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1、玻 璃 制 备 实 验,参考书目无机非金属材料实验伍洪标 化学工业出版社，2002年无机非金属材料实验教程 葛山/尹玉成 冶金工业出版社，2008年,在科研和生产中，往往需要设计、研究或制造玻璃的新品种，或者对传统玻璃生产工艺进行某种改革。在这些情况下，为了寻找合理的玻璃成份、了解玻璃熔制过程中各种因素对玻璃产量和质量的影响、摸索合理的熔制工艺制度、提出各种数据以指导生产实践等，一般都要先在实验室设计玻璃成分，计算配料单，用小坩埚做小型熔制实验，制取玻璃样品，再对样品进行各种性能测定，判断各种性能指标是否达到预期的要求。如此反复进行，直至找到玻璃的最佳配方，满足各种性能要求为止。,实 验 目
2、的,在实验室条件下进行玻璃成分的设计、原料的选择、配料计算、配合料的制备、用小型坩埚进行玻璃的熔制、玻璃试样的成形等，完成一整套玻璃材料制备过程的基本训练；,了解熔制玻璃的设备及其测试仪器，掌握其使用方法；观察熔制温度、保温时间和助熔剂含量对熔化过程的影响；根据实验结果分析玻璃成分、熔制制度是否合理,实 验 原 理,玻璃的熔制过程是一个相当复杂的过程，它包括一系列物理的、化学的、物理化学的现象和反应。 物理过程：指配合料加热时水分的排除，某些组分的挥发，多晶转变以及单组分的熔化过程。 化学过程：指各种盐类被加热后结晶水的排除，盐类的分解，各组分间的互相反应以及硅酸盐的形成等过程。,物理化学过程
3、：包括物料的固相反应，共熔体的产生，各组分生成物的互熔，玻璃液与炉气之间、玻璃液与耐火材料之间的相互作用等过程。 由于有了这些反应和现象，由各种原料通过机械混合而成的配合料才能变成复杂的、具有一定物理化学性质的熔融玻璃液。,这些反应和现象在熔制过程中常常不是严格按照某些预定的顺序进行的，而是彼此之间有着相互密切的关系。例如，在硅酸盐形成阶段中伴随着玻璃形成过程，在澄清阶段中同样包含有玻璃液的均化。为便于学习和研究，常可根据熔制过程中的不同实质而分为硅酸盐的形成、玻璃的形成、玻璃液的澄清、玻璃液的均化、玻璃液的冷却五个阶段,硅酸盐形成主要的固相反应结束，配合料变成由硅酸盐和二氧化硅组成的不透明烧
4、结物。800900,玻璃的形成硅酸盐烧结物和二氧化硅熔融、溶解、扩散，使不透明的半熔融烧结物变为透明的玻璃液，不再含有未反应的配合料颗粒。1200 1400,澄清与均化 排除可见气泡 12001400 玻璃液粘度10PaS 消除条纹和其他不均体，使玻璃各部分在化学组成上达到预期的均匀一致,玻璃液的冷却,让玻璃液的粘度增高至成形所需的范围。通常温度降低200300。,纵观玻璃熔制的全过程，就是把合格的配合料加热熔化使之成为合乎成型要求的玻璃液。其实质就是把配合料熔制成玻璃液，把不均质的玻璃液进一步改善成均质的玻璃液，并使之冷却到成型所需要的粘度。因此，也可把玻璃熔制的全过程划分为两个阶段，即配合
5、料的熔融阶级和玻璃液的精练阶段,实 验 器 材 高温电炉一台及其附属设备(调压器一台，电流表一只，电压表一只，测温铂铑-铂热电偶一只，电位差计一台)。如图所示。,刚玉坩埚(100m1或150m1)研钵一个；料勺若干(每种原料一把)电子天平(也可用分析天平)一台坩埚钳，石棉手套 防护墨镜,浇注玻璃样品的模具 退火用马弗炉(附控温仪表) 化工原料： 石英砂(SiO2) 纯碱(Na2CO3) 碳酸钙(CaCO3 ) 碳酸镁(MgCO3) 氢氧化铝A1(OH)3等,实 验 步 骤,(一) 玻璃成分的设计 首先，要确定玻璃的物理化学性质及工艺性能，并依此选择能形成玻璃的氧化物系统，确定决定玻璃主要性质的
6、氧化物，然后确定各氧化物的含量。玻璃系统一般为三组分或四组分，其主要氧化物的总量往往要达到90(质量)。,表1 氧化物的作用,其次，为了改善玻璃某些性能还要适当加入一些既不使玻璃的主要性质变坏而同时使玻璃具有其他必要性质的氧化物。因此，大部分工业玻璃都是五六个组分以上。,相图和玻璃形成区域图可作为确定玻璃成分的依据或参考。在应用相图时，如果查阅三元相图，为使玻璃有较小的析晶倾向，或使玻璃的熔制温度降低，成分上就应当趋向于取多组分，应选取的成分应尽量接近相图的共熔点或相界线。在应用玻璃形成区域图时，应当选择离开析晶区与玻璃形成区分界线较远的组成点，使成分具有较低的析晶倾向。,为使设计的玻璃成分能
7、在工艺实践中实施，即能进行熔制、成型等工序，必须要加入一定量的促进熔制，调整料性的氧化物。这些氧化物用量不多，但工艺上却不可少。同时还要考虑选用适当的澄清剂。在制造有色玻璃时，还须考虑基础玻璃对着色的影响。,表2 Na2OCaOSiO2系统易熔玻璃配方,(二)熔制温度的估计 玻璃成分确定后，为了选择合适的高温炉和便于观察熔制现象。应当估计一下熔制温度。 对于玻璃形成到砂粒消失这一阶段的熔制温度，可按M.Volf提出的熔化速度常数公式进行估算,表3 熔化速度常数与熔化温度的关系,根据计算得到的值查表，得玻璃的熔化为1300。,以上得到的这个温度只是玻璃形成的温度，为了得到符合要求的玻璃液，必须提
8、高温度，以使玻璃液能够更好地排除气泡和均化。为此，必须考虑电炉升温速度、在什么温度保温、保温时间多长等问题。1. 900 保温30分钟(以46/分钟的升温速度升温）2. 1200 保温60分钟3. 1400 保温120分钟,(三)玻璃原料的选择 在玻璃生产中选择原料是一件重要的工作，不同玻璃制品对原料的要求不尽相同，但有些共同原则。 原料质量应符合技术要求，原科的品位高、化学成分稳定、水分稳定、颗粒组成均匀、着色矿物(主要是Fe2O3)和难熔矿物(主要是铬铁矿物)要少，便于调整玻璃成分。 适于熔化和澄清。 对耐火材料的侵蚀小。,玻璃熔制实验所需的原料一般分为工业矿物原料和化工原料。在研制一种新
9、玻璃品种时，为了排除原料中的杂质对玻璃成分被动的影响，尽快找到合适的配方，一般都采用化工原料(化学纯或分析纯)来做实验。本实验选用化工原料。,当实验室研究完成，用化工原料熔制出的新型玻璃已满足各种性能要求时，就要考虑进入中试和工业性实验。为了适应工业性生产的需要，需采用工业矿物原料进行熔制实验，以观察带入杂质以后对玻璃有何影响，为正式投产提供第一手资料。,(四)配料计算 工厂使用配方的计算 为了降低成本，工厂大量采用矿物原料来制造玻璃。由于矿物原料含有较多杂质，成分复杂，需要进行复杂的调整才能配出符合玻璃成分要求的配合料，因此配料计算的难度较大。,玻璃配合料的计算,配合料的计算根据玻璃组成的质
10、量分数（%）和原料的化学成分来计算得到。下面以实例说明配合料的计算过程。玻璃组成：70.5%SiO2, 5%Al2O3, 2%B2O3, 3.8%CaO, 2.0%ZnO， 12.5% Na2O,玻璃配合料的计算,选用石英粉引入SiO2、长石引入Al2O3、硼砂引入B2O3、方解石引入CaO、氧化锌引入ZnO、纯碱引入R2O(Na2O+K2O)，采用白砒与硝酸钠为澄清剂，萤石为助熔剂。,表4 原料的化学组成,玻璃配合料的计算,设原料均为干燥状态，计算时不考虑其水分的问题,。计算石英粉与长石的用量。设熔制100kg玻璃需要石英粉xkg, 长石粉ykg. 按照玻璃组成中SiO2和Al2O3的含量可
11、以列出：,0.9989x + 0.6906y=70.50.0018x + 0.1804y=5,x=52.6 kgy=27.2 kg,2 计算由石英引入Fe2O3的量： =52.60.0001=0.00526 kg,3 计算由长石英引入R2O, CaO和Fe2O3的量。 NaO: 27.20.1480 = 4.03 kg CaO: 27.20.0083 = 0.226 kg Fe2O3: 27.20.0024 = 0.054 kg,4。计算硼砂的量。 根据硼砂的化学成分和玻璃中B2O3的含量，则硼砂用量 0.062100/0.3621=17.12 kg 同时引入Na2O的量： 17.120.16
12、45 = 2.817 kg,玻璃配合料的计算,5。计算纯碱的用量。 扣除由长石和硼砂引入的Na2O的量，尚需引入Na2O的量 12.5-4.03-2.817=5.653 kg 故，同纯碱的用量： 5.653100/57.8 = 9.78 kg,玻璃配合料的计算,6 计算方解石的用量 扣除由长石引入的CaO的量，尚需引入CaO的量 3.8-0.226 = 3.574 kg 故，同方解石的用量： 3.574100/55.78 = 6.41 kg,玻璃配合料的计算,7 计算氧化锌的用量 2.0100/99.80 = 2.01 kg,根据得到熔制100kg玻璃各原料的用量为 (kg)： 石英粉：52.
13、6 纯碱： 9.78 长石粉：27.2 方解石：6.41 硼砂： 17.1 氧化锌：2.01 总合计：115.10 kg,玻璃配合料的计算,7 计算辅助原料及挥发损失的补充 A 白砒作澄清剂为配合料的0.2%, 则白砒的用量： 115 x 0.002 = 0.23 kg B 白砒常与硝酸钠共用，设硝酸钠的用量为白砒的6倍，则硝酸钠的用量为： 0.23x6 = 1.38 kg,玻璃配合料的计算,C 由硝酸钠引入的Na2O为 1.38x0.3635 = 0.502 kg， 则相应地应减去纯碱用量为 0.502x100/57.8 = 0.87 kg 即纯碱的用量为 9.780.87 = 8.91 k
14、g,玻璃配合料的计算,D 用萤石为助熔剂，大致为配料的1.03% 故萤石用量为： 115.10 x 0.0103 = 1.18 kg 由萤石引入的CaO为 1.18 x 0.684 = 0.8 kg 则相应地应减去方解石用量为 0.80 x 100 / 55.78 = 1.45 kg 即方解石的用量为 6.411.45 = 4.96 kg,E 考虑Na2O、B2O3的挥发， （一般分别为3.2%、 12%） 应补充B2O3为: 6.2x0.12=0.74 还需加硼砂 0.74x100/36.21=2.04 kg 2.04kg硼砂引入Na2O为： 2.04x0.1645=0.34 kg 应补充Na2O为: （12.5x0.032-0.34）x100/57.8 = 0.1 kg 即纯碱的实际用量为：8.91+0.1=9.01 kg 硼砂的实际用量为：17.1+2.04 = 19.14 kg,得到：熔制100kg玻璃各原料的实际用量为(kg)： 石英粉：52.6 纯碱： 9.01 长石粉：27.2 方解石：4.96 硼砂： 19.14 氧化锌：2.01 硝酸钠：1.38 白砒： 0.23 总合计：117.71 kg,
