Como material inorgánico amorfo, las propiedades del vidrio están determinadas tanto por su composición química como por su microestructura. En los sistemas de vidrio convencionales, como el vidrio de silicato de sodio y calcio, el vidrio de borosilicato, etc., además del componente principal SiO₂, la selección y proporción de los aditivos de óxido afectan directamente la formación por fusión, las propiedades mecánicas, la estabilidad química y las características funcionales del vidrio.Óxido de magnesio (MgO), como óxido de metal alcalinotérreo típico, desempeña un papel clave en la regulación de la estructura, la optimización del rendimiento y la mejora del proceso en la composición del vidrio debido a su pequeño radio iónico (0,072 nm) y su alta intensidad de campo (Z/r ²=6,25). Este artículo analiza brevemente el mecanismo y el valor práctico del óxido de magnesio en vidrio desde seis dimensiones: proceso de fusión, propiedades mecánicas, estabilidad química, propiedades térmicas, calidad óptica y escenarios de aplicación.
1. Ajustar el proceso de fusión y formación: reducir el consumo de energía y minimizar los defectos.
El proceso de fusión del vidrio es el proceso de convertir materias primas sólidas en una masa fundida uniforme y eliminar burbujas y rayas. El óxido de magnesio optimiza significativamente la calidad de la fusión y la formación al regular la viscosidad y la tensión superficial de la masa fundida.
En el vidrio de silicato de sodio y calcio, los componentes tradicionales son principalmente SiO ₂ (70% -75%), Na ₂ O (12% -16%) y CaO (6% -10%), MgO (3,5% -4%). CaO y MgO son metales alcalinotérreos. A altas temperaturas (>1400 ℃), Mg ² ⁺ reacciona con Ca ² ⁺ y se combina con oxígeno que no forma puentes para debilitar el grado de polimerización de la red de oxígeno de silicio, reducir la viscosidad de la masa fundida y acelerar la disolución de las materias primas y el escape de burbujas; En la etapa de formación a baja temperatura (<1000 ℃), las características de alta intensidad de campo del Mg ² ⁺ mejoran las fuerzas intermoleculares, aumentan la viscosidad de la masa fundida (como en el baño de estaño de la formación de vidrio flotado, la viscosidad aumenta en aproximadamente un 8%), evita la deformación de la cinta de vidrio debido a la gravedad y reduce los defectos de espesor desigual. El efecto de control dual de "reducción de la viscosidad a alta temperatura y aumento de la viscosidad a baja temperatura" reduce el consumo de energía del horno de fusión, acorta el tiempo de fusión entre un 10% y un 15% y reduce la tasa de burbujas en más del 30%, lo que mejora significativamente la eficiencia de producción.
Además, el óxido de magnesio puede inhibir la tendencia a la cristalización de la masa fundida. Cuando el vidrio fundido se enfría, Ca ² ⁺ forma fácilmente fases cristalinas como feldespato cálcico (CaAl ₂ Si ₂ O ₈) con SiO ₂, lo que provoca la pérdida del vidrio (como rayas y defectos de piedra). El radio iónico del Mg ² ⁺ es menor que el del Ca ² ⁺ (0,099 nm) y tiene una mayor compatibilidad con la red de oxígeno del silicio, lo que puede impedir el crecimiento de los núcleos cristalinos mediante el "efecto de relleno". En la producción de vidrio plano, cuando la cantidad de MgO añadida es del 2% al 4%, la temperatura límite superior de cristalización en la masa fundida disminuye entre 15 y 25 ℃, ampliando efectivamente el rango de temperatura de moldeo y reduciendo los defectos de cristalización causados por el subenfriamiento local.
2. Fortalecimiento de las propiedades mecánicas: mejora de la resistencia y la tenacidad.
La fragilidad del vidrio se debe esencialmente al desorden a largo plazo de la disposición atómica en la microestructura, mientras que el óxido de magnesio mejora significativamente sus propiedades mecánicas al optimizar la densidad de la red y la fuerza de los enlaces iónicos.
Mejora de la dureza y el módulo elástico: la alta intensidad de campo del Mg ² ⁺ forma fuertes enlaces iónicos con iones de oxígeno, lo que reduce la cantidad de especies de oxígeno que no forman puentes (que son puntos débiles en la estructura de la red). En el vidrio de silicato de sodio y calcio, cuando el MgO reemplaza entre un 10% y un 20% de CaO, la dureza Vickers del vidrio aumenta de 5,5 GPa a 6,2 GPa y el módulo elástico aumenta de 68 GPa a 75 GPa. Esto se debe a que la energía de unión entre el Mg ² ⁺ y los tetraedros de oxígeno y silicio (aproximadamente 640 kJ/mol) es mayor que la del Ca ² ⁺ (aproximadamente 560 kJ/mol), lo que hace que la estructura de la red sea más densa. Por ejemplo, agregar entre un 3% y un 5% de MgO al vidrio fotovoltaico aumenta la resistencia a los rayones de la superficie en un 20%, lo que reduce el daño a la superficie durante el transporte y la instalación.
Optimización de la resistencia a la flexión y la tenacidad: la resistencia a la flexión del vidrio depende de la resistencia a la propagación de "microfisuras" en la estructura, y el óxido de magnesio desempeña un papel al refinar el tamaño de los defectos de la red. Las investigaciones han demostrado que en el vidrio de silicato de sodio y calcio que contiene MgO, la longitud promedio de las microfisuras se acorta de 8 μm a 5 μm y la tasa de propagación de las grietas se reduce en un 30%. Después de reemplazar el 25 % de CaO con MgO en el vidrio de la botella, la resistencia a la flexión aumentó de 45 MPa a 58 MPa y la resistencia al impacto del cuerpo de la botella aumentó en un 25 %, lo que redujo significativamente el problema de explosión durante el proceso de llenado. Además, el óxido de magnesio puede reducir el índice de fragilidad (energía de fractura/módulo elástico) del vidrio. En el vidrio de borosilicato resistente al calor, agregar entre un 4% y un 6% de MgO puede reducir el índice de fragilidad en un 12% y mejorar su tenacidad frente al choque térmico.
La estabilidad química del vidrio (resistencia al agua, resistencia a los ácidos, resistencia a los álcalis) depende de la resistencia de la estructura de la red a la erosión de iones externos. El óxido de magnesio mejora significativamente su adaptabilidad ambiental al mejorar la densidad de la red y la fuerza de unión de iones.
Mejora de la resistencia al agua: en el vidrio de silicato de sodio y calcio, la alta tasa de migración del Na ⁺ lo hace fácilmente soluble en agua (formando una "capa de álcali"), mientras que el Mg ² ⁺ puede reducir la tasa de disolución del Na ⁺ mediante el "intercambio iónico". En la prueba de resistencia al agua ISO 719, la tasa de pérdida de peso del vidrio de sodio y calcio sin MgO fue de 0,15 mg/cm². Después de añadir 3% de MgO, la tasa de pérdida de peso disminuyó a 0,08 mg/cm². Esto se debe a la fuerza de unión más fuerte entre el Mg ² ⁺ y la red de oxígeno de silicio, que dificulta la penetración de las moléculas de H ₂ O en el interior del vidrio. Esta característica extiende la vida útil del vidrio que contiene MgO en más de un 30 % en ambientes húmedos, como muros cortina y acuarios.
Resistencia a los álcalis mejorada: en ambientes alcalinos, el OH ⁻ ataca el enlace Si-O-Si, lo que lleva a la desintegración de la red, mientras que la introducción de Mg ² ⁺ puede formar una "capa amortiguadora alcalina". Después de agregar entre un 5% y un 7% de MgO a las fibras de vidrio utilizadas en materiales compuestos a base de cemento, la tasa de retención de resistencia de las fibras de vidrio empapadas en una solución alcalina con pH=13 durante 28 días aumentó del 65% al 82%. Esto se debe a que el Mg ² ⁺ y el OH ⁻ forman Mg (OH) ₂ precipita, bloqueando los poros de la superficie del vidrio y ralentizando la penetración de la solución alcalina.
Regulación de la resistencia a los ácidos: para los vidrios que contienen boro (como los vidrios ópticos), el óxido de magnesio puede inhibir la hidrólisis de las redes de oxígeno de boro. En el vidrio de borosilicato, B ³ ⁺ se combina fácilmente con H ⁺ para formar [BO ∝] ³ ⁻, lo que lleva a la desintegración de la red, mientras que la alta intensidad de campo del Mg ² ⁺ puede estabilizar la estructura tetraédrica de [BO ₄] ⁻. Después de agregar 2% -3% de MgO, la tasa de pérdida de peso del vidrio en una solución de HCl al 10% disminuyó en un 40%, lo que lo hace adecuado para ventanas de instrumentos de precisión en ambientes ácidos.
4. Optimice las propiedades térmicas: reduzca el coeficiente de expansión y mejore la resistencia al calor.
El coeficiente de expansión térmica (CTE) es un parámetro clave en los compuestos de vidrio, metal, cerámica y otros materiales. El óxido de magnesio logra un control preciso del CTE ajustando las características de vibración de la red.
El aditivo principal del vidrio de baja expansión: en el vidrio de borosilicato de baja expansión (como el vidrio Pyrex), el MgO funciona sinérgicamente con B ₂ O3 y Al ₂ O3 para reducir la amplitud de la vibración térmica mediante el "relleno de red". El radio del ion de Mg ² ⁺ es pequeño y puede incrustarse en los huecos de las redes de oxígeno de silicio/oxígeno de boro, lo que limita la relajación de la red a altas temperaturas. Cuando la cantidad de MgO agregada es del 4% al 6%, el CTE del vidrio disminuye de 3,2 × 10 ⁻⁶/℃ a 2,8 × 10 ⁻⁶/℃, cumpliendo con los requisitos correspondientes para sellar con metales como tungsteno y molibdeno (el CTE del metal es aproximadamente 4 × 10 ⁻⁶/℃). Por ejemplo, en el vidrio de baja expansión utilizado para envases electrónicos, la introducción de MgO reduce la tensión térmica en la interfaz de sellado en un 25 %, evitando el agrietamiento causado por los ciclos de temperatura.
Mejora de la resistencia al choque térmico: La resistencia al choque térmico del vidrio depende del efecto combinado del CTE y la conductividad térmica, y el óxido de magnesio puede optimizar ambos simultáneamente. En vidrio de silicato de sodio y calcio, agregar 3% de MgO reduce el CTE de 9,0 × 10 ⁻⁶/℃ a 8,2 × 10 ⁻⁶/℃, aumenta la conductividad térmica de 1,05 W/a 1,18 W/ y aumenta la diferencia de temperatura de impacto resistente al calor (Δ T) de 120 ℃ a 150 ℃. Esta característica hace que el vidrio que contiene MgO sea adecuado para utensilios de cocina (como moldes para hornear), faros de automóviles (que resisten fluctuaciones de temperatura de -40 ℃ a 120 ℃) y otros escenarios.
5. Garantizar la calidad óptica: mantener la transparencia, regular el índice de refracción.
El vidrio óptico tiene requisitos estrictos de transparencia, índice de refracción (nD) y coeficiente de dispersión (∆ D), y el óxido de magnesio se ha convertido en un aditivo ideal para el vidrio óptico funcional debido a sus propiedades colorantes incoloras y débiles.
Mantenimiento de alta transparencia: el MgO en sí es un óxido incoloro y no introduce iones de metales de transición (como Fe ³ ⁺, Cr ³ ⁺), lo que puede evitar la coloración del vidrio. En el vidrio fotovoltaico ultrablanco, cuando la adición de MgO se controla al 2% -3%, la transmitancia de la luz visible (400-700 nm) puede alcanzar más del 94,5%, que es sólo un 0,3% menor que el vidrio de silicio puro y muy superior al vidrio que contiene Fe ₂ O ∝ (transmitancia <91%). Además, el óxido de magnesio puede reducir las burbujas y los defectos de cristalización en el vidrio, reducir aún más las pérdidas por dispersión de la luz y mejorar en un 15% la uniformidad de la transmisión de la luz de las ventanas de vidrio para telémetros láser.
Índice de refracción y control de dispersión: el índice de refracción molar (R = 3,2) del MgO está entre CaO (R = 4,0) y ZnO (R = 3,0), y las constantes ópticas del vidrio se pueden ajustar ajustando la cantidad añadida. Después de reemplazar el 10 % de CaO con MgO en el vidrio óptico de la marca Crown, el índice de refracción nD disminuyó de 1,523 a 1,518 y el coeficiente de dispersión ∆ D aumentó de 58 a 62, cumpliendo con los requisitos de diseño de lentes de baja dispersión. Para el vidrio de transmisión infrarroja (como el sistema GeO ₂ - MgO), el MgO puede reducir el coeficiente de absorción infrarroja del vidrio y aumentar la transmitancia en un 8% en la banda de 3-5 μ m, que es adecuada para ventanas de imágenes térmicas.
En el futuro, con la mejora de la fabricación ecológica y la demanda de vidrio funcional, la aplicación del óxido de magnesio evolucionará hacia el refinamiento: por un lado, las propiedades mecánicas y ópticas del vidrio mejorarán aún más mediante el dopado con nano MgO (tamaño de partícula <50 nm); Por otro lado, al combinar el diseño de componentes impulsado por IA, se puede desarrollar un nuevo sistema de vidrio basado en MgO (como el vidrio de bajo punto de fusión MgO Li ₂ O-ZrO ₂) para adaptarse a aplicaciones de transporte y almacenamiento de energía de hidrógeno y electrónica flexible. El valor del óxido de magnesio en la composición del vidrio está pasando de ser un "regulador de rendimiento" a un "facilitador funcional", impulsando la evolución de los materiales de vidrio hacia escenarios más amplios y de mayor rendimiento.
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