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国产防火玻璃“火”了

中国建材总院攻克复合防火玻璃技术壁垒
来源:中国科学报 作者:丁佳 2017-08-25 11:47:16
内容摘要: 在灾难发生时,如果有更好的防火玻璃,是否人们就能多一点获救的希望?这个问题,一直敲打着中国建材总院玻璃院的科研团队。他们历时三年蛰伏,终于啃下了这块“硬骨头”,打破了国外厂商对该领域高端市场的垄断,做出了具有国际竞争力的复合防火玻璃。

大尺寸曲面复合防火玻璃

  近几年来,国内外高层建筑火灾不断,从几年前的中央电视台新址北配楼大火,到上海静安区教师公寓特大火灾,再到今年6月14日,英国伦敦高层居民建筑火灾……一场场大火,火势蔓延的速度令人惊骇,现场仿佛“人间炼狱”。

  “几次高层建筑大火触目惊心,也给中国的建筑安全敲响了警钟。”正如中国建筑材料科学研究总院玻璃科学研究院院长左岩所说,频繁发生的大火,引发了全社会对高层建筑防火设施的拷问。2015年,国家出台《建筑设计防火规范》,对耐火窗等防火设备作出了强制规定。

  在灾难发生时,如果有更好的防火玻璃,是否人们就能多一点获救的希望?这个问题,一直敲打着中国建材总院玻璃院的科研团队。他们历时三年蛰伏,终于啃下了这块“硬骨头”,打破了国外厂商对该领域高端市场的垄断,做出了具有国际竞争力的复合防火玻璃。

  小气泡 大难题

  按照结构划分,防火玻璃分为单片和复合防火玻璃两大类。单片玻璃不但成本高、质量良莠不齐,且具有自爆风险,可能带来意想不到的人身伤害。相比之下,复合防火玻璃安全系数更高、用途更广泛,更受市场欢迎。

  然而,优良的性能势必需要更高的科技含量。目前,国内复合防火玻璃存在的主要技术问题是微气泡难以消除,外观不如国外品牌;耐紫外线辐照性能较差,大部分产品长时间在户外使用,会出现发乌、出泡等问题。

  复合防火玻璃技术的核心是两层玻璃之间的无机防火液,目前常规的生产技术是直接利用低模数的钾水玻璃作为防火液,但这种物质化学稳定性差,在使用过程中会出现透过率下降、气泡、流胶等缺陷,影响玻璃外观质量和对火场状况的判断。

  那么,将钾水玻璃的模数增加,就能解决这些问题吗?中国建材总院玻璃院高级工程师穆元春告诉《中国科学报》记者:“高模数钾水玻璃溶液固体含量低、黏度大,排泡和铺展成型难度极大,在防火玻璃制备过程中会产生大量微泡,降低外观质量,无法直接作为防火层基材使用。”

  因此,研发无微泡、耐候性能优异的高性能复合防火玻璃,实现产品性能质的飞跃,扩大产品的应用范围,既是我国防火玻璃技术发展的必然趋势,也是建筑节能、安全玻璃产业化发展的一个重要方向。

  在充分了解到行业的痛点后,从2012年开始,穆元春团队走上了复合式无机防火玻璃的研发之路。

  玻璃“芯” 不脆弱

  但是,事情并非一帆风顺。复合防火玻璃的主流制作技术是平板式晾制法,也就是把一块玻璃水平放置,上面涂上防火液,然后晾干,最后再盖一层玻璃。

  “国外是用专门的大型精密设备来生产,但进口这样一整套设备,需要花费上千万欧元。”穆元春承认,为了节省经费,最初他们的实验都是“徒手”做的。

  防火液中间层只有1毫米厚,这就要求玻璃必须放得非常平,有一点误差,防火液就无法均匀平铺。整个团队在实验室里蹲了一个星期,终于把误差调到0.1毫米以下。

  但这还是不能完全解决微泡、印痕等问题。由于国外厂家对核心技术的封锁,团队很长时间都找不到突破点,走了很多弯路。

  直到2015年夏天,事情才出现了转机。在与客户的交流中,对方提出将一种固含量较低的二氧化硅分散液应用于玻璃外表面抛光的想法。

  这让穆元春突发奇想:如果能利用这种二氧化硅分散液,直接在玻璃层间与氢氧化钾溶液反应,生成高模数的钾水玻璃,不就能一箭双雕地避免平板晾制法的缺点和低模数防火液的缺点了吗?

  但这一切的前提,是需要制备低粘度、高固含量的二氧化硅分散液才能实现灌装。如果直接使用普通纳米二氧化硅与氢氧化钾混合,黏度过大,无法成型。

  攻关再次陷入僵局。这时,穆元春想到了自己读博士期间做过的涂料实验,他曾经通过粒子设计,解决了涂料成膜性的问题。“简单来说,这种方法就是用一层物质把二氧化硅颗粒给包裹起来,这样二氧化硅颗粒就不会彼此团聚在一起,而是均匀地分散开。”

  同时要求低黏度和高固含量,这几乎是一项不可能完成的任务。左岩承认,当初穆元春提出这个想法时,他的内心是打鼓的:“我们老百姓和面,都知道加水少了,面团就黏糊糊的,但穆元春要做的事,是要求少加水,多加面,还得做成均匀的稀汤,一点面疙瘩都不能有。”

  他拿着这个方案咨询了一圈玻璃深加工领域的专家,大家都说不可能。

  不过,左岩还是选择了相信这个年轻人。在他看来,玻璃加工技术本来就是多学科融合交叉的,想要创新,就应该鼓励科研人员大胆尝试。

  科研团队对二氧化硅的粒径、比表面积、功能单体的组成等因素进行了优化,终于攻克了低粘度、高固含、高模数的钾水玻璃基防火溶液的制备难题。利用这种全新方法制备的复合防火玻璃,彻底解决了微气泡、不能物理钢化、不能用于幕墙、不能具备曲面异形结构等局限。

  就这样,穆元春团队“四两拨千斤”,研发出了超薄型复合式无机防火玻璃。他们成功研制出了满足国家A类标准、C类标准要求的各种规格尺寸产品,顺利通过第三方检测机构耐火极限试验检验;在知识产权方面共申请了十余项专利(包括PCT国际专利1项),获授权3件发明专利、2项实用新型专利。

  成长中的“隐形冠军”

  这种能够使生产效率提高5倍以上、生产成本降低近一半、价格仅为国外产品1/3,还能够实现连续化生产的新型复合防火玻璃制备技术,很快受到了市场的青睐。

  2017年5月,中国建材总院携新研发的不同规格新型复合式无机防火玻璃参加第28届中国国际玻璃工业技术展览会,其中4200mm×2000mm大尺寸、曲面结构超薄型复合式防火玻璃刚刚亮相就惊艳全场,受到国内外客户的广泛关注。

  合作与订单如雪花般纷沓而至,由于掌握核心技术并实现关键设备国产化,目前中国建材总院已和国内十余家玻璃深加工企业签订技术服务协议,为其提供防火溶液,并指导复合防火玻璃的工业化生产,计划年产耐火窗用复合防火玻璃100万平方米,带动相关玻璃门窗行业的产值超过15亿元,成为化解当地玻璃深加工产业“高能耗、低附加值”等弊端的利器。

  作为中国成立时间最早、承担型号最多、技术水平领先的航空玻璃生产基地,玻璃院在历史上创造了一个又一个“中国第一”,被誉为“中国航空玻璃的摇篮”。近年来,玻璃院实施军民结合的发展战略,凭借创新,牢牢把握玻璃深加工领域的技术制高点。

  “我们是国家的研究院,国家急需的就是我们要做的。”左岩说,“我们的研究团队会紧跟科技最前沿,在产学研一体化的道路上砥砺前行。”

  目前,中国建材总院玻璃院已承担了“十三五”国家重点研发计划“智能玻璃与高安全功能玻璃关键技术开发”项目,将继续完善防火玻璃的生产技术,起草相关行业标准,酝酿成立产业联盟,推动中国防火玻璃行业的转型和有序可持续发展。

  三年不飞,一飞冲天;三年不鸣,一鸣惊人。借助穆元春团队的创新科技,中国建材总院在复合防火玻璃领域成功实现了“逆袭”,不但正在成长为该领域的“隐形冠军”,更为中国在这一关系到人民生命财产安全的关键技术领域赢得了一席之地,真正让中国防火玻璃“火”了起来。

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