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陜科大郭宏偉團隊：小玻璃珠子里的大智慧

2023-05-12 來源：高分子科技

近日，陜西科技大學功能玻璃創新團隊郭宏偉副教授團隊通過酸熱處理成功的提高了玻璃微球的回歸反射性能。

據權威部門統計，道路標線回歸反射性能與交通事故的相關概率為70%，當道路標線回歸反射亮度系數每提高10~100mcd，交通風險就會降低0.9%~8.6%，同時標線回歸反射性能的提高還能有效提高運輸效率30%以上，因此提高道路標線的回歸反射性能對于有效降低雨夜間行車事故率具有重要意義。道路標線的逆反射性能主要由標線涂料本身性能及所摻加的反光材料所決定，其中主要影響因素為反光玻璃微球，因此從根本上出發，提高玻璃微球的回歸反射性能可以有效降低雨夜間行車事故率。

玻璃微球作為高新技術，從原料到成形要經過熔融、粉碎、成球、后處理等一系列流程，在任何一項流程中出錯都會影響到最后的性能。帶著問題出發，摸索車間設備每一個參數以及每一步工藝，探索其中蘊含的知識機理，將所得到的猜想帶回實驗室，設計方案去不斷驗證研究（圖1）。

圖1 現場調研

研究其回歸反射性能首先從自身出發，組成決定結構，結構決定性能。針對SiO₂-TiO₂-BaO系統玻璃的析晶行為采用差示掃描量熱法在其不等溫條件下進行了研究。根據得到的非等溫析晶動力學參數，清楚地闡明了SiO₂-TiO₂-BaO系統玻璃在非等溫加熱過程中成核活化能、析晶生長行為以及析晶規律，通過調整成形工藝改善了玻璃微球的亮度（圖2）。

圖2 火焰漂浮法

經火焰漂浮法后得到的玻璃微球表面狀態很差，沾有很多玻璃碎屑以及原料雜質（圖3）。而玻璃微球是一種具有高比表面積的表面敏感材料，當雜質覆蓋表面并與表面發生反應時，其回歸反射性能會下降。

圖3 玻璃微球的表面狀態

因此他們采用環境友好酸代替強酸來酸浸改善玻璃微球的表面狀態。并基于動力學模型研究酸浸過程動力學，酸浸過程由化學反應以及溶解擴散兩部分組成，通過對實驗結果進行擬合分析來確定兩者的影響比重。結果表明表明玻璃微球酸浸除雜過程為擴散收縮核模型，擴散控制階段的活化能Ea₁為11.22 kJ/mol，化學反應控制的活化能Ea₂為7.73 kJ/mol，玻璃微球表面雜質清洗過程中擴散是影響除雜的控制因素，通過調節酸浸的濃度、時間及溫度可以除去玻璃微球表面的雜質。

圖4 酸浸機制模型

圖5 玻璃微球結構

通過C₂H₂O₄浸出后，玻璃微球的回歸反射性能有所提高，但仍不能達到期望值。為了進一步提高玻璃微球的回歸反射性能，需要關注玻璃微球特殊的內部組成結構。玻璃微球由于其高TiO₂濃度而具有優異的性能，而Ti⁴⁺在玻璃微球內部具有多種配位形式（圖5）。在屏蔽掉Fe-O-Ti影響之后誘導[TiO₆]發生相變，成功提高了玻璃微球的回歸反射性能（圖6）。