基于原位反应的新型耐低温K2O·nSiO2基复合防火玻璃的制备与性能研究

20251211

科学研究和技术服务业

北京市自然科学基金项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本项目在执行期内，申请发明专利5项，其中授权3项，以市基金为第一标注发表SCI论文6篇，培养博士研究生1名，硕士研究生6名，项目组成员晋升副高职称一人。项目组利用界面工程构筑法制备出高固含(55 wt%)、低粘度(684.5 mPa.s ± 43.8 mPa.s，48 rpm)、具有核壳结构的SiO2分散液，借助原位反应法制备了耐紫外线辐照测试超过2000h、具有超多层微纳结构增强体的K2O·nSiO2基复合防火玻璃，并在第三方检测机构完成-60℃、连续30小时的耐低温测试，使其具备在全球范围室外使用的功能，为实现不同地域高层建筑户外装配K2O·nSiO2基复合防火玻璃、提升冬季户外使用时的长期服役性能、满足建筑窗体防火安全的使用要求奠定理论与技术基础；由于体系中添加了甘油、乙二醇等物质，虽然可以提高K2O·nSiO2的耐低温性能，但会导致其强度下降，为解决上述矛盾，项目组通过从大量物质中筛选、发现添加NH4HCO3可以提高基体强度，同时首次发现NH4HCO3能够赋予K2O·nSiO2正向、反向的热致变色性能，并阐明其热致变色机理，制备出动态双向K2O·nSiO2基热致变色复合防火玻璃。上述成果对K2O·nSiO2基智能防火玻璃户外服役“近零”失效具有重要意义，是实现建材行业“碳达峰”、“碳中和”的重要保障，同时也为自然环境更严苛的西部高海拔地区、东北高寒地区、沿海及岛屿等区域的军/民用建筑类智能防火玻璃的应用提供参考依据。 项目组提出一种利用K2O??nSiO2基超薄柔性膜合成耐寒型防火玻璃的新方法，该超薄柔性膜是以上述SiO2分散液为基材，结合恒温恒湿法与真空表面处理法制备而成的。利用多层扩散波谱(MS-DWS)和扫描电子显微镜(SEM)详细研究了K2O??nSiO2基超薄膜的成膜过程动力学和成膜机理，进一步确定游离水的含量是影响低温性能的关键因素；在其表面设计了类似于中国古代的钱币或蜂窝形态的导气微通道，以消除制备过程中引入的微气泡，保证防火玻璃的可见区域内不存在影响表观质量的缺陷，上述方法为制备不同形状(如曲面)的高性能防火玻璃提供新的思路。 项目组利用低温静置原位反应法和梯度加热-振动法制备具有微纳结构效应的K2O·nSiO2基防火材料，研究表明多层结构增强体的存在是材料隔热性能、耐低温性能、力学性能、耐紫外线辐射性能显著提升的主要原因；提出一种基于钢球沉降试验的动态硬度理论，并将其应用于K2O·nSiO2基防火材料的硬度测量；作为理论发展的一部分，推导了压痕应变速率方程，并提供一种测量固化胶凝材料粘度的简单方法；借助液氮辅助低温成像技术研究K2O·nSiO2基材料的防冻机理，结合SEM分析确认微纳多层结构可以弥补材料中引入抗冷凝剂导致强度降低的缺点，而剩余的自由水被限制在层状结构内，不会促进冰晶的生长，防止防火层缺陷的形成，确保K2O·nSiO2在-60℃下仍具有优异的透过率。 项目组首次发现添加NH4HCO3可以弥补抗冻剂对基体强度的影响，并赋予K2O·nSiO2双向动态热致变色功能，研究表明：室温时NH4+离子与Si-OH形成Si-ONH4，破坏了Si-OH与结合水之间的氢键，使基材失透；高温降低了Si-ONH4解离NH4+形成Si-OH的能垒，使基材恢复透明，具备反向热致变色的特性；凭借其重复写入和擦除的特点，可实现类似硬盘存储的功能，而醇类物质的加入逆转了上述变色过程，使其具备正向热致变色的特性；同时项目组创造性的将变色特性不同的K2O·nSiO2基材按照“常闭”、“常开”、“动态打开”、“动态关闭”四种逻辑单元进行像素点式排列，组装户外用K2O·nSiO2基热致变色防火玻璃组件，借助编程设计可实现不同图案的动态调控，既满足节能减排的要求，又增添了设计美感。 在项目执行期内，项目组与安徽伟豪特种玻璃有限公司共建“北京化工大学—安徽伟豪特种玻璃有限公司防火玻璃联合研发中心”，将实验室研究成果“K2O·nSiO2基热致变色复合防火玻璃”在企业中试落地；项目组与河北省安平县金龙车辆装备有限公司共建“北京化工大学—安平县金龙车辆装备有限公司校企联合研发中心”，计划将低温型K2O·nSiO2基复合防火玻璃工业化生产，并将其应用在高铁特殊部位的透明件中。