中國建材總院攻克復合防火玻璃技術(shù)壁壘

 

    大尺寸曲面復合防火玻璃

 

    近幾年來，國內(nèi)外高層建筑火災不斷，從幾年前的中央電視臺新址北配樓大火，到上海靜安區(qū)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筑火災……一場場大火，火勢蔓延的速度令人驚駭，現(xiàn)場仿佛“人間煉獄”。

 

    “幾次高層建筑大火觸目驚心，也給中國的建筑安全敲響了警鐘。”正如中國建筑材料科學研究總院玻璃科學研究院院長左巖所說，頻繁發(fā)生的大火，引發(fā)了全社會對高層建筑防火設施的拷問。2015年，國家出臺《建筑設計防火規(guī)范》，對耐火窗等防火設備作出了強制規(guī)定。

 

    在災難發(fā)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。他們歷時三年蟄伏，終于啃下了這塊“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復合防火玻璃。

 

    小氣泡 大難題

 

    按照結(jié)構(gòu)劃分，防火玻璃分為單片和復合防火玻璃兩大類。單片玻璃不但成本高、質(zhì)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，復合防火玻璃安全系數(shù)更高、用途更廣泛，更受市場歡迎。

 

    然而，優(yōu)良的性能勢必需要更高的科技含量。目前，國內(nèi)復合防火玻璃存在的主要技術(shù)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(chǎn)品長時間在戶外使用，會出現(xiàn)發(fā)烏、出泡等問題。

 

    復合防火玻璃技術(shù)的核心是兩層玻璃之間的無機防火液，目前常規(guī)的生產(chǎn)技術(shù)是直接利用低模數(shù)的鉀水玻璃作為防火液，但這種物質(zhì)化學穩(wěn)定性差，在使用過程中會出現(xiàn)透過率下降、氣泡、流膠等缺陷，影響玻璃外觀質(zhì)量和對火場狀況的判斷。

 

      那么，將鉀水玻璃的模數(shù)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(shù)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，在防火玻璃制備過程中會產(chǎn)生大量微泡，降低外觀質(zhì)量，無法直接作為防火層基材使用。”

 

      因此，研發(fā)無微泡、耐候性能優(yōu)異的高性能復合防火玻璃，實現(xiàn)產(chǎn)品性能質(zhì)的飛躍，擴大產(chǎn)品的應用范圍，既是我國防火玻璃技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也是建筑節(jié)能、安全玻璃產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的一個重要方向。

 

      在充分了解到行業(yè)的痛點后，從2012年開始，穆元春團隊走上了復合式無機防火玻璃的研發(fā)之路。

 

      玻璃“芯” 不脆弱

 

      但是，事情并非一帆風順。復合防火玻璃的主流制作技術(shù)是平板式晾制法，也就是把一塊玻璃水平放置，上面涂上防火液，然后晾干，最后再蓋一層玻璃。

 

      “國外是用專門的大型精密設備來生產(chǎn)，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(jié)省經(jīng)費，最初他們的實驗都是“徒手”做的。

 

      防火液中間層只有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。整個團隊在實驗室里蹲了一個星期，終于把誤差調(diào)到0.1毫米以下。

 

      但這還是不能完全解決微泡、印痕等問題。由于國外廠家對核心技術(shù)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(xiàn)了轉(zhuǎn)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硅分散液應用于玻璃外表面拋光的想法。

 

      這讓穆元春突發(fā)奇想：如果能利用這種二氧化硅分散液，直接在玻璃層間與氫氧化鉀溶液反應，生成高模數(shù)的鉀水玻璃，不就能一箭雙雕地避免平板晾制法的缺點和低模數(shù)防火液的缺點了嗎？

 

      但這一切的前提，是需要制備低粘度、高固含量的二氧化硅分散液才能實現(xiàn)灌裝。如果直接使用普通納米二氧化硅與氫氧化鉀混合，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涂料實驗，他曾經(jīng)通過粒子設計，解決了涂料成膜性的問題。“簡單來說，這種方法就是用一層物質(zhì)把二氧化硅顆粒給包裹起來，這樣二氧化硅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。左巖承認，當初穆元春提出這個想法時，他的內(nèi)心是打鼓的：“我們老百姓和面，都知道加水少了，面團就黏糊糊的，但穆元春要做的事，是要求少加水，多加面，還得做成均勻的稀湯，一點面疙瘩都不能有。”

 

      他拿著這個方案咨詢了一圈玻璃深加工領域的專家，大家都說不可能。

 

      不過，左巖還是選擇了相信這個年輕人。在他看來，玻璃加工技術(shù)本來就是多學科融合交叉的，想要創(chuàng)新，就應該鼓勵科研人員大膽嘗試。

 

      科研團隊對二氧化硅的粒徑、比表面積、功能單體的組成等因素進行了優(yōu)化，終于攻克了低粘度、高固含、高模數(shù)的鉀水玻璃基防火溶液的制備難題。利用這種全新方法制備的復合防火玻璃，徹底解決了微氣泡、不能物理鋼化、不能用于幕墻、不能具備曲面異形結(jié)構(gòu)等局限。

 

      就這樣，穆元春團隊“四兩撥千斤”，研發(fā)出了超薄型復合式無機防火玻璃。他們成功研制出了滿足國家A類標準、C類標準要求的各種規(guī)格尺寸產(chǎn)品，順利通過第三方檢測機構(gòu)耐火極限試驗檢驗；在知識產(chǎn)權(quán)方面共申請了十余項專利(包括PCT國際專利1項)，獲授權(quán)3件發(fā)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(chǎn)效率提高5倍以上、生產(chǎn)成本降低近一半、價格僅為國外產(chǎn)品1/3，還能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)的新型復合防火玻璃制備技術(shù)，很快受到了市場的青睞。

 

      2017年5月，中國建材總院攜新研發(fā)的不同規(guī)格新型復合式無機防火玻璃參加第28屆中國國際玻璃工業(yè)技術(shù)展覽會，其中4200mm×2000mm大尺寸、曲面結(jié)構(gòu)超薄型復合式防火玻璃剛剛亮相就驚艷全場，受到國內(nèi)外客戶的廣泛關注。

 

      合作與訂單如雪花般紛沓而至，由于掌握核心技術(shù)并實現(xiàn)關鍵設備國產(chǎn)化，目前中國建材總院已和國內(nèi)十余家玻璃深加工企業(yè)簽訂技術(shù)服務協(xié)議，為其提供防火溶液，并指導復合防火玻璃的工業(yè)化生產(chǎn)，計劃年產(chǎn)耐火窗用復合防火玻璃100萬平方米，帶動相關玻璃門窗行業(yè)的產(chǎn)值超過15億元，成為化解當?shù)夭Ａ罴庸ぎa(chǎn)業(yè)“高能耗、低附加值”等弊端的利器。

 

      作為中國成立時間最早、承擔型號最多、技術(shù)水平領先的航空玻璃生產(chǎn)基地，玻璃院在歷史上創(chuàng)造了一個又一個“中國第一”，被譽為“中國航空玻璃的搖籃”。近年來，玻璃院實施軍民結(jié)合的發(fā)展戰(zhàn)略，憑借創(chuàng)新，牢牢把握玻璃深加工領域的技術(shù)制高點。

 

      “我們是國家的研究院，國家急需的就是我們要做的。”左巖說，“我們的研究團隊會緊跟科技最前沿，在產(chǎn)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(fā)計劃“智能玻璃與高安全功能玻璃關鍵技術(shù)開發(fā)”項目，將繼續(xù)完善防火玻璃的生產(chǎn)技術(shù)，起草相關行業(yè)標準，醞釀成立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，推動中國防火玻璃行業(yè)的轉(zhuǎn)型和有序可持續(xù)發(fā)展。

 

      三年不飛，一飛沖天；三年不鳴，一鳴驚人。借助穆元春團隊的創(chuàng)新科技，中國建材總院在復合防火玻璃領域成功實現(xiàn)了“逆襲”，不但正在成長為該領域的“隱形冠軍”，更為中國在這一關系到人民生命財產(chǎn)安全的關鍵技術(shù)領域贏得了一席之地，真正讓中國防火玻璃“火”了起來。