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防火玻璃生产工艺及现状分析

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防火玻璃生产工艺及现状分析

发布日期:2017-10-19 作者: 点击:

贵阳防火玻璃为您分析防火玻璃生产工艺及现状

防火玻璃于20世纪70年代初首先出现于欧洲,属于建筑安全玻璃之一。随着本世纪的经济腾飞,人类科技文明和物质文化生活水平得到了高速发展,世界各国对建筑住宅及公用建筑物的要求越来越高。

欧洲的英、法、德等国相继制订了《建筑设计防火规范》、《建筑物件防火性能测试方法和标准》及《高层民用建筑设计防火规范》等法规,这些法规的出台极大地提高了防火玻璃的安全性能,并促进了防火玻璃研发的步伐,目前建筑安全玻璃和防火隔热玻璃的市场需求在世界工业发达国家逐年呈上升态势。

防火玻璃属于安全玻璃的一种,是采用物理与化学方法对浮法玻璃进行处理而得到的,在火灾情况下,能在一定时间内保持玻璃的耐火完整性和隔热性。因具有透光性好、强度高、能阻挡和控制热辐射、烟雾及防止火灾火焰蔓延等特点,被大量用于各类高层建筑、大空间建筑的幕墙、防火隔墙、防火隔断、防火窗、防火门等方面。

1防火玻璃的类型

根据GB15763.1-2001《建筑用安全玻璃防火玻璃》的规定,建筑用防火玻璃可按照产品结构分类:

(1)单片防火玻璃(DFB):由单层玻璃构成,并满足相应耐火等级要求的特种玻璃。市场上常见产品有硼硅酸盐防火玻璃、铝硅酸盐防火玻璃、微晶防火玻璃、单片铯钾防火玻璃、低辐射镀膜防火玻璃等。

(2)复合防火玻璃(FFB):由2层或2层以上玻璃复合而成或由1层玻璃和有机材料复合而成,并满足相应耐火等级要求的特种玻璃。主要有复合型防火玻璃、灌注型防火玻璃、夹丝防火玻璃、中空防火玻璃等。

按照耐火性能分类:

(1)A类防火玻璃:能同时满足耐火完整性和耐火隔热性要求的玻璃,其耐火等级分为四级,即Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级,对应的耐火时间分别为90min、60min、45min、30min;

(2)B类防火玻璃:能同时满足耐火完整性和耐热辐射强度要求的玻璃,其耐火等级分为四级,即Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级,对应的耐火时间分别为90min、60min、45min、30min;

(3)C类防火玻璃:能满足耐火完整性要求的玻璃,其耐火等级可分为四级,即Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级,对应的耐火时间分别为90min、60min、45min、30min。

2不同类型防火玻璃的生产工艺及特点

2.1单片防火玻璃

2.1.1传统单片防火玻璃

按制备方法分类,单片防火玻璃可分3类:一类是通过高温熔融金属盐对玻璃进行离子交换之后进行物理钢化处理得到,一般称为物理化学钢化法,主要产品有铯钾单片防火玻璃;另一类是通过对玻璃高温加热后急冷得到,贵阳防火玻璃采用方法为纯物理钢化法,主要产品有钢化防火玻璃;第三类是通过改变玻璃原料组分,按照浮法玻璃的熔化、成形工艺生产防火玻璃,主要产品为特种防火玻璃。具体工艺如下:

(1)物理化学钢化法

其特点在于借助化学方法在玻璃表面形成一种膨胀系数比中间层低的表面低膨胀层,冷却时膨胀系数较高的中间层对膨胀系数较低的表面层产生拉伸作用,使得两者收缩不一致,表面层被置于压应力之下,中间层则产生了补偿作用的张应力,通过相互作用提高了玻璃的抗热应力性能,在此过程中存在着化学离子交换,即用大离子置换小离子,在离子交换过程中增强了玻璃的强度,还可引入物理钢化手段进一步增强玻璃强度。此法可按照工艺流程分类:

①浸渍法此法是将玻璃基片浸在高温盐浴槽内,经过8-72h离子交换后,再进行物理钢化,最后制备成防火玻璃。此技术为传统的物理化学钢化过程,技术成熟、可靠,在我国应用多年,但由于工艺问题无法生产大板面玻璃,而且此工艺污染环境。专利CN01124523.9,CN1491911A及CN1840495都涉及使用浸渍法生产单片防火玻璃,其中CN01124523.9的工艺流程。专利CN02146553.3在此基础上对传统浸渍法进行了改进,在盐浴池中引入辅助电场,加速池中离子扩散速度,缩短离子交换时间,辅助电压40-70V,交换时间虽在1-8h之间,但对整个工艺没有大的改进,且实施较困难。

②喷涂法此法是在玻璃基片上喷涂有机盐,干燥后放入钢化炉中直接钢化成防火玻璃。专利CN00118950.6,CN1378988A都涉及用喷涂法制备防火玻璃,CN00118950.6的工艺流程见图2。玻璃原片经精选、切割、磨边后,置于钢化炉中,在高温下将高浓度的K、Cs盐溶液辅以SO气体喷溅于2玻璃表面,同时钢化炉内进行超强风物理钢化。此法为国内最常采用的生产单片玻璃工艺,其优点为能耗低、产量大、成品率高,可生产大板面玻璃。缺点是设备投资大,陶瓷辊子损伤大,玻璃下表面离子交换稳定性差。专利CN021I7908.5在此基础上尝试在玻璃基片上喷涂有机盐,干燥后放入加热炉内加热,之后经物理钢化成防火玻璃,此项技术将离子交换工艺从钢化炉内转移到热处理炉内进行,这样降低了设备投资,改善了玻璃下表面的离子交换状况,但增加能耗。

③蒸汽法此法是将玻璃基片置于熔盐蒸汽中,经过0.5-3h玻璃表面上的离子交换后,化学钢化为防火玻璃。专利CN03140371.9涉及此法,工艺流程见图3。该技术过程较复杂,不宜实现工业化生产。

(2)纯物理钢化法此法是采用纯物理的超强风钢化技术,实验表明,当玻璃表面达到210MPa以上的压应力,就可抵消玻璃因受热膨胀而产生的应力,从而达到增加玻璃强度及防火的要求。此工艺技术在日本、德国等国的专利中均有介绍,我国专利CN1562839也涉及了应用纯物理钢化法制备防火玻璃,该防火玻璃耐火时间可达89min。其工艺特点是在冷却过程中,玻璃表面迅速冷却固化,内部冷却较慢,当内部继续收缩时,玻璃表面产生残余压应力,而内部为张应力。当火灾的热辐射或火焰(高温烟气)直接作用于玻璃表面时,造成玻璃表面急剧受热,由于玻璃耐热冲击性能的提高,在火灾时更能保证其完整性。因此,钢化玻璃的耐火性能要比普通玻璃好得多。目前国内多数风钢化炉尚不能满足此工艺参数的要求。

2.1.2特种单片防火玻璃

针对普通防火玻璃在火灾早期能阻挡火势蔓延但后期因高温软化变形的缺点,特种防火玻璃应运而生,此类防火玻璃的软化温度都在780℃以上,热膨胀系数小,在强火焰下一般不会因高温而炸裂或变形,使得火灾中玻璃不因软化而从门框脱落失去防火性能。主要有硼硅酸盐防火玻璃、铝硅酸盐防火玻璃、微晶防火玻璃等。

(1)硼硅酸盐防火玻璃硼硅酸盐防火玻璃的化学组成为SiO、BO、223AlO、RO等,它的热膨胀系数在0-300℃时为232-7(3-40)×10/℃,耐火极限在60-120min,因此可达到BS6206A级安全等级,在德国和欧洲各国的建筑中被广泛地应用,可以用于民用及商业建筑物的立面、隔断墙、窗户及防火门等。

(2)铝硅酸盐防火玻璃铝硅酸盐防火玻璃的化学组成为SiO、BO、223AlO、RO、CaO、MgO等,此类防火玻璃主要特征232是AlO含量高,碱含量低,该玻璃软化点在23900-920℃之间,热膨胀系数在25~300℃为36×-710/℃,耐火极限在80min以上,甚至放到火焰上加热不会炸裂或变形,可直接用作防火玻璃。

(3)微晶防火玻璃在玻璃原料中加入一定量的LiO、TiO、ZrO等222晶核剂,待熔化后再进行热处理的防火玻璃,该玻-7璃具有极低的膨胀系数,为(0±5)×10/℃以内,理论上视为零膨胀,由于热膨胀系数小,该玻璃对加热过程中所出现的温差并不十分敏感,软化点温度达900℃,耐火极限可达到240min,是一种极为理想的防火玻璃。

2.2复合防火玻璃

近年来,复合防火玻璃以优异的性能日益受到人们的青睐,其隔热和防热辐射功能可使火灾发生时玻璃背火面区域内的逃生或求援人员免遭高温热量的侵害和热辐射的灼伤,同时防止该区域内的可燃材料和物品如木制品、地毯等在一定的时间内被高温和热辐射所引燃,而属于C类防火级别的单片防火玻璃难以达到此种要求。图5是以英国Pilkington公司的复合防火玻璃产品Pyrostop和Pyrodur为例,将复合玻璃的隔热性能与普通玻璃及单片防火玻璃进行比较,由该图可见复合玻璃的防火隔热性能十分显著。 

目前市场上复合防火玻璃的夹层数最高可达8层,其安全性能更高,价格也相对昂贵。复合防火玻璃的生产方法分为夹层法(drying法)和灌浆法(castinginplace法)。

2.2.1复合型防火玻璃(干法/夹层法)

复合型防火玻璃是在2层或多层玻璃上附1层或多层水溶性无机防火胶夹层,经固化、干燥,复合而成,成品可磨边、打孔、改尺寸切割,适用于房间、走廊、通道的防火门窗及防火分区和重要部位防火隔断墙。无机防火夹层多选择硅酸钠水玻璃或锂、钾硅酸盐水玻璃的混合物,在火灾时会发泡膨胀,形成坚硬的乳白色泡状防火胶板,从而有效阻断火焰、隔绝高温和有害气体。近年来,复合型防火玻璃研究主要围绕提高夹层防火效率和改善夹层机械强度展开。美国专利US4190698通过在水玻璃溶液中添加尿素,多元醇、单糖、多糖、磷酸钠、铝酸钠、硼砂、硼酸、硅胶等物质提高夹层防火效率。中国专利WO2001/10638、WO2004/014813分别涉及加入一种含锆聚集体[M]n+[Zr(A)×(OH)y]n-和铝酸盐添加剂,欧洲专利EP0705685、EP2014740及WO2010014362都尝试将金属离子或金属有机化合物引入水玻璃夹层体系,但加入后都易导致防火玻璃雾化,降低透光性。专利US2007/0026242尝试在体系中加入适量甘油提高夹层韧性,美国专利US4,626,301及US5,766,770涉及将多元醇有机化合物引入水玻璃溶液中,能有效降低干燥后夹层的破裂几率,但有机化合物具有可燃性,会降低夹层的防火效率。

2.2.2灌注型防火玻璃(灌浆法)

灌注型防火玻璃是将2层(或3层)玻璃原片的四周以特制阻燃胶条密封,中间灌注防火胶液,经固化后形成透明胶冻状,并与玻璃黏接。灌浆法制备的防火玻璃可加工成弧形,且隔音效果极佳,适用于防火门窗、建筑天井、中庭、共享空间、计算机机房防火分区隔断墙。防火胶液可分为聚丙烯酰胺有机胶液和水玻璃无机胶液。专利EP590978涉及将丙烯酰胺凝胶用灌浆法制备防火玻璃,先将丙烯酰胺单体、金属氧化物及光引发剂引入玻璃,后进行辐照引发单体聚合;专利EP620781涉及用灌注法制造硅酸盐夹层防火玻璃,首先将硅酸盐溶液灌入密封条和玻璃组成的空腔中,之后通过升高温度加速固化。研究者对灌注型防火玻璃也进行了提高其夹层耐火效率和机械强度的研究,专利US20100129669、EP1206349和WO2004/041613都涉及在灌浆法制备的硅酸盐夹层中引入多价金属离+3+4子(如Al、Zr)改善夹层的防火性能,专利EP2192249通过添加有机黏接剂改善碱金属硅酸盐水凝胶夹层的强度,提高粘接力。

3 .单片防火玻璃与复合防火玻璃性能的综合比较

根据公安部消防产品合格评定中心网上公布的数据显示,目前国内正规防火玻璃的生产企业约有140多家。其中生产高强度单片防火玻璃的企业有90多家,生产灌浆、复合防火玻璃的企业约40多家,近年来国内厂家较多地关注单片防火玻璃耐候性好,美观、轻便等特点,却忽略了复合防火玻璃优异的隔热性能,火灾发生时能避免热辐射灼伤人体,保证背火面人员的安全逃生。单片及复合防火玻璃各有所长,需根据使用场所不同,合理选用,表1对单片防火玻璃与复合防火玻璃的性能进行了综合比较。

4结语

随着科学技术的发展,防火玻璃的应用越来越广泛,同时对其性能的要求也愈来愈高,总体来说,防火玻璃的发展趋势将体现在以下几个方面。

(1)利用降低特种防火玻璃的生产成本,让性能优异的防火玻璃在市场上最大程度的推广;

(2)单片防火玻璃和复合防火玻璃各有所长,不能相互取代,单片防火玻璃轻便、耐候性佳的特点是复合防火玻璃不能比拟的,复合防火玻璃优异的隔热性能以及抗压特性也是单片防火玻璃难以达到的,因此生产出兼具两者优点的防火玻璃将有巨大的市场潜力;

(3)开发更加绿色环保、耐候性佳、耐火性能优异的新型耐火夹层材料;

(4)贵阳防火玻璃开展防火夹层透明性降低的机理研究,为今后复合防火玻璃夹层材料的研发提供理论依据。

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