中國(guó)建材總院攻克復(fù)合防火玻璃技術(shù)壁壘

 

    大尺寸曲面復(fù)合防火玻璃

 

    近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外高層建筑火災(zāi)不斷，從幾年前的中央電視臺(tái)新址北配樓大火，到上海靜安區(qū)教師公寓特大火災(zāi)，再到今年6月14日，英國(guó)倫敦高層居民建筑火災(zāi)……一場(chǎng)場(chǎng)大火，火勢(shì)蔓延的速度令人驚駭，現(xiàn)場(chǎng)仿佛“人間煉獄”。

 

    “幾次高層建筑大火觸目驚心，也給中國(guó)的建筑安全敲響了警鐘。”正如中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院玻璃科學(xué)研究院院長(zhǎng)左巖所說(shuō)，頻繁發(fā)生的大火，引發(fā)了全社會(huì)對(duì)高層建筑防火設(shè)施的拷問(wèn)。2015年，國(guó)家出臺(tái)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，對(duì)耐火窗等防火設(shè)備作出了強(qiáng)制規(guī)定。

 

    在災(zāi)難發(fā)生時(shí)，如果有更好的防火玻璃，是否人們就能多一點(diǎn)獲救的希望？這個(gè)問(wèn)題，一直敲打著中國(guó)建材總院玻璃院的科研團(tuán)隊(duì)。他們歷時(shí)三年蟄伏，終于啃下了這塊“硬骨頭”，打破了國(guó)外廠商對(duì)該領(lǐng)域高端市場(chǎng)的壟斷，做出了具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的復(fù)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(fù)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(fēng)險(xiǎn)，可能帶來(lái)意想不到的人身傷害。相比之下，復(fù)合防火玻璃安全系數(shù)更高、用途更廣泛，更受市場(chǎng)歡迎。

 

    然而，優(yōu)良的性能勢(shì)必需要更高的科技含量。目前，國(guó)內(nèi)復(fù)合防火玻璃存在的主要技術(shù)問(wèn)題是微氣泡難以消除，外觀不如國(guó)外品牌；耐紫外線輻照性能較差，大部分產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間在戶外使用，會(huì)出現(xiàn)發(fā)烏、出泡等問(wèn)題。

 

    復(fù)合防火玻璃技術(shù)的核心是兩層玻璃之間的無(wú)機(jī)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(xué)穩(wěn)定性差，在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)透過(guò)率下降、氣泡、流膠等缺陷，影響玻璃外觀質(zhì)量和對(duì)火場(chǎng)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(wèn)題嗎？中國(guó)建材總院玻璃院高級(jí)工程師穆元春告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量微泡，降低外觀質(zhì)量，無(wú)法直接作為防火層基材使用。”

 

      因此，研發(fā)無(wú)微泡、耐候性能優(yōu)異的高性能復(fù)合防火玻璃，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能質(zhì)的飛躍，擴(kuò)大產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，既是我國(guó)防火玻璃技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是建筑節(jié)能、安全玻璃產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的一個(gè)重要方向。

 

      在充分了解到行業(yè)的痛點(diǎn)后，從2012年開(kāi)始，穆元春團(tuán)隊(duì)走上了復(fù)合式無(wú)機(jī)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(fēng)順。復(fù)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(guó)外是用專門(mén)的大型精密設(shè)備來(lái)生產(chǎn)，但進(jìn)口這樣一整套設(shè)備，需要花費(fèi)上千萬(wàn)歐元。”穆元春承認(rèn)，為了節(jié)省經(jīng)費(fèi)，最初他們的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)誤差，防火液就無(wú)法均勻平鋪。整個(gè)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里蹲了一個(gè)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(wèn)題。由于國(guó)外廠家對(duì)核心技術(shù)的封鎖，團(tuán)隊(duì)很長(zhǎng)時(shí)間都找不到突破點(diǎn)，走了很多彎路。

  

      直到2015年夏天，事情才出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。在與客戶的交流中，對(duì)方提出將一種固含量較低的二氧化硅分散液應(yīng)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(yīng)，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(diǎn)和低模數(shù)防火液的缺點(diǎn)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(shí)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(guò)大，無(wú)法成型。

 

      攻關(guān)再次陷入僵局。這時(shí)，穆元春想到了自己讀博士期間做過(guò)的涂料實(shí)驗(yàn)，他曾經(jīng)通過(guò)粒子設(shè)計(jì)，解決了涂料成膜性的問(wèn)題。“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種方法就是用一層物質(zhì)把二氧化硅顆粒給包裹起來(lái)，這樣二氧化硅顆粒就不會(huì)彼此團(tuán)聚在一起，而是均勻地分散開(kāi)。”

 

      同時(shí)要求低黏度和高固含量，這幾乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。左巖承認(rèn)，當(dāng)初穆元春提出這個(gè)想法時(shí)，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(tuán)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(diǎn)面疙瘩都不能有。”

 

      他拿著這個(gè)方案咨詢了一圈玻璃深加工領(lǐng)域的專家，大家都說(shuō)不可能。

 

      不過(guò)，左巖還是選擇了相信這個(gè)年輕人。在他看來(lái)，玻璃加工技術(shù)本來(lái)就是多學(xué)科融合交叉的，想要?jiǎng)?chuàng)新，就應(yīng)該鼓勵(lì)科研人員大膽嘗試。

 

      科研團(tuán)隊(duì)對(duì)二氧化硅的粒徑、比表面積、功能單體的組成等因素進(jìn)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(fù)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(tuán)隊(duì)“四兩撥千斤”，研發(fā)出了超薄型復(fù)合式無(wú)機(jī)防火玻璃。他們成功研制出了滿足國(guó)家A類標(biāo)準(zhǔn)、C類標(biāo)準(zhǔn)要求的各種規(guī)格尺寸產(chǎn)品，順利通過(guò)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)耐火極限試驗(yàn)檢驗(yàn)；在知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面共申請(qǐng)了十余項(xiàng)專利(包括PCT國(guó)際專利1項(xiàng))，獲授權(quán)3件發(fā)明專利、2項(xiàng)實(shí)用新型專利。

 

      成長(zhǎng)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(jià)格僅為國(guó)外產(chǎn)品1/3，還能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)的新型復(fù)合防火玻璃制備技術(shù)，很快受到了市場(chǎng)的青睞。

 

      2017年5月，中國(guó)建材總院攜新研發(fā)的不同規(guī)格新型復(fù)合式無(wú)機(jī)防火玻璃參加第28屆中國(guó)國(guó)際玻璃工業(yè)技術(shù)展覽會(huì)，其中4200mm×2000mm大尺寸、曲面結(jié)構(gòu)超薄型復(fù)合式防火玻璃剛剛亮相就驚艷全場(chǎng)，受到國(guó)內(nèi)外客戶的廣泛關(guān)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(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，目前中國(guó)建材總院已和國(guó)內(nèi)十余家玻璃深加工企業(yè)簽訂技術(shù)服務(wù)協(xié)議，為其提供防火溶液，并指導(dǎo)復(fù)合防火玻璃的工業(yè)化生產(chǎn)，計(jì)劃年產(chǎn)耐火窗用復(fù)合防火玻璃100萬(wàn)平方米，帶動(dòng)相關(guān)玻璃門(mén)窗行業(yè)的產(chǎn)值超過(guò)15億元，成為化解當(dāng)?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(guó)成立時(shí)間最早、承擔(dān)型號(hào)最多、技術(shù)水平領(lǐng)先的航空玻璃生產(chǎn)基地，玻璃院在歷史上創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)“中國(guó)第一”，被譽(yù)為“中國(guó)航空玻璃的搖籃”。近年來(lái)，玻璃院實(shí)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(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)。

 

      “我們是國(guó)家的研究院，國(guó)家急需的就是我們要做的。”左巖說(shuō)，“我們的研究團(tuán)隊(duì)會(huì)緊跟科技最前沿，在產(chǎn)學(xué)研一體化的道路上砥礪前行。”

 

      目前，中國(guó)建材總院玻璃院已承擔(dān)了“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能玻璃與高安全功能玻璃關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目，將繼續(xù)完善防火玻璃的生產(chǎn)技術(shù)，起草相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，醞釀成立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，推動(dòng)中國(guó)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(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新科技，中國(guó)建材總院在復(fù)合防火玻璃領(lǐng)域成功實(shí)現(xiàn)了“逆襲”，不但正在成長(zhǎng)為該領(lǐng)域的“隱形冠軍”，更為中國(guó)在這一關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域贏得了一席之地，真正讓中國(guó)防火玻璃“火”了起來(lái)。