建筑用防火玻璃的表面處理技術(shù)

根據(jù)GBl5763.1-2001《建筑用安全玻璃  防火玻璃》的規(guī)定

　　1　建筑用防火玻璃按結(jié)構(gòu)分為：復(fù)合防火玻璃(FFB)和單片防火玻璃(DFB)。

　　復(fù)合防火玻璃：是由兩層或兩層以上玻璃復(fù)合而成，或由一層玻璃和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系材料復(fù)合而成，并滿足相應(yīng)耐火等級(jí)要求的特種玻璃。單片防火玻璃：是由單層玻璃構(gòu)成，并滿足相應(yīng)的耐火等級(jí)要求的特種玻璃。

　　防火玻璃按結(jié)構(gòu)型式又可分為：防火夾層玻璃、薄涂型防火玻璃、單片防火玻璃和防火夾絲玻璃。其中防火夾層玻璃按生產(chǎn)工藝特點(diǎn)又可分為復(fù)合型防火玻璃和灌注型防火玻璃。

　　2  防火玻璃的技術(shù)要求

　　建筑用防火玻璃的耐火性能是將防火玻璃直接鑲嵌在墻洞中或與框架組合好再鑲嵌在墻洞中制成構(gòu)件按GBl2513進(jìn)行耐火試驗(yàn)而得的，它包括耐火完整性、耐火隔熱性、熱輻射強(qiáng)度的測(cè)定。其中，隔熱性的測(cè)定以背火面溫度作為判據(jù)。

　　根據(jù)GBl5763.1-2001((建筑用安全玻璃  防火玻璃》的規(guī)定，建筑用防火玻璃按其耐火性能分為：A類(同時(shí)滿足耐火完整性、耐火隔熱性要求的防火玻璃)，B類(同時(shí)滿足耐火完整性、熱輻射強(qiáng)度要求的防火玻璃)，C類(滿足耐火完整性要求的防火玻璃)。這三類防火玻璃按耐火等級(jí)可分別分為I級(jí)(≥90 min)、Ⅱ級(jí)(≥60min)、Ⅲ級(jí)(≥45 min)、Ⅳ級(jí)(≥30min)。耐火完整性--指試件背火面出現(xiàn)火焰，并持續(xù)燃燒10s或10s以上；在試驗(yàn)過程中，當(dāng)試件有火焰或氣體從孔洞和其它縫隙處出現(xiàn)時(shí)，進(jìn)行棉墊著火性試驗(yàn)，棉墊被點(diǎn)燃，則表明試件失去完整性(如果試件在試驗(yàn)過程中垮塌，同樣表明試件失去完整性)。

　　耐火隔熱性--指試件背火面測(cè)溫點(diǎn)單點(diǎn)溫升180℃，平均溫升140℃。

　　熱輻射強(qiáng)度--指距試件背火面3 m處，臨界輻射熱照度達(dá)到0.42W／cm2，及距試件背火面在等于其較小尺寸(長(zhǎng)度或?qū)挾?1.2倍的距離內(nèi)，臨界輻射熱照度達(dá)到3.35 W／cm2。

　　3  防火玻璃的構(gòu)成和工作原理

　　復(fù)合型防火玻璃(或稱防火夾層玻璃)是將兩片或兩片以上的單層平板玻璃用膨脹阻燃膠結(jié)劑粘結(jié)復(fù)合在一起而制成的；其中灌注型防火玻璃是在兩片或兩片以上的單層平板玻璃的四周先用邊框條密封好，然后由灌注口灌人防火液，經(jīng)膠結(jié)、封口而制成；在室溫下和火災(zāi)發(fā)生初期，復(fù)合防火玻璃和普通平板玻璃一樣具有透光性能和裝飾性能；發(fā)生火災(zāi)后，隨著火勢(shì)的蔓延擴(kuò)大，火災(zāi)溫度升高，復(fù)合防火玻璃防火夾層受熱膨脹發(fā)泡，形成很厚的防火隔熱層，起到防火隔熱和防火分隔作用〔2〕。但復(fù)合防火玻璃一般有微小的氣泡及不耐寒、透光性差等問題，影響其使用的效果〔3〕。

　　薄涂型防火玻璃是在單層或多層平板玻璃基材表面噴涂防火透明液，干燥固化后即制成防火玻璃。薄涂型防火玻璃遇火時(shí)，防火保護(hù)層受熱膨脹，形成致密的防火保護(hù)層，保護(hù)基板玻璃，阻止火災(zāi)蔓延擴(kuò)大。

　　防火夾絲玻璃按結(jié)構(gòu)分為夾絲玻璃和防火夾絲夾層玻璃。夾絲玻璃是用壓延法生產(chǎn)的一種安全玻璃。當(dāng)玻璃液通過壓延輥之間成型時(shí)，將經(jīng)過預(yù)熱的金屬絲或金屬網(wǎng)壓于玻璃板中，即制成夾絲玻璃。防火夾絲夾層玻璃是在復(fù)合防火玻璃生產(chǎn)過程中將金屬網(wǎng)置于夾層中制成的。夾絲玻璃受到外力或在火災(zāi)中破裂時(shí)，玻璃碎片仍可固定在金屬絲或網(wǎng)上而不脫落，可防止火焰穿透，起到阻止火災(zāi)蔓延的作用。夾絲玻璃非常大的缺點(diǎn)是隔熱性能很差，發(fā)生火災(zāi)十幾分鐘背火面溫度高達(dá)400～500℃。防火夾絲夾層玻璃同時(shí)具有夾絲玻璃和防火夾層玻璃的優(yōu)點(diǎn)，有一定的推廣應(yīng)用前景。但是，我國(guó)生產(chǎn)的夾絲玻璃不透明，起不到玻璃的透光和裝飾作用，影響了它的推廣應(yīng)用。

　　單片防火玻璃是采用物理與化學(xué)方法對(duì)普通玻璃進(jìn)行處理，使其表面改性，改善玻璃的抗熱應(yīng)力性能，從而保證在火焰沖擊下或高溫下不破裂，達(dá)到阻止火焰穿透防火玻璃及傳播火災(zāi)的目的。由于單片防火玻璃的重量輕，透明度和裝飾性與普通玻璃一樣，因而在越來越多的建筑中得到應(yīng)用。但單片防火玻璃不能阻擋火焰的熱輻射，只能通過C類防火玻璃的檢驗(yàn)，當(dāng)其用做防火分隔時(shí)須考慮這一點(diǎn)。單片型防火玻璃的表面處理方法

　　4．1  防火玻璃的表面應(yīng)力

　　貝爾比層和殘余應(yīng)力；固體材料加工后，在幾微米至十幾微米的表層中可能發(fā)生籌備結(jié)構(gòu)的劇烈變化。如在金屬研磨時(shí)，由于表面不平整，接觸處實(shí)際上是點(diǎn)，其溫度可以遠(yuǎn)高于表面的平均溫度。由于作用時(shí)間短，摩擦后該區(qū)域溫度迅速冷卻下來，原子來不及回到平衡位置，造成一定程度的晶格畸變。這種畸變隨高層度而變化，在較外層約5～10nm可形成一種非晶態(tài)，其成分為金屬及其氧化物，即為貝爾比層。貝爾比層可提高材料的表面強(qiáng)度。經(jīng)表面加工處理后，材料表層形成的貝爾比層產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，材料受熱不均勻，在各部分膨脹系數(shù)不同，溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。材料受載時(shí)，內(nèi)應(yīng)力與外應(yīng)力一起發(fā)生作用。如果內(nèi)應(yīng)力與外應(yīng)力相反，就會(huì)抵消一部分外應(yīng)力，從而起到有利的作用，鋼化玻璃正是利用了這一特性。此外，鋼化玻璃表面壓應(yīng)力可使引起玻璃破裂起源的微小裂縫受到進(jìn)一步的壓縮，也提高了鋼化玻璃的機(jī)械強(qiáng)度。

　　我們知道普通玻璃的表面壓應(yīng)力一般為15～65兆帕；鋼化玻璃的表面壓應(yīng)力一般在70～180兆帕；高度防火玻璃的表面壓應(yīng)力比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)出來的鋼化玻璃高出100～150兆帕左右。這層表面壓應(yīng)力的特點(diǎn)同時(shí)具有物理鋼化形成的足夠應(yīng)力層厚度和化學(xué)鋼化形成的高表面應(yīng)力值，通過工藝控制可以使玻璃表面應(yīng)力甚至達(dá)到400兆帕，使得玻璃強(qiáng)度大大提高。

　　根據(jù)熱彈性力學(xué)可以導(dǎo)出熱應(yīng)力在面內(nèi)的變化為【4】：
   
    式中:α是膨脹系數(shù)，E是彈性模量，T0是非常大溫差值，L是玻璃板的半長(zhǎng)，X是板中點(diǎn)沿軸線任意一點(diǎn)的位置。

    所以，熱應(yīng)力是與溫差成正比例關(guān)系的。

    設(shè)強(qiáng)度分布服從Weibull分布，不同應(yīng)力水平下的破壞概率可表示為：
   

    式中：P是破壞概率，σ是應(yīng)力水平，σ0是特征強(qiáng)度，m是Weibull模數(shù)。   

    根據(jù)公式(1)和(2)可以計(jì)算出與不同溫度對(duì)應(yīng)的破壞概率。理論計(jì)算表明，當(dāng)玻璃中間與邊緣的溫差達(dá)1000℃時(shí)，高度玻璃才會(huì)因熱應(yīng)力而破壞，而這個(gè)溫度早巳超過玻璃的軟化點(diǎn)，所以理論上高度玻璃在火災(zāi)中不會(huì)因受熱沖擊而破裂，但會(huì)被燒軟后垮塌。

    試驗(yàn)也證明，平板玻璃經(jīng)鋼化強(qiáng)化后，其抗急冷急熱性大為提高，見下表1。

  理論和實(shí)驗(yàn)都說明，提高玻璃表面的壓應(yīng)力，也就提高了玻璃的耐熱沖擊性能，從而提高了其防火、耐火性能。

    4．2  提高壓應(yīng)力的物理處理方法

    普通平板玻璃，如浮法玻璃等是可以增強(qiáng)成為鋼化玻璃的。平板玻璃的熱鋼化過程，是把經(jīng)切裁、磨邊、打孔、清洗等冷加工的半成品送入鋼化爐中，加熱至鋼化溫度(650℃一700℃)，移至風(fēng)柵處吹風(fēng)急冷。冷卻過程中玻璃表面迅速冷卻固化，而內(nèi)部冷卻較慢。當(dāng)內(nèi)部繼續(xù)收縮時(shí)，使玻璃表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而內(nèi)部為張應(yīng)力。

    由于火災(zāi)的熱輻射作用或火焰(高溫?zé)煔?直接作用在玻璃表面，造成玻璃表面急劇受熱。玻璃耐熱沖擊性能的提高，意味著在火災(zāi)時(shí)更能保證其完整性。因此，鋼化玻璃的耐火性能要比普通玻璃好得多，但一般的鋼化玻璃還達(dá)不到防火玻璃的耐火性能要求。

    4．3  提高壓應(yīng)力的化學(xué)處理方法

    典型平板玻璃的化學(xué)成分為：SiO2(70％～74％)，Na20(12％～15％)，CaO(8％一10％)，MgO(1.0％一3.8％)，A1203(0.2％一1.8％)；K20(0％～0.5％)，另外可能還含有少量的Fe和S等。在玻璃表面噴涂鉀鹽溶液或銫鹽溶液，干燥后在熱處理爐內(nèi)進(jìn)行化學(xué)鋼化。其原理是通過含有高濃度的K+和Cs+，在普通玻璃的表面層置換出玻璃中的Na+，由于K+和Cs+的半徑遠(yuǎn)大于Na+的半徑(K、Cs與Na為同一主族原素)，將增加在玻璃表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力。大量雜質(zhì)的注入彌散，在高溫下可產(chǎn)生彌散相，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，使表面強(qiáng)化。

    而后對(duì)上述玻璃進(jìn)行物理鋼化，再貼上PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二酯)低輻射膜，或噴涂金屬膜、金屬氧化物膜，如ITO(氧化銦錫)低輻射膜，就形成高度度，能反射紅外線的單片鍍膜防火玻璃。

    5  結(jié)論

    復(fù)合防火玻璃雖然已得到了廣泛的應(yīng)用，但單片防火玻璃由于其重量輕、透光性和裝飾性好，在高溫下能保持透明，便于觀察火情和煙氣狀況，因而應(yīng)用越來越多。通過對(duì)普通玻璃表面的化學(xué)和物理雙重處理，提高其表面壓應(yīng)力，達(dá)到比一般鋼化玻璃更高的強(qiáng)度，能經(jīng)受住非常大溫差的熱沖擊，以達(dá)到阻擋火焰的目的。