Por ser um material inorgânico amorfo, as propriedades do vidro são determinadas tanto pela sua composição química quanto pela microestrutura. Em sistemas de vidro convencionais, como vidro de silicato de cálcio e sódio, vidro de borosilicato, etc., além do componente principal SiO ₂, a seleção e proporção de aditivos de óxido afetam diretamente a formação de fusão, propriedades mecânicas, estabilidade química e características funcionais do vidro.Óxido de magnésio (MgO), como um típico óxido de metal alcalino terroso, desempenha um papel fundamental na regulação da estrutura, na otimização do desempenho e na melhoria do processo na composição do vidro devido ao seu pequeno raio de íon (0,072 nm) e alta intensidade de campo (Z/r²=6,25). Este artigo analisa brevemente o mecanismo e o valor prático do óxido de magnésio no vidro a partir de seis dimensões: processo de fusão, propriedades mecânicas, estabilidade química, propriedades térmicas, qualidade óptica e cenários de aplicação.
1、 Ajustando o processo de fusão e formação: reduzindo o consumo de energia e minimizando defeitos
O processo de fusão do vidro é o processo de conversão de matérias-primas sólidas em um fundido uniforme e remoção de bolhas e listras. O óxido de magnésio otimiza significativamente a qualidade de fusão e formação, regulando a viscosidade e a tensão superficial do fundido.
No vidro de silicato de cálcio e sódio, os componentes tradicionais são principalmente SiO ₂ (70% -75%), Na ₂ O (12% -16%) e CaO (6% -10%), MgO（3,5% -4%）。 CaO e MgO são ambos metais alcalino-terrosos. Em altas temperaturas (>1400 ℃), o Mg ² ⁺ reage com o Ca ² ⁺ e se combina com o oxigênio sem ponte para enfraquecer o grau de polimerização da rede de oxigênio do silício, reduzir a viscosidade do fundido e acelerar a dissolução das matérias-primas e o escape de bolhas; No estágio de formação de baixa temperatura (<1000 ℃), as características de alta resistência de campo do Mg ² ⁺ aumentam as forças intermoleculares, aumentam a viscosidade do fundido (como no banho de estanho da formação de vidro flutuante, a viscosidade aumenta em cerca de 8%), evitam a deformação da fita de vidro devido à gravidade e reduzem defeitos de espessura irregular. O efeito de controle duplo de "redução da viscosidade em alta temperatura e aumento da viscosidade em baixa temperatura" reduz o consumo de energia do forno de fusão, encurta o tempo de fusão em 10% -15% e reduz a taxa de bolha em mais de 30%, melhorando significativamente a eficiência da produção.
Além disso, o óxido de magnésio pode inibir a tendência de cristalização do fundido. Quando o vidro fundido esfria, o Ca ² ⁺ forma facilmente fases cristalinas, como feldspato de cálcio (CaAl ₂ Si ₂ O ₈) com SiO ₂, levando à perda de vidro (como listras e defeitos de pedra). O raio iônico do Mg²⁺ é menor que o do Ca²⁺ (0,099 nm) e possui maior compatibilidade com a rede de silício-oxigênio, o que pode dificultar o crescimento dos núcleos cristalinos através do “efeito de preenchimento”. Na produção de vidro plano, quando a quantidade de MgO adicionada é de 2% a 4%, a temperatura limite superior de cristalização no fundido diminui em 15-25 ℃, expandindo efetivamente a faixa de temperatura de moldagem e reduzindo defeitos de cristalização causados por sub-resfriamento local.
2、 Fortalecimento das propriedades mecânicas: aumento da resistência e tenacidade
A fragilidade do vidro é essencialmente devida à desordem de longo alcance do arranjo atômico na microestrutura, enquanto o óxido de magnésio melhora significativamente suas propriedades mecânicas, otimizando a densidade da rede e a força da ligação iônica.
Aumento da dureza e do módulo de elasticidade: A alta intensidade de campo do Mg ² ⁺ forma fortes ligações iônicas com íons de oxigênio, reduzindo o número de espécies de oxigênio sem ponte (que são pontos fracos na estrutura da rede). No vidro de silicato de sódio e cálcio, quando o MgO substitui 10% -20% de CaO, a dureza Vickers do vidro aumenta de 5,5 GPa para 6,2 GPa, e o módulo de elasticidade aumenta de 68 GPa para 75 GPa. Isso ocorre porque a energia de ligação entre o Mg² ⁺ e os tetraedros de oxigênio de silício (cerca de 640 kJ/mol) é maior que a do Ca² ⁺ (cerca de 560 kJ/mol), tornando a estrutura da rede mais densa. Por exemplo, adicionar 3% -5% de MgO ao vidro fotovoltaico aumenta a resistência superficial a arranhões em 20%, reduzindo os danos superficiais durante o transporte e a instalação.
Otimização da resistência à flexão e tenacidade: A resistência à flexão do vidro depende da resistência à propagação de "microfissuras" na estrutura, e o óxido de magnésio desempenha um papel no refinamento do tamanho dos defeitos da rede. A pesquisa mostrou que no vidro de silicato de sódio e cálcio contendo MgO, o comprimento médio das microfissuras é reduzido de 8 μm para 5 μm, e a taxa de propagação de fissuras é reduzida em 30%. Após a substituição de 25% de CaO por MgO no vidro da garrafa, a resistência à flexão aumentou de 45 MPa para 58 MPa, e a resistência ao impacto do corpo da garrafa aumentou em 25%, reduzindo significativamente o problema de explosão durante o processo de enchimento. Além disso, o óxido de magnésio pode reduzir o índice de fragilidade (energia de fratura/módulo de elasticidade) do vidro. Em vidro borossilicato resistente ao calor, a adição de 4% -6% de MgO pode reduzir o índice de fragilidade em 12% e melhorar sua resistência contra choque térmico.
A estabilidade química do vidro (resistência à água, resistência a ácidos, resistência a álcalis) depende da resistência da estrutura da rede à erosão iônica externa. O óxido de magnésio melhora significativamente a sua adaptabilidade ambiental, aumentando a densidade da rede e a força de ligação de íons.
Melhoria da resistência à água: No vidro de silicato de sódio e cálcio, a alta taxa de migração do Na ⁺ o torna facilmente solúvel em água (formando uma "camada desalcalina"), enquanto o Mg ² ⁺ pode reduzir a taxa de dissolução do Na ⁺ por meio da "troca iônica". No teste de resistência à água ISO 719, a taxa de perda de peso do vidro sódico e cálcio sem MgO foi de 0,15 mg/cm². Após adição de 3% de MgO, a taxa de perda de peso diminuiu para 0,08 mg/cm². Isso se deve à maior força de ligação entre o Mg²⁺ e a rede de silício-oxigênio, o que dificulta a penetração das moléculas de H₂O no interior do vidro. Esse recurso prolonga a vida útil do vidro contendo MgO em mais de 30% em ambientes úmidos, como paredes cortinas de construção e aquários.
Resistência alcalina aprimorada: Em ambientes alcalinos, OH ⁻ ataca a ligação Si-O-Si, levando à desintegração da rede, enquanto a introdução de Mg ² ⁺ pode formar uma "camada tampão alcalina". Após a adição de 5% -7% de MgO às fibras de vidro utilizadas em materiais compósitos à base de cimento, a taxa de retenção de resistência das fibras de vidro embebidas em solução alcalina com pH = 13 por 28 dias aumentou de 65% para 82%. Isso ocorre porque Mg ² ⁺ e OH ⁻ formam precipitados de Mg (OH) ₂, bloqueando os poros da superfície do vidro e retardando a penetração da solução alcalina.
Regulação da resistência a ácidos: Para vidros contendo boro (como vidros ópticos), o óxido de magnésio pode inibir a hidrólise das redes de oxigênio de boro. No vidro borossilicato, B ³ ⁺ combina facilmente com H ⁺ para formar [BO ∝] ³ ⁻, levando à desintegração da rede, enquanto a alta intensidade de campo de Mg ² ⁺ pode estabilizar a estrutura tetraédrica [BO ₄] ⁻. Após a adição de 2% -3% de MgO, a taxa de perda de peso do vidro em solução de HCl a 10% diminuiu 40%, tornando-o adequado para janelas de instrumentos de precisão em ambientes ácidos.
4、 Otimize as propriedades térmicas: reduza o coeficiente de expansão e melhore a resistência ao calor
O coeficiente de expansão térmica (CTE) é um parâmetro chave no compósito de vidro, metal, cerâmica e outros materiais. O óxido de magnésio consegue um controle preciso do CTE ajustando as características de vibração da rede.
O aditivo central do vidro de baixa expansão: No vidro borossilicato de baixa expansão (como o vidro Pyrex), o MgO funciona sinergicamente com B ₂ O3 e Al ₂ O3 para reduzir a amplitude da vibração térmica por meio do "preenchimento da rede". O raio iônico do Mg²⁺ é pequeno e pode ser incorporado nas lacunas das redes de oxigênio de silício/oxigênio de boro, limitando o relaxamento da rede em altas temperaturas. Quando a quantidade de MgO adicionada é de 4% -6%, o CTE do vidro diminui de 3,2 × 10 ⁻⁶/℃ para 2,8 × 10 ⁻⁶/℃, atendendo aos requisitos correspondentes para vedação com metais como tungstênio e molibdênio (o CTE do metal é de cerca de 4 × 10 ⁻⁶/℃). Por exemplo, em vidro de baixa expansão utilizado para embalagens eletrônicas, a introdução de MgO reduz o estresse térmico na interface de vedação em 25%, evitando rachaduras causadas por ciclos de temperatura.
Melhoria da resistência ao choque térmico: A resistência ao choque térmico do vidro depende do efeito combinado do CTE e da condutividade térmica, e o óxido de magnésio pode otimizar ambos simultaneamente. No vidro de silicato de cálcio e sódio, a adição de 3% de MgO reduz o CTE de 9,0 × 10 ⁻⁶/℃ para 8,2 × 10 ⁻⁶/℃, aumenta a condutividade térmica de 1,05 W/para 1,18 W/ e aumenta a diferença de temperatura de impacto resistente ao calor (Δ T) de 120 ℃ para 150 ℃. Essa característica torna o vidro contendo MgO adequado para utensílios de cozinha (como assadeiras), faróis de carros (resistindo a flutuações de temperatura de -40 ℃ a 120 ℃) e outros cenários.
5、Garantir a qualidade óptica: manter a transparência, regular o índice de refração
O vidro óptico tem requisitos rigorosos de transparência, índice de refração (nD) e coeficiente de dispersão (∆ D), e o óxido de magnésio tornou-se um aditivo ideal para vidro óptico funcional devido às suas propriedades de coloração incolor e fraca.
Manutenção de alta transparência: O próprio MgO é um óxido incolor e não introduz íons de metais de transição (como Fe ³ ⁺, Cr ³ ⁺), o que pode evitar a coloração do vidro. No vidro fotovoltaico ultra branco, quando a adição de MgO é controlada em 2% -3%, a transmitância da luz visível (400-700 nm) pode atingir mais de 94,5%, o que é apenas 0,3% menor que o vidro de silício puro e muito superior ao vidro contendo Fe ₂ O ∝ (transmitância <91%). Além disso, o óxido de magnésio pode reduzir bolhas e defeitos de cristalização no vidro, reduzir ainda mais as perdas de dispersão de luz e melhorar em 15% a uniformidade da transmissão de luz das janelas de vidro para telêmetros a laser.
Índice de refração e controle de dispersão: O índice de refração molar (R=3,2) do MgO está entre CaO (R=4,0) e ZnO (R=3,0), e as constantes ópticas do vidro podem ser ajustadas ajustando a quantidade adicionada. Depois de substituir 10% de CaO por MgO no vidro óptico da marca Crown, o índice de refração nD diminuiu de 1,523 para 1,518, e o coeficiente de dispersão ∆ D aumentou de 58 para 62, atendendo aos requisitos de design de lentes de baixa dispersão. Para vidro de transmissão infravermelha (como o sistema GeO ₂ - MgO), o MgO pode reduzir o coeficiente de absorção infravermelha do vidro e aumentar a transmitância em 8% na banda de 3-5 μm, o que é adequado para janelas de imagem térmica.
No futuro, com a modernização da produção verde e a procura de vidro funcional, a aplicação de óxido de magnésio evoluirá para o refinamento: por um lado, as propriedades mecânicas e ópticas do vidro serão melhoradas através da dopagem com nano MgO (tamanho de partícula <50 nm); Por outro lado, ao combinar o design de componentes orientado por IA, um novo sistema de vidro baseado em MgO (como vidro de baixo ponto de fusão MgO Li ₂ O-ZrO ₂) pode ser desenvolvido para se adaptar a aplicações eletrônicas flexíveis e de armazenamento e transporte de energia de hidrogênio. O valor do óxido de magnésio na composição do vidro está mudando de um “regulador de desempenho” para um “facilitador funcional”, impulsionando a evolução dos materiais de vidro em direção a um desempenho mais elevado e a cenários mais amplos.
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