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國產(chǎn)防火玻璃“火”了

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

“幾次高層建筑大火觸目驚心，也給中國的建筑安全敲響了警鐘。”正如中國建筑材料科學研究總院玻璃科學研究院院長左巖所說，頻繁發(fā)生的大火，引發(fā)了全社會對高層建筑防火設(shè)施的拷問。2015年，國家出臺《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，對耐火窗等防火設(shè)備作出了強制規(guī)定。

在災(zāi)難發(fā)生時，如果有更好的防火玻璃，是否人們就能多一點獲救的希望？這個問題，一直敲打著中國建材總院玻璃院的科研團隊。他們歷時三年蟄伏，終于啃下了這塊“硬骨頭”，打破了國外廠商對該領(lǐng)域高端市場的壟斷，做出了具有國際競爭力的復(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，且具有自爆風險，可能帶來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，更受市場歡迎。

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

復(fù)合防火玻璃技術(shù)的核心是兩層玻璃之間的無機防火液，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)化學穩(wěn)定性差，在使用過程中會出現(xiàn)透過率下降、氣泡、流膠等缺陷，影響玻璃外觀質(zhì)量和對火場狀況的判斷。

那么，將鉀水玻璃的模數(shù)增加，就能解決這些問題嗎？中國建材總院玻璃院高級工程師穆元春告訴《中國科學報》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，在防火玻璃制備過程中會產(chǎn)生大量微泡，降低外觀質(zhì)量，無法直接作為防火層基材使用?！?/span>

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

在充分了解到行業(yè)的痛點后，從2012年開始，穆元春團隊走上了復(fù)合式無機防火玻璃的研發(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。

“國外是用專門的大型精密設(shè)備來生產(chǎn)，但進口這樣一整套設(shè)備，需要花費上千萬歐元?！蹦略撼姓J，為了節(jié)省經(jīng)費，最初他們的實驗都是“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，有一點誤差，防火液就無法均勻平鋪。整個團隊在實驗室里蹲了一個星期，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、印痕等問題。由于國外廠家對核心技術(shù)的封鎖，團隊很長時間都找不到突破點，走了很多彎路。

直到2015年夏天，事情才出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機。在與客戶的交流中，對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和低模數(shù)防火液的缺點了嗎？

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，黏度過大，無法成型。

攻關(guān)再次陷入僵局。這時，穆元春想到了自己讀博士期間做過的涂料實驗，他曾經(jīng)通過粒子設(shè)計，解決了涂料成膜性的問題。“簡單來說，這種方法就是用一層物質(zhì)把二氧化硅顆粒給包裹起來，這樣二氧化硅顆粒就不會彼此團聚在一起，而是均勻地分散開?！?/span>

同時要求低黏度和高固含量，這幾乎是一項不可能完成的任務(wù)。左巖承認，當初穆元春提出這個想法時，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，一點面疙瘩都不能有?！?/span>

他拿著這個方案咨詢了一圈玻璃深加工領(lǐng)域的專家，大家都說不可能。

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

科研團隊對二氧化硅的粒徑、比表面積、功能單體的組成等因素進行了優(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，穆元春團隊“四兩撥千斤”，研發(fā)出了超薄型復(fù)合式無機防火玻璃。他們成功研制出了滿足國家A類標準、C類標準要求的各種規(guī)格尺寸產(chǎn)品，順利通過第三方檢測機構(gòu)耐火極限試驗檢驗；在知識產(chǎn)權(quán)方面共申請了十余項專利（包括PCT國際專利1項），獲授權(quán)3件發(fā)明專利、2項實用新型專利。

成長中的“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、價格僅為國外產(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)，很快受到了市場的青睞。

2017年5月，中國建材總院攜新研發(fā)的不同規(guī)格新型復(fù)合式無機防火玻璃參加第28屆中國國際玻璃工業(yè)技術(shù)展覽會，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，受到國內(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)并實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化，目前中國建材總院已和國內(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，并指導復(fù)合防火玻璃的工業(yè)化生產(chǎn)，計劃年產(chǎn)耐火窗用復(fù)合防火玻璃100萬平方米，帶動相關(guān)玻璃門窗行業(yè)的產(chǎn)值超過15億元，成為化解當?shù)夭Ａ罴庸ぎa(chǎn)業(yè)“高能耗、低附加值”等弊端的利器。

作為中國成立時間最早、承擔型號最多、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)造了一個又一個“中國第一”，被譽為“中國航空玻璃的搖籃”。近年來，玻璃院實施軍民結(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。

“我們是國家的研究院，國家急需的就是我們要做的?！弊髱r說，“我們的研究團隊會緊跟科技最前沿，在產(chǎn)學研一體化的道路上砥礪前行?！?/span>

目前，中國建材總院玻璃院已承擔了“十三五”國家重點研發(fā)計劃“智能玻璃與高安全功能玻璃關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)”項目，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)標準，醞釀成立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，推動中國防火玻璃行業(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。借助穆元春團隊的創(chuàng)新科技，中國建材總院在復(fù)合防火玻璃領(lǐng)域成功實現(xiàn)了“逆襲”，不但正在成長為該領(lǐng)域的“隱形冠軍”，更為中國在這一關(guān)系到人民生命財產(chǎn)安全的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域贏得了一席之地，真正讓中國防火玻璃“火”了起來。

《中國科學報》 (2017-08-24 第5版 技術(shù)經(jīng)濟周刊)