陕科大郭宏伟团队：小玻璃珠子里的大智慧

2023-05-12 来源：高分子科技

近日，陕西科技大学功能玻璃创新团队郭宏伟副教授团队通过酸热处理成功的提高了玻璃微球的回归反射性能。

据权威部门统计，道路标线回归反射性能与交通事故的相关概率为70%，当道路标线回归反射亮度系数每提高10~100mcd，交通风险就会降低0.9%~8.6%，同时标线回归反射性能的提高还能有效提高运输效率30%以上，因此提高道路标线的回归反射性能对于有效降低雨夜间行车事故率具有重要意义。道路标线的逆反射性能主要由标线涂料本身性能及所掺加的反光材料所决定，其中主要影响因素为反光玻璃微球，因此从根本上出发，提高玻璃微球的回归反射性能可以有效降低雨夜间行车事故率。

玻璃微球作为高新技术，从原料到成形要经过熔融、粉碎、成球、后处理等一系列流程，在任何一项流程中出错都会影响到最后的性能。带着问题出发，摸索车间设备每一个参数以及每一步工艺，探索其中蕴含的知识机理，将所得到的猜想带回实验室，设计方案去不断验证研究（图1）。

图1 现场调研

研究其回归反射性能首先从自身出发，组成决定结构，结构决定性能。针对SiO₂-TiO₂-BaO系统玻璃的析晶行为采用差示扫描量热法在其不等温条件下进行了研究。根据得到的非等温析晶动力学参数，清楚地阐明了SiO₂-TiO₂-BaO系统玻璃在非等温加热过程中成核活化能、析晶生长行为以及析晶规律，通过调整成形工艺改善了玻璃微球的亮度（图2）。

图2 火焰漂浮法

经火焰漂浮法后得到的玻璃微球表面状态很差，沾有很多玻璃碎屑以及原料杂质（图3）。而玻璃微球是一种具有高比表面积的表面敏感材料，当杂质覆盖表面并与表面发生反应时，其回归反射性能会下降。

图3 玻璃微球的表面状态

因此他们采用环境友好酸代替强酸来酸浸改善玻璃微球的表面状态。并基于动力学模型研究酸浸过程动力学，酸浸过程由化学反应以及溶解扩散两部分组成，通过对实验结果进行拟合分析来确定两者的影响比重。结果表明表明玻璃微球酸浸除杂过程为扩散收缩核模型，扩散控制阶段的活化能Ea₁为11.22 kJ/mol，化学反应控制的活化能Ea₂为7.73 kJ/mol，玻璃微球表面杂质清洗过程中扩散是影响除杂的控制因素，通过调节酸浸的浓度、时间及温度可以除去玻璃微球表面的杂质。

图4 酸浸机制模型

图5 玻璃微球结构

通过C₂H₂O₄浸出后，玻璃微球的回归反射性能有所提高，但仍不能达到期望值。为了进一步提高玻璃微球的回归反射性能，需要关注玻璃微球特殊的内部组成结构。玻璃微球由于其高TiO₂浓度而具有优异的性能，而Ti⁴⁺在玻璃微球内部具有多种配位形式（图5）。在屏蔽掉Fe-O-Ti影响之后诱导[TiO₆]发生相变，成功提高了玻璃微球的回归反射性能（图6）。

图6 玻璃微球提高回归反射后的应用效果

从三个方面对玻璃微球的回归反射性能进行调控，并成功的改善了玻璃微球的回归反射性能。实验室的里任何实验都是基于产线中实际发生的问题，而产线调试的效果则是对我们实验结果的反馈，把文章写在产品上，让企业受益。

并以“Enhanced optical properties of glass microspheres using acid thermal integration - Brightness”为题发表在《Ceramics International》上。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.02.037

以“Kinetic Behavior of the Nonisothermal Crystallization of Highly Refracted Glass Microspheres”为题发表在《Crystal Growth & Design》上。

原文链接：https://doi.org/ 10.1021/acs.cgd.2c01230

以“酸洗增亮玻璃微球及浸出动力学分析”为题发表在《中国陶瓷》上。

原文链接：https://doi.org/10.16521/j.cnki.issn.1001-9642.2022.09.004

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（责任编辑：xu）

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