% -20% CaO, kekerasan kaca Vickers meningkat dari 5,5 GPa menjadi 6,2 GPa, dan modulus elastisitas meningkat dari 68 GPa menjadi 75 GPa. Hal ini karena energi ikat antara Mg ² ⁺ dan silikon oksigen tetrahedra (sekitar 640 kJ/mol) lebih tinggi dibandingkan Ca ² ⁺ (sekitar 560 kJ/mol), sehingga membuat struktur jaringan lebih padat. Misalnya, menambahkan 3% -5% MgO ke kaca fotovoltaik meningkatkan ketahanan gores permukaan sebesar 20%, sehingga mengurangi kerusakan permukaan selama pengangkutan dan pemasangan.
Optimalisasi kekuatan dan ketangguhan lentur: Kekuatan lentur kaca bergantung pada ketahanan rambat "retak mikro" dalam struktur, dan magnesium oksida berperan dalam menyempurnakan ukuran cacat jaringan. Penelitian telah menunjukkan bahwa dalam gelas natrium kalsium silikat yang mengandung MgO, panjang rata-rata retakan mikro diperpendek dari 8 μm menjadi 5 μm, dan laju perambatan retakan berkurang sebesar 30%. Setelah mengganti 25% CaO dengan MgO dalam kaca botol, kekuatan lentur meningkat dari 45 MPa menjadi 58 MPa, dan ketahanan benturan badan botol meningkat sebesar 25%, sehingga mengurangi masalah ledakan selama proses pengisian secara signifikan. Selain itu, magnesium oksida dapat menurunkan indeks kerapuhan (energi patah/modulus elastis) kaca. Pada kaca tahan panas borosilikat, penambahan 4% -6% MgO dapat mengurangi indeks kerapuhan sebesar 12% dan meningkatkan ketangguhannya terhadap guncangan termal.
Stabilitas kimia kaca (tahan air, tahan asam, tahan alkali) bergantung pada ketahanan struktur jaringan terhadap erosi ion eksternal. Magnesium oksida secara signifikan meningkatkan kemampuan beradaptasi terhadap lingkungan dengan meningkatkan kepadatan jaringan dan kekuatan pengikatan ion.
Peningkatan ketahanan air: Pada gelas natrium kalsium silikat, laju migrasi Na ⁺ yang tinggi membuatnya mudah larut dalam air (membentuk "lapisan de alkali"), sedangkan Mg ² ⁺ dapat menurunkan laju disolusi Na ⁺ melalui "pertukaran ion". Pada uji ketahanan air ISO 719, laju penurunan berat gelas natrium kalsium tanpa MgO adalah 0,15 mg/cm². Setelah penambahan 3% MgO, laju penurunan berat badan menurun menjadi 0,08 mg/cm². Hal ini disebabkan semakin kuatnya gaya pengikatan antara Mg ² ⁺ dan jaringan oksigen silikon, sehingga menghambat penetrasi molekul H ₂ O ke bagian dalam kaca. Fitur ini memperpanjang masa pakai kaca yang mengandung MgO lebih dari 30% di lingkungan lembab seperti dinding tirai bangunan dan akuarium.
Peningkatan ketahanan terhadap alkali: Dalam lingkungan basa, OH ⁻ menyerang ikatan Si-O-Si, menyebabkan disintegrasi jaringan, sedangkan masuknya Mg ² ⁺ dapat membentuk "lapisan penyangga basa". Setelah penambahan 5% -7% MgO pada serat kaca yang digunakan pada material komposit berbahan dasar semen, tingkat retensi kekuatan serat kaca yang direndam dalam larutan basa dengan pH=13 selama 28 hari meningkat dari 65% menjadi 82%. Hal ini disebabkan karena Mg²⁺ dan OH⁻ membentuk endapan Mg(OH)₂ sehingga menyumbat pori-pori permukaan kaca dan memperlambat penetrasi larutan basa.
Regulasi ketahanan asam: Untuk gelas yang mengandung boron (seperti gelas optik), magnesium oksida dapat menghambat hidrolisis jaringan oksigen boron. Dalam kaca borosilikat, B ³ ⁺ mudah bergabung dengan H ⁺ membentuk [BO ∝] ³ ⁻, menyebabkan disintegrasi jaringan, sedangkan kekuatan medan Mg ² ⁺ yang tinggi dapat menstabilkan struktur tetrahedral [BO ₄] ⁻. Setelah menambahkan 2% -3% MgO, laju penurunan berat kaca dalam larutan HCl 10% menurun sebesar 40%, sehingga cocok untuk jendela instrumen presisi di lingkungan asam.
4、 Optimalkan sifat termal: kurangi koefisien ekspansi dan tingkatkan ketahanan panas
Koefisien muai panas (CTE) merupakan parameter kunci dalam komposit kaca, logam, keramik, dan material lainnya. Magnesium oksida mencapai kontrol CTE yang tepat dengan menyesuaikan karakteristik getaran jaringan.
Aditif inti kaca ekspansi rendah: Dalam kaca borosilikat ekspansi rendah (seperti kaca Pyrex), MgO bekerja secara sinergis dengan B ₂ O3 dan Al ₂ O3 untuk mengurangi amplitudo getaran termal melalui "pengisian jaringan". Jari-jari ion Mg² ⁺ kecil dan dapat tertanam di celah jaringan oksigen silikon/oksigen boron, sehingga membatasi relaksasi jaringan pada suhu tinggi. Ketika jumlah MgO yang ditambahkan adalah 4% -6%, CTE kaca berkurang dari 3,2 × 10 ⁻⁶/℃ menjadi 2,8 × 10 ⁻⁶/℃, sehingga memenuhi persyaratan kecocokan untuk penyegelan dengan logam seperti tungsten dan molibdenum (CTE logam sekitar 4 × 10 ⁻⁶/℃). Misalnya, pada kaca ekspansi rendah yang digunakan untuk kemasan elektronik, penambahan MgO mengurangi tekanan termal pada antarmuka penyegelan sebesar 25%, menghindari retak yang disebabkan oleh siklus suhu.
Peningkatan ketahanan guncangan termal: Ketahanan guncangan termal kaca bergantung pada efek gabungan CTE dan konduktivitas termal, dan magnesium oksida dapat mengoptimalkan keduanya secara bersamaan. Dalam gelas natrium kalsium silikat, penambahan 3% MgO mengurangi CTE dari 9,0 × 10 ⁻⁶/℃ menjadi 8,2 × 10 ⁻⁶/℃, meningkatkan konduktivitas termal dari 1,05 W/menjadi 1,18 W/, dan meningkatkan perbedaan suhu benturan tahan panas (Δ T) dari 120 ℃ menjadi 150 ℃. Karakteristik ini membuat kaca yang mengandung MgO cocok untuk peralatan dapur (seperti loyang), lampu depan mobil (tahan terhadap fluktuasi suhu dari -40 ℃ hingga 120 ℃), dan skenario lainnya.
5、 Pastikan kualitas optik: menjaga transparansi, mengatur indeks bias
Kaca optik memiliki persyaratan ketat untuk transparansi, indeks bias (nD), dan koefisien dispersi (∆ D), dan magnesium oksida telah menjadi bahan tambahan yang ideal untuk kaca optik fungsional karena sifat pewarnaannya yang tidak berwarna dan lemah.
Pemeliharaan transparansi yang tinggi: MgO sendiri adalah oksida tidak berwarna dan tidak memasukkan ion logam transisi (seperti Fe ³ ⁺, Cr ³ ⁺), yang dapat menghindari pewarnaan kaca. Pada kaca fotovoltaik ultra putih, ketika penambahan MgO dikontrol pada 2% -3%, transmisi cahaya tampak (400-700 nm) dapat mencapai lebih dari 94,5%, yang hanya 0,3% lebih rendah dari kaca silikon murni dan jauh lebih unggul dari kaca yang mengandung Fe ₂ O ∝ (transmitansi<91%). Selain itu, magnesium oksida dapat mengurangi gelembung dan cacat kristalisasi pada kaca, mengurangi kehilangan hamburan cahaya, dan meningkatkan keseragaman transmisi cahaya jendela kaca untuk pengukur jarak laser sebesar 15%.
Indeks bias dan kontrol dispersi: Indeks bias molar (R=3.2) MgO adalah antara CaO (R=4.0) dan ZnO (R=3.0), dan konstanta optik kaca dapat disesuaikan dengan menyesuaikan jumlah yang ditambahkan. Setelah mengganti 10% CaO dengan MgO pada kaca optik merek Crown, indeks bias nD menurun dari 1,523 menjadi 1,518, dan koefisien dispersi ∆ D meningkat dari 58 menjadi 62, sehingga memenuhi persyaratan desain lensa dispersi rendah. Untuk kaca transmisi inframerah (seperti sistem GeO ₂ - MgO), MgO dapat mengurangi koefisien penyerapan inframerah kaca dan meningkatkan transmitansi sebesar 8% pada pita 3-5 μm, yang cocok untuk jendela pencitraan termal.
Di masa depan, dengan peningkatan manufaktur ramah lingkungan dan permintaan akan kaca fungsional, penerapan magnesium oksida akan berkembang ke arah penyempurnaan: di satu sisi, sifat mekanik dan optik kaca akan lebih ditingkatkan dengan doping dengan nano MgO (ukuran partikel<50 nm); Di sisi lain, dengan menggabungkan desain komponen yang digerakkan oleh AI, sistem kaca berbasis MgO baru (seperti kaca dengan titik leleh rendah MgO Li ₂ O-ZrO ₂) dapat dikembangkan untuk beradaptasi dengan aplikasi elektronik fleksibel serta penyimpanan dan transportasi energi hidrogen. Nilai magnesium oksida dalam komposisi kaca bergeser dari "pengatur kinerja" menjadi "pengaktif fungsional", mendorong evolusi bahan kaca menuju kinerja yang lebih tinggi dan skenario yang lebih luas.
SAT NANO adalah pemasok bubuk MgO Magnesium oksida terbaik di China, kami dapat menawarkan ukuran partikel nano, jika Anda memiliki pertanyaan, jangan ragu untuk menghubungi kami di sales03@satnano.com
