高硼硅4.0防火玻璃的創新性能與市場應用

馮云喜，曹艷平

(鳳陽凱盛硅材料有限公司,鳳陽 233100)

防火是建筑設計中的重要考慮因素，一座建筑物的各個區域按照建筑設計規范設計防火等級，在某些區域使用的玻璃組件必須等于或高于該區域要求的防火級別，這樣才能將火焰和煙霧限制在某一區域、防止蔓延，同時也可為盡快撲滅火災提供有利條件，防火玻璃因此應運而生。高硼硅4.0防火玻璃跨越了生產技術門檻高，生產成本高的阻礙，以耐火完整性超過2 h的優越性能，成為真正的單片防火玻璃，逐漸被消費者接受。

1 防火玻璃的術語、定義及分類

1.1 耐火完整性

在標準耐火試驗條件下，玻璃構件當其一面受火時，能在一定時間內防止火焰和熱氣穿透或在背火面出現火焰的能力。

失去耐火完整性判定條件(以下任一條件時)：1)棉墊被點燃或背火面竄火達10 s以上。 2)當試件背火面出現貫通至試驗爐內的裂縫，直徑6 mm的探棒可以沿裂縫長度方向移動不小于150 mm或直徑25 mm的探棒可以穿過裂縫進入爐內。

1.2 耐火隔熱性

在標準耐火試驗條件下，玻璃構件當其一面受火時，能在一定時間內使其背火面溫度不超過規定值的能力。喪失耐火隔熱性判定條件(以下任一條件時)：1)背火面平均溫升超過140 ℃。2)背火面最高溫升超過180 ℃。

1.3 防火玻璃分類

按照性能分為C類防火玻璃和A類防火玻璃。C類防火玻璃：滿足耐火完整性要求的防火玻璃。 A類防火玻璃：同時滿足耐火完整性、耐火隔熱性要求的防火玻璃。按照結構分為復合防火玻璃和單片防火玻璃，性能和技術特點如表1所示。

表1 防火玻璃種類及技術特點

按照以上分類，高硼硅4.0防火玻璃屬于C類單片防火玻璃。

2 高硼硅4.0防火玻璃的發展

高硼硅4.0防火玻璃是在傳統3.3高硼硅玻璃的基礎上開發出來的一類適應建筑安全防火的玻璃。1993年德國肖特公司成功推出高硼硅浮法玻璃，2019年中國建材集團旗下鳳陽凱盛以全氧燃燒和電助熔及鉑金調制系統浮法工藝成功生產出大規格、高品質高硼硅4.0防火玻璃，實現了生產工藝技術和產品性能雙項重大突破，翻開了中國防火玻璃新篇章。目前高硼硅浮法玻璃有兩種生產工藝，如表2所示。

表2 高硼硅玻璃生產工藝對比

生產工藝的優化帶來了板面規格尺寸多樣化。為適用市場需求，滿足建筑防火玻璃的需要，硼硅4.0防火玻璃向大規格、大尺寸、多厚度發展。目前，硼硅4.0防火玻璃最大尺寸4 800 mm×2 440 mm已經成功下線，厚度覆蓋5 mm、6 mm、8 mm、10 mm和12 mm，應用領域廣闊。

3 高硼硅4.0防火玻璃的性能

3.1 優越的耐火性能

高硼硅4.0防火玻璃因為其由高硼氧化物組成，所以熱膨脹系數低、軟化點高，因原片所具備的這種特殊的物理性質，經深加工鋼化以后，耐火性能顯著優于其它防火玻璃。高硼硅4.0防火玻璃6 mm至12 mm防火玻璃經送檢，按照GB/T12513—2006國家規定的燒檢試驗方法，耐火時間超過120 min，甚至180 min，仍然保持耐火完整性。實際應用案例抽檢，60 min以上防火時限輕松達到，且防火性能穩定，每片都可抽檢。任意安裝不影響防火性能。

從燒檢試驗可以知道：高硼硅4.0防火玻璃在耐火試驗進行到120～180 min時，試件背火面未出現火焰，直徑6 mm的碳棒不能穿過試件，仍然保持耐火完整性。

表3中的數據表明，高硼硅4.0玻璃的熱膨脹系數低于鈉鈣硅平板玻璃一倍以上，軟化點遠遠高于鈉鈣硅平板玻璃。大于840 °C的高熔化點最大程度地保障防火玻璃結構性，防止火災狀態的脫落。

表3 高硼硅4.0玻璃與普通鈉鈣硅玻璃典型參數對比

3.2 良好的耐熱沖擊性能

實驗證明，高硼硅4.0防火玻璃耐熱沖擊性能良好，耐熱沖擊溫度>200 °C。普通玻璃耐急冷急熱能力差，所以普通單片防火玻璃不能配合水噴淋使用。只有硼硅能與水噴淋完美組合——“高硼硅+水噴淋=隔熱防火玻璃”，這一優越的防火隔熱性能受到消費者的極大青睞。

3.3 超高的化學穩定性

高硼硅4.0防火玻璃優良的化學穩定性基于其特殊的玻璃成分，可以從耐酸、耐水、耐堿性能予以分析比較。

3.3.1 耐酸、耐水性能

酸和水對玻璃的侵蝕開始于其中的H+和玻璃中的Na+離子進行交換，從而發生一系列的化學反應，最終玻璃中的硅氧骨架被破壞，玻璃被腐蝕。因此玻璃中的Na+濃度直接影響其耐酸和耐水性能。高硼硅玻璃堿性氧化物含量低，以氧化鈉(Na2O)含量計(%)：3.5～4.5，普通鈉鈣硅玻璃堿性氧化物含量，以氧化鈉(Na2O)含量計(%)：13.0～14.0。由此可見，高硼硅特種玻璃的耐酸性能和耐水性能優于普通鈉鈣硅玻璃。

3.3.2 耐堿性能

堿對玻璃的侵蝕是通過OH-離子破壞硅氧骨架(即—Si—O—Si—鍵)而產生—Si—O—群，使SiO2溶解在溶液中。玻璃受侵蝕的程度除了與OH-離子的濃度、陽離子的種類、受侵蝕的時間有關之外，玻璃的耐堿能力也是重要的影響因素。而玻璃的耐堿能力與玻璃中含有的各種R—O鍵的強度有關，高場強、高配位的陽離子提高玻璃的耐堿性能。三價硼離子(B3+)就是這樣一種高場強、高配位的陽離子，所以高硼硅玻璃中氧化硼(B2O3)的含量提高了玻璃的耐堿性能。

由圖1可以看出，以B2O3代替SiO2時，最初B3+離子位于[BO4]中，將原來的斷鍵重新連接起來，加強了網絡結構，使水溶出度下降，降低了腐蝕。但并不是B2O3含量越高越好。高硼硅4.0 防火玻璃的B2O3含量8%～10%，此含量對應的水溶出度最低，所以耐堿性能最強。

3.4 優秀的光學性能

高硼硅4.0防火玻璃配方原料純度高，低鐵，超白，高透光率，可見光透過率91%以上。正是因為高硼硅4.0防火玻璃具有超高的透過率和透明度，所以在維持建筑的通透感和美觀的同時，遇到火災仍能保證人們的視野以便于逃生和救援，這是復合防火玻璃和其它單片防火玻璃所不能匹敵的。

3.5 超輕、高強度

因為高硼硅玻璃的特殊原料配方及化學組成，所以高硼硅4.0玻璃的密度為2.3 g/cm3，普通鈉鈣硅玻璃的密度為2.5 g/cm3。因而高硼硅4.0玻璃比普通玻璃輕8%以上，作為建筑材料，可以顯著降低建筑物的自重。同時因為其特殊的硼氧化合物四面體結構，所以高硼硅4.0玻璃具有超高的機械強度。

3.6 可加工性能

防火玻璃是一種高性能的單片防火玻璃，既可以單獨使用，也可以在鋼化之前進行切割、磨邊，打孔、鍍膜等加工；還可以采用鍍膜、中空、真空、夾膠等深加工手段制成綜合性能更佳的建筑節能防火材料。

3.7 無NiS(硫化鎳)結晶，掃除自爆隱患

玻璃自爆是指鋼化玻璃在無外力直接作用的情況下發生破碎的現象。建筑用玻璃發生自爆后更換成本較高，甚至高于玻璃自身的成本，所以我國玻璃行業標準控制自爆率低于0.3%。自爆的主要原因有兩個：玻璃質量原因和安裝原因。玻璃質量原因集中表現在：玻璃中硫化鎳(NiS)雜質和異質相顆粒；玻璃中可見缺陷；玻璃表面應力值高低；玻璃應力不均。普通鈉鈣硅鋼化玻璃易自爆，應力越高越易自爆。自爆的原因是：原料配方中NiS雜質因素無法避免及其它生產工藝原因。高硼硅玻璃原料配方及生產過程實現無鎳低硫，硫的來源是原料和天然氣中的微量硫。無NiS(硫化鎳)結晶，消除了自爆隱患。且高硼硅玻璃原片生產過程中，熔化溫度高，玻璃液澄清好，更均質，所以玻璃板面平整度高，板面異相雜質極少，玻璃鋼化質量高于普通玻璃。

以上是高硼硅4.0防火玻璃7項優越的物理、化學性能，為其市場應用提供了保障。

4 高硼硅4.0防火玻璃的應用

4.1 我國防火玻璃行業監管體制與發展

防火玻璃行業屬于玻璃深加工行業，行業市場化程度較高。目前，行業主管部門為中國建筑玻璃與工業玻璃協會。2015年5月1日起《建筑設計防火規范》(GB50016—2014)正式實施，原《建筑設計防火規范》(GB50016—2006)和《高層民用建筑設計防火規范》(GB50045—95)同時廢止。新規范對各類建筑物中各部位的防火要求都有較明確的規定。相比舊版標準中僅對產品制造工藝提出基礎性規范，新標準從消防驗收角度對新竣工的商品住宅防火玻璃的使用提出強制要求，對防火隔墻的耐火極限不低于2.5 h做出了具體規定。新標準還增加了高于54 m住宅設置避難間等要求。

4.2 高硼硅4.0防火玻璃應用領域

4.2.1 高層建筑防火領域

我國每年在建建筑130多億m2，高層建筑已達62萬多棟，開通地鐵等軌道交通的城市已有40座，里程6 700多km，城市火災的防控需求和難度持續增大。據應急管理部消防救援數據統計，2019年全年共接報火災23.3萬起，死亡1 335人，傷837人，直接財產損失36.12億元，是近七年來火災起數和傷亡人數最少的一年，其中高層建筑發生火災6 974起，同比上升10.6%。建筑防火直接關系到人們的生命財產安全，根據中共中央辦公廳、國務院辦公廳《關于深化消防執法改革的意見》(廳字〔2019〕34號)、《國務院關于加強和規范事中事后監管的指導意見》(國發〔2019〕18號)等要求，2019年10月1日起，各地將陸續全面推行“雙隨機、一公開”消防監管工作，改變了之前“送檢制”、防火玻璃市場亂象叢生的現象。所以，高硼硅4.0防火玻璃在高層建筑防火領域的市場需求廣闊。目前國家重點工程應用案列有：國家環境衛星發射中心，國家圖書館等工程。

4.2.2 待開發的領域

高硼硅浮法玻璃的性能優異，應用領域的拓展有待于各個行業的開發，如航空領域、太陽能領域等。針對高硼硅4.0防火玻璃的應用開發也在抓緊開展：如北京航玻新材料技術有限公司應用于航天，江蘇鐵錨玻璃有限公司應用于機車，上海晶爾玻璃技術有限公司應用于真空等。

5 結 論

高硼硅玻璃素有“玻璃之王”的稱號，外形美觀，性能優越，生產技術及生產成本高，它的產業化是設計研發人員和生產技術人員的堅持不懈努力的結果。隨著國家消防產品監管方式的改變，以及主體法律的明確及落實，高硼硅防火玻璃必將是C類防火玻璃的發展方向，市場需求將十分巨大。