走夜路不怕错过路标全靠高折射玻璃微珠詹航

走夜路不怕错过路标，全靠“高折射玻璃微珠”

“玻璃”是我们日常生活中最为熟悉的无机材料之一，它以形形色色的形态为我们提供了许多便利，有些你甚至都想不到居然会是玻璃。比如说道路上的斑马线、夜间行驶的反光装置，就与一种名为“高折射率玻璃微珠”的新型玻璃材料息息相关。

即使在没有路灯的情况下，路标线也可以通过反射车头灯的光线来“彰显存在感”

这种看似“平平无奇”的材料，极大地增强了道路及路标的折射率，让人们在夜间行驶时不用再担心看不见斑马线或是错过路标，为公路行驶安全做出了巨大贡献为什么高折射率玻璃微珠会拥有这样的能力，具体它又是怎么发挥出来的，下面便来一起了解一下。

1、什么是“高折射率玻璃微珠”？

首先，玻璃微珠是一种近年来发展比较迅速且用途广泛的硅酸盐材料，凭借其球形形状和材料特性为工业生产提供了许多独特的强化功能。其次，根据折射率的不同，玻璃微珠可分为：低折射率玻璃微珠；准高折射率玻璃微珠和高折射率玻璃微珠。由于后者具有很好的回归反射性能，因此是近年来研究及应用上的一个热点。

玻璃微珠

比如说上文中所提及的道路标线和交通标志，它们之所以能反光，主要归功于覆盖在上面的逆反射材料，而高折射率玻璃珠正是逆反射材料中实现逆向反射功能的主要光学元件。利用玻璃微珠较高的折射率，它在接受入射光后，可基本上按与入射光平行而相逆的方向返回大部分光能，因此又叫回归式反光材料，其反光原理如图所示。

左：玻璃微珠的回归反射路线 右：逆反射材料的反光原理示意图

目前，逆反射材料常用作安全指示标志被大量应用于道路安全设施和各种防护装备，如反光交通标志、反光道路标线、反光车身识别、故障车警告标志、能见度高警示服、反光雨衣、反光警示带等，在晚上给司机起到警示作用，避免或减少事故的发生。随着政府对安全工作力度的加大和人们安全意识的提高，逆反射材料的应用已不仅限于道路交通，在矿山、消防、抢险、救援、环卫、市政、建筑等行业也已经广泛使用。具有反光性能的回归式反光材料，不需要外加电源就可以起到良好的指示作用，因此也是一种重要的节能材料。

2、高折射玻璃微珠的成分

当玻璃陶瓷微珠的折射率达到1.93时，光源照射透光玻璃或陶瓷，微珠内部的光线焦点落在球体的内表面，此时玻璃陶瓷微珠得到最好的回归反射特性，这就要求制备的玻璃陶瓷微珠为透明微珠且折射率为1.9左右。不过由于工业制备的玻璃陶瓷微珠引入高折射率的氧化物容易引起析晶，造成玻璃陶瓷的失透，所以制备的玻璃陶瓷微珠一般为非严格透明的微晶玻璃，折射率大于1.9时或在2.0以上时也同样有较好的回归反射性能。

为了获得折射率1.9以上的玻璃，就需引入折射率加和性系数1.9以上的氧化物，如PbO、Bi2O3、TiO2、ZrO2以及稀土氧化物LaO3、NdOs等。由于Pb有毒，不符合环保要求，在工业生产中普遍不被采用，Bi2O3以及稀土氧化物价格昂贵，并且形成玻璃的范围较窄，工业生产中应用较少，而TiO2作为玻璃网络中间体氧化物，配位数可变，当有网络外体存在提供足够“游离”时氧可成为[TiO4]四面体而进入网络，使玻璃更趋稳定，当玻璃系统中存在BaO、ZrO2时，可促进TiO2转变为[TiO4]四面体。因此国内外普遍采用TiO2、BaO、ZrO2作为提高玻璃陶瓷微珠折射率的氧化物引入。

此外，有研究证明在以TiO2-SiO2-BaO为基础成分时，加入R2O、CaO、ZrO2可得到高折射率、低色散、低密度的光学玻璃。Al2O3的引入可大大降低玻璃的析晶性能，提高强度，无碱硅酸盐玻璃SiO2-Al2O3-CaO-MgO中不含R2O或R2O<2%时，具有很高的化学稳定性、强度。因此国内外高折射率玻璃微珠的成分中往往引入Al、Ca、Mg等元素以提高玻璃的化学稳定性及热力学稳定性，降低析晶性，提高玻璃或微晶玻璃的强度及硬度。

3、高折射玻璃微珠的制备工艺

目前，高折射率玻璃微珠的传统制备方法可分成熔液法和粉末法两大类。熔液法是以传统的玻璃熔制工艺为基础，将玻璃原料研磨混合均匀，高温下熔融玻璃原料得到玻璃液，然后将玻璃液分散成玻漓液滴，液滴在表面张力的作用下形成微珠，在空气或水中快速淬火得到固体微珠。粉末法则是将筛分好的满足粒度要求的碎玻璃粉加入喷烧器或高温炉中热处理成珠。

不过现在除了传统的玻璃制备方法外，比较流行的是利用合成玻璃、陶瓷的新工艺——溶胶凝胶法来制造高折射率玻璃微珠。溶胶-凝胶法制备微珠可分为以下几个步骤：

①选择各组分的活性化合物，并溶解于醇溶液中进行充分的混合并加入足量水，使得各个组分发生络合、水解、缩聚反应，得到均匀透明溶胶。

②将亲水性的溶胶滴加到憎水性的油相中，形成“O/W”型液滴结构。同时为了使溶胶分散成均匀的液滴，需要加入非离子型乳化剂在溶胶微珠表面形成保护层，避免微珠变形或者粘连。当溶胶在油相中分散成均匀的微珠，同时对其进行水浴加热，加快凝胶。

③将沉积在油相底部的凝胶微珠取出，经过陈化、滤去油相、使用有机溶剂反复洗涤、干燥、烧结后就可以得到所需的玻璃微珠。

使用溶胶凝胶法制备的玻璃微珠SEM图

显然，与传统工艺相比，溶胶凝胶法具备很多优势，如产品纯度高、性能优良、耗能少、工艺过程简单易控等。若能大范围进行推广，对于降低玻璃微珠生产成本及提高品质将具有重要意义。

资料来源：

高折射率玻璃微珠的制备及性能研究，张怡。

高折射玻璃微珠的溶胶-凝胶法制备研究，黄希风。

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