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1、玻璃工艺学,叶巧明教授,第六章 玻璃用原料与配料,3,一、主要原料,主要原料：往玻璃中引入组成氧化物的原料。 特点：用量多，并决定了玻璃的基本性质。 分类： 按氧化物的性质分：酸性氧化物原料、碱性氧化物原料、碱土金属和二价金属氧化物原料、多价元素氧化物原料 按氧化物在结构中的作用分：玻璃形成体氧化物原料、中间体氧化物原料、网络外体氧化物原料。 按来源分：矿物原料、化工原料,矿物特征：石英砂又称硅砂，是石英岩、长石等受水、碳酸酐以及温度变化等作用，逐渐分解风化由水流冲击沉积而成。 质地纯净的为白色，一般硅砂因含有铁的氧化物和有机质，故多呈淡黄色、浅灰色或红褐色。 化学成分：SiO2是主要有用成分
2、，并含有少量Al2O3、k2O、Fe2O3等杂质，Fe2O3、Cr2O3、TiO2是有害成分。 高质量的石英砂含SiO2应在99.0%99.9%以上,（一）SiO2原料,1石英砂,作用：玻璃形成体氧化物，以SiO4存在，是玻璃结构的骨架。 原料：主要有石英砂、砂岩、石英岩、脉石英,颗粒组成： 颗粒过大，熔化困难； 颗粒过小，易飞扬，且一般粒度越小，杂质含量越高 玻璃用硅砂的颗粒直径： 在0.15-0.80mm之间，其中0.25-0.50mm的应不少于90%，0.10mm以下的不超过5%。 矿物组成： 伴生矿物有长石、高岭石、白云石（无害）； 也可能有赤铁矿、钛铁矿（可着色）及铬铁矿等重矿物（熔
3、点高）。,矿物特征 是石英砂颗粒和粘性物质在高压下胶结而成的一种碎屑沉积岩。根据胶结物不同分硅质砂岩、粘土质砂岩、长石质砂岩、钙质砂岩。外观多呈淡黄色、淡红色，铁染现象严重的呈红色。 化学成分：砂岩化学成分与胶结物的性质和含量有关，二氧化硅（硅胶）胶结的砂岩SiO2纯度高，粘土质砂岩中Al2O3含量较高。 化学成分质量要求：SiO2：98%，Fe2O30.2% 特性：硬度高，接近于莫氏硬度七级。 因此开采成本比石英砂高，且破碎加工过程中机械掺铁高。,2砂岩,矿物特征：是砂岩的变质岩，是硅质砂岩经变质作用使石英颗粒彼此紧密结合，再结晶的岩石。 特性：硬度大（比砂岩大），不易粉碎。 化学成分：氧化
4、硅含量高，杂质含量低。 应用：无色玻璃,3石英岩,4脉石英,矿物特征：脉石英属火成岩。外观一般为纯色，半透明，呈油脂光泽，断口呈贝壳状。无色透明的称为水晶。脉石英有明显的结晶面。 化学成分：主要成分是孪生的石英结晶体。 应用：石英玻璃,作用与性质：结构、硼氧反常、助熔、料性、挥发 应用：耐热玻璃、医药玻璃、化学仪器玻璃、温度计玻璃等； 原料：硼酸和硼砂（化工原料）、含硼矿物；,（二）B2O3原料,1. 硼酸（H3BO3）,性状：硼酸（H3BO3），相对分子质量为61.82，相对密度1.44。是白色鳞片状三斜结晶，具有特殊光泽，触之有脂肪感觉，易溶于水。,加热反应： 加热至100：部分失水分解变
5、为偏硼酸（HBO2） 140160：转变为四硼酸（H2B4O7）； 继续加热：熔融的B2O3。 挥发： 自重的515% 影响挥发因素：玻璃组成、熔制温度、熔制时间、熔制气氛、水分含量等。 要求成分： H3BO399%，Fe2O30.01%、SO42-0.2%,十水硼砂（Na2B4O710H2O） 五水硼砂（Na2B4O75H2O） 性状：色白、菱形结晶、易溶，易失水 挥发：与硼酸相当，为自重的515% 质量要求：B2O335% Fe2O384%、 1mm以上3% 无水硼砂（Na2O2B2O3） 性状：无色、玻璃状小块 挥发：比硼酸和含水硼砂少,2. 硼砂,含水硼砂,性状：无色晶状粉末，无味，表
6、面有油腻感，易吸水生成硼酸。 质量要求：B2O395.00%、SO42-0.07%、Al2O30.1% 、Cl-0.1%、水不溶物0.2%、粒度（180m）通过85% 应用：助熔剂、半导体材料的掺杂剂等,3. 硼酐（B2O3）,4. 含硼矿物,主要有 硼镁石（2MgOB2O3H2O)、 钠硼解石（2NaCaB5O98H2O)、 硅钙硼石（Ca2B2(SiO4)2(OH)2等,性质和作用：补网、提高粘度、抑制析晶 原料：长石、高岭土、叶蜡石、氧化铝和氢氧化铝等,（三）Al2O3原料,1长石,性状 ：钾长石( 淡红) 、钠长石(白) 、钙长石(白)，解理面明显。 能引入碱，从而减少纯碱用量，易熔化
7、。 质量要求：Al2O316%、 Fe2O312%,性状：主要矿物组成是高岭土，色白、易碎、含铁杂质和有机物时呈黑色或灰色。 应用：陶瓷、高铝玻璃、乳浊玻璃 质量要求： Al2O330%、 Fe2O30.4%,2瓷土,3蜡石,性状：是一种水化硅酸铝，主要矿物组成是叶蜡石，含石英和高岭土。色白、易碎、含铁杂质和有机物时呈黑色或灰色。 应用：乳浊玻璃、玻璃纤维等 质量要求： Al2O325%、SiO270% 、Fe2O30.4%,为化工产品 性状：白色结晶粉末，氧化铝熔点高，氢氧化铝较易熔但易溢料（需加氟化物） 应用：多用于高性能玻璃。 质量要求： 氧化铝：Al2O396%、 Fe2O360%、
8、Fe2O30.05%,4氧化铝和氢氧化铝,性质与作用：网络结构、化稳性较差，透紫外性好 应用：光学玻璃、透紫外玻璃、生物玻璃（如CaO-MgO-SiO2-P2O5 系统微晶玻璃）等 原料： 磷酸铝、磷酸二氢铵、磷酸钙等,（四）P2O5原料,性质和作用：网络外体、助熔、降低粘度 应用：一般玻璃中引入量不超过18% 原料：纯碱、芒硝、硝酸钠、氢氧化钠、,（五）Na2O原料,1纯碱（NaCO3),一般用煅烧纯碱，可分为轻质碱和重质碱 性状：白色粉末、易溶、极易吸水潮解和结块。 挥发：Na2O在熔化过程中容易挥发，约为本身重量的0.5-3.2%，配料计算时应考虑。,轻质碱 ：密度小，假密度为：0.65
9、g/cm3；白色粉细、易飞扬、分层；碱尘污染大；对耐火材料侵蚀大 假密度质量/假体积（物质体积+闭口气孔体积) 重质碱：密度大，假密度为：1.50g/cm3；白色颗粒粗、表面致密、易均化、不易分层；热效率高、对耐火材料侵蚀小。 质量要求：Na2CO398%、 NaCl1%、 Na2SO40.1%、Fe2O30.1% 天然碱：是干涸碱湖的沉积盐，可作为纯碱的代用原料。但天然碱成分不稳定,常含有黄土、氯化钠、硫酸盐等杂质，侵蚀性较大。,分类：有无水芒硝和含水芒硝（Na2SO410H2O）两类。 应用：芒硝不仅可以代碱，还是常用的澄清剂。 性状：无水芒硝（白色或浅绿结晶），助熔性好，熔化温度884
10、，沸点1430 ，分解温度高（1120-1220 ），需要加入本身重量的4%的还原剂（主要为碳粉、煤粉等），能吸收水分。 挥发：Na2O挥发约6%（纯碱的两倍左右） 质量要求：Na2SO4 85%、CaSO4 4%、 NaCl2%、Fe2O30.3%、H2O5%,与纯碱比较，使用芒硝有如下缺点： 分解和反应温度高，热耗大； 易侵蚀耐火材料并产生芒硝泡； 需使用还原剂，且用量过多时，Fe2O3被还原成FeS而使玻璃着成棕色； 注意：为保证芒硝能以较低的温度分解在熔化前期，芒硝未完全分解之前，须保持还原气氛；在熔化后期，为防止硫酸盐被还原而生成硫化物并与铁的硫化物生成着色物质，须保持氧化气氛。 纯
11、碱和芒硝的理论Na2O含量分别为58.53%和43.7%，即芒硝中有效Na2O含量较低。 因此，使用纯碱引人Na2O较芒硝为好。但由于芒硝具有澄清作用，因而生产中经常将23的芒硝与纯碱联合使用。,白色结晶固体，极易吸水潮解，可溶，有腐蚀性；可配成溶液加入中充当配合料粒化时的粘结剂或润湿配合料。,4氢氧化钠（NaOH),3硝酸钠（NaNO3),无色或淡黄色六角形结晶，能吸湿潮解，可溶；可作氧化剂（如用于铅玻璃）；脱色剂；与白砒共同使用可起到澄清作用；代替部分碳酸钠提高气体率；侵蚀性较大 质量要求：NaNO3 98%、 NaCl1%、Fe2O30.01%,性质和作用：网络外体、降低析晶倾向，提高透
12、明度和光泽，降低表面张力（氧化钠不能），双碱效应； 应用：高级器皿玻璃、晶质玻璃、光学玻璃等 原料： 碳酸钾： 性状：白色结晶粉末、极易吸湿潮解； 挥发：以K2O自重的12%计 质量要求：K2CO396%，Na2O98%、KCl1%、Fe2O30.01%,（六）K2O原料,性质和作用：网络外体、断网并强烈助熔（桥氧多时），积聚（非桥氧多时），少量引入时降低析晶能力，过多则增加析晶能力； 应用：在电气玻璃、微晶玻璃含量约为3-4%，一般玻璃中可引入0.1-0.5%. 原料：碳酸锂、含锂矿物。 碳酸锂：无色或白色结晶，较纯净，价高。 含锂矿物： 锂云母：淡紫色、灰色、白色的宽片和小鳞片组成；易溶，
13、含铁量低，是较好原料。 锂辉石（Li2O Al2O3 4SiO2)：白色或淡绿色菱形晶体，较难熔。,（七）Li2O原料,性质和作用：网络外体，增加化学稳定性、机械强度，缩短料性（高温时极化桥氧，削弱Si-O键，降低玻璃粘度，低温时相反，增大粘度，类似Li，B），有积聚作用，过多引入容易析出硅灰石晶体（CaOSiO2)，玻璃发脆。 应用：氧化钙是常用氧化物，一般玻璃中引入量不超过12.5%， 容易分相的玻璃中少用或不用 。 原料：方解石、石灰石、白垩、工业碳酸钙等 钙原料质量要求：CaO 50%，Fe2O30.15%,（八）CaO原料,方解石 性状：白色（或淡黄、灰色、浅红）岩石，纯度比石灰石高
14、。 应用：适于成分要求高的玻璃；透明结晶体为冰洲石，用于光学玻璃； 石灰石 性状：为粗粒方解石的石灰岩，多为灰色，淡黄或淡红色，很少白色（视含铁量不同）常含石英、粘土、氧化铁等杂质。 白垩 性状：白色，含有水分，须经烘干处理，其它杂质较少。 工业碳酸钙 性状：白色，纯度高（含量在98%以上）， 应用：高级器皿玻璃、光学玻璃等。,，,性质和作用：配位数6或4但属网络外体，部分取代CaO时，料性加长、密度降低、硬度减小（形成MgO4进入网络）、易脱片，降低析晶倾向； 应用：保温瓶玻璃中少用或不用，一般玻璃中不超过3.5%。 原料：白云石（苦灰石）、菱镁矿（菱苦石，略） 白云石（CaCO3MgCO3
15、)： 性状：蓝白色或淡灰色，伴生矿有石英、方解石、黄铁矿等，能吸水；同时引入CaO和MgO 。 质量要求： MgO 20% ，CaO32%，Fe2O30.15% 菱镁矿 性状：灰白色、淡经色或肉红色。 当白云石引入MgO量不足时，才使用菱镁矿。,（九）MgO原料,性质和作用：网络外体，增加折射率、密度、化稳性，吸收辐射能力强（Pb、Cd、Cr类似），有毒；少量时助熔，过多时会使澄清困难及产生二次气泡。 应用：高级器皿玻璃、化学仪器玻璃、防辐射玻璃，显象管玻璃、瓶罐玻璃等 原料：硫酸钡和碳酸钡 硫酸钡（重晶石）： 性状：白色晶体，分解温度高（可加还原剂），可做澄清剂，其加入BaO量一般不超过5%
16、，其余用碳酸钡加入。天然重晶石中石英、铁、粘土较多，不用于高质量玻璃。 质量要求：BaSO495%、 SiO21.5 %、 Fe2O3 0.5%,（十）BaO原料,碳酸钡（毒重石）： 性状:天然的为黄色或绿色，杂质多，常用工业碳酸钡 质量要求:BaCO397%、Fe2O3 0.1%、酸不溶物3%,（十一）ZnO原料,性质和作用：网络中间体，适当引入降低膨胀系数、提高化稳性和热稳性，提高玻璃表面光滑度；最大特点是提高玻璃的折射率、防止硒挥发（用量可达13-15%,与硒生成胶体，用于红宝石玻璃）。一般玻璃中不超过5-6%，过多易析晶。 应用：光学玻璃、药用玻璃、温度计玻璃、高级器皿玻璃、微晶玻璃、低熔点玻璃、乳白玻璃、硒红玻璃等,原料：氧化锌（锌白）和菱锌矿 氧化锌（锌白） 性状：白色粉末，较细、容易结块、配合料不易均匀。 质量要求：ZnO96%，水溶性盐1.5%，水分0.1%，酸不溶物0.25% 菱锌
