1、玻 璃 制 備 實(shí) 驗(yàn),參考書(shū)目 無(wú)機(jī)非金屬材料實(shí)驗(yàn)伍洪標(biāo) 化學(xué)工業(yè)出版社，2002年 無(wú)機(jī)非金屬材料實(shí)驗(yàn)教程 葛山/尹玉成 冶金工業(yè)出版社，2008年,在科研和生產(chǎn)中，往往需要設(shè)計(jì)、研究或制造玻璃的新品種，或者對(duì)傳統(tǒng)玻璃生產(chǎn)工藝進(jìn)行某種改革。在這些情況下，為了尋找合理的玻璃成份、了解玻璃熔制過(guò)程中各種因素對(duì)玻璃產(chǎn)量和質(zhì)量的影響、摸索合理的熔制工藝制度、提出各種數(shù)據(jù)以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐等，一般都要先在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)玻璃成分，計(jì)算配料單，用小坩堝做小型熔制實(shí)驗(yàn)，制取玻璃樣品，再對(duì)樣品進(jìn)行各種性能測(cè)定，判斷各種性能指標(biāo)是否達(dá)到預(yù)期的要求。如此反復(fù)進(jìn)行，直至找到玻璃的最佳配方，滿足各種性能要求為止。,實(shí) 驗(yàn)

2、目 的,在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行玻璃成分的設(shè)計(jì)、原料的選擇、配料計(jì)算、配合料的制備、用小型坩堝進(jìn)行玻璃的熔制、玻璃試樣的成形等，完成一整套玻璃材料制備過(guò)程的基本訓(xùn)練；,了解熔制玻璃的設(shè)備及其測(cè)試儀器，掌握其使用方法； 觀察熔制溫度、保溫時(shí)間和助熔劑含量對(duì)熔化過(guò)程的影響； 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析玻璃成分、熔制制度是否合理,實(shí) 驗(yàn) 原 理,玻璃的熔制過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，它包括一系列物理的、化學(xué)的、物理化學(xué)的現(xiàn)象和反應(yīng)。 物理過(guò)程：指配合料加熱時(shí)水分的排除，某些組分的揮發(fā)，多晶轉(zhuǎn)變以及單組分的熔化過(guò)程。 化學(xué)過(guò)程：指各種鹽類被加熱后結(jié)晶水的排除，鹽類的分解，各組分間的互相反應(yīng)以及硅酸鹽的形成等過(guò)程。,物理

3、化學(xué)過(guò)程：包括物料的固相反應(yīng)，共熔體的產(chǎn)生，各組分生成物的互熔，玻璃液與爐氣之間、玻璃液與耐火材料之間的相互作用等過(guò)程。 由于有了這些反應(yīng)和現(xiàn)象，由各種原料通過(guò)機(jī)械混合而成的配合料才能變成復(fù)雜的、具有一定物理化學(xué)性質(zhì)的熔融玻璃液。,這些反應(yīng)和現(xiàn)象在熔制過(guò)程中常常不是嚴(yán)格按照某些預(yù)定的順序進(jìn)行的，而是彼此之間有著相互密切的關(guān)系。例如，在硅酸鹽形成階段中伴隨著玻璃形成過(guò)程，在澄清階段中同樣包含有玻璃液的均化。為便于學(xué)習(xí)和研究，?？筛鶕?jù)熔制過(guò)程中的不同實(shí)質(zhì)而分為硅酸鹽的形成、玻璃的形成、玻璃液的澄清、玻璃液的均化、玻璃液的冷卻五個(gè)階段,硅酸鹽形成主要的固相反應(yīng)結(jié)束，配合料變成由硅酸鹽和二氧化硅組成的

4、不透明燒結(jié)物。800900,玻璃的形成硅酸鹽燒結(jié)物和二氧化硅熔融、溶解、擴(kuò)散，使不透明的半熔融燒結(jié)物變?yōu)橥该鞯牟Ａб?，不再含有未反?yīng)的配合料顆粒。1200 1400,澄清與均化 排除可見(jiàn)氣泡 12001400 玻璃液粘度10PaS 消除條紋和其他不均體，使玻璃各部分在化學(xué)組成上達(dá)到預(yù)期的均勻一致,玻璃液的冷卻,讓玻璃液的粘度增高至成形所需的范圍。通常溫度降低200300。,縱觀玻璃熔制的全過(guò)程，就是把合格的配合料加熱熔化使之成為合乎成型要求的玻璃液。其實(shí)質(zhì)就是把配合料熔制成玻璃液，把不均質(zhì)的玻璃液進(jìn)一步改善成均質(zhì)的玻璃液，并使之冷卻到成型所需要的粘度。因此，也可把玻璃熔制的全過(guò)程劃分為兩個(gè)階段

5、，即配合料的熔融階級(jí)和玻璃液的精練階段,實(shí) 驗(yàn) 器 材 高溫電爐一臺(tái)及其附屬設(shè)備(調(diào)壓器一臺(tái)，電流表一只，電壓表一只，測(cè)溫鉑銠-鉑熱電偶一只，電位差計(jì)一臺(tái))。如圖所示。,剛玉坩堝(100m1或150m1) 研缽一個(gè)；料勺若干(每種原料一把) 電子天平(也可用分析天平)一臺(tái) 坩堝鉗，石棉手套 防護(hù)墨鏡,澆注玻璃樣品的模具 退火用馬弗爐(附控溫儀表) 化工原料： 石英砂(SiO2) 純堿(Na2CO3) 碳酸鈣(CaCO3 ) 碳酸鎂(MgCO3) 氫氧化鋁A1(OH)3等,實(shí) 驗(yàn) 步 驟,(一) 玻璃成分的設(shè)計(jì) 首先，要確定玻璃的物理化學(xué)性質(zhì)及工藝性能，并依此選擇能形成玻璃的氧化物系統(tǒng)，確定決定

6、玻璃主要性質(zhì)的氧化物，然后確定各氧化物的含量。玻璃系統(tǒng)一般為三組分或四組分，其主要氧化物的總量往往要達(dá)到90(質(zhì)量)。,表1 氧化物的作用,其次，為了改善玻璃某些性能還要適當(dāng)加入一些既不使玻璃的主要性質(zhì)變壞而同時(shí)使玻璃具有其他必要性質(zhì)的氧化物。因此，大部分工業(yè)玻璃都是五六個(gè)組分以上。,相圖和玻璃形成區(qū)域圖可作為確定玻璃成分的依據(jù)或參考。在應(yīng)用相圖時(shí)，如果查閱三元相圖，為使玻璃有較小的析晶傾向，或使玻璃的熔制溫度降低，成分上就應(yīng)當(dāng)趨向于取多組分，應(yīng)選取的成分應(yīng)盡量接近相圖的共熔點(diǎn)或相界線。在應(yīng)用玻璃形成區(qū)域圖時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇離開(kāi)析晶區(qū)與玻璃形成區(qū)分界線較遠(yuǎn)的組成點(diǎn)，使成分具有較低的析晶傾向。,為使設(shè)

7、計(jì)的玻璃成分能在工藝實(shí)踐中實(shí)施，即能進(jìn)行熔制、成型等工序，必須要加入一定量的促進(jìn)熔制，調(diào)整料性的氧化物。這些氧化物用量不多，但工藝上卻不可少。同時(shí)還要考慮選用適當(dāng)?shù)某吻鍎Ｔ谥圃煊猩Ａr(shí)，還須考慮基礎(chǔ)玻璃對(duì)著色的影響。,表2 Na2OCaOSiO2系統(tǒng)易熔玻璃配方,(二)熔制溫度的估計(jì) 玻璃成分確定后，為了選擇合適的高溫爐和便于觀察熔制現(xiàn)象。應(yīng)當(dāng)估計(jì)一下熔制溫度。 對(duì)于玻璃形成到砂粒消失這一階段的熔制溫度，可按M.Volf提出的熔化速度常數(shù)公式進(jìn)行估算,表3 熔化速度常數(shù)與熔化溫度的關(guān)系,根據(jù)計(jì)算得到的值查表， 得玻璃的熔化為1300。,以上得到的這個(gè)溫度只是玻璃形成的溫度，為了得到符合要求

8、的玻璃液，必須提高溫度，以使玻璃液能夠更好地排除氣泡和均化。為此，必須考慮電爐升溫速度、在什么溫度保溫、保溫時(shí)間多長(zhǎng)等問(wèn)題。1. 900 保溫30分鐘(以46/分鐘的升溫速度升溫）2. 1200 保溫60分鐘3. 1400 保溫120分鐘,(三)玻璃原料的選擇 在玻璃生產(chǎn)中選擇原料是一件重要的工作，不同玻璃制品對(duì)原料的要求不盡相同，但有些共同原則。 原料質(zhì)量應(yīng)符合技術(shù)要求，原科的品位高、化學(xué)成分穩(wěn)定、水分穩(wěn)定、顆粒組成均勻、著色礦物(主要是Fe2O3)和難熔礦物(主要是鉻鐵礦物)要少，便于調(diào)整玻璃成分。 適于熔化和澄清。 對(duì)耐火材料的侵蝕小。,玻璃熔制實(shí)驗(yàn)所需的原料一般分為工業(yè)礦物原料和化工原

9、料。在研制一種新玻璃品種時(shí)，為了排除原料中的雜質(zhì)對(duì)玻璃成分被動(dòng)的影響，盡快找到合適的配方，一般都采用化工原料(化學(xué)純或分析純)來(lái)做實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)選用化工原料。,當(dāng)實(shí)驗(yàn)室研究完成，用化工原料熔制出的新型玻璃已滿足各種性能要求時(shí)，就要考慮進(jìn)入中試和工業(yè)性實(shí)驗(yàn)。為了適應(yīng)工業(yè)性生產(chǎn)的需要，需采用工業(yè)礦物原料進(jìn)行熔制實(shí)驗(yàn)，以觀察帶入雜質(zhì)以后對(duì)玻璃有何影響，為正式投產(chǎn)提供第一手資料。,(四)配料計(jì)算 工廠使用配方的計(jì)算 為了降低成本，工廠大量采用礦物原料來(lái)制造玻璃。由于礦物原料含有較多雜質(zhì)，成分復(fù)雜，需要進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)整才能配出符合玻璃成分要求的配合料，因此配料計(jì)算的難度較大。,玻璃配合料的計(jì)算,配合料的計(jì)算

10、根據(jù)玻璃組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）和原料的化學(xué)成分來(lái)計(jì)算得到。下面以實(shí)例說(shuō)明配合料的計(jì)算過(guò)程。 玻璃組成：70.5%SiO2, 5%Al2O3, 2%B2O3, 3.8%CaO, 2.0%ZnO， 12.5% Na2O,玻璃配合料的計(jì)算,選用石英粉引入SiO2、長(zhǎng)石引入Al2O3、硼砂引入B2O3、方解石引入CaO、氧化鋅引入ZnO、純堿引入R2O(Na2O+K2O)， 采用白砒與硝酸鈉為澄清劑，螢石為助熔劑。,表4 原料的化學(xué)組成,玻璃配合料的計(jì)算,設(shè)原料均為干燥狀態(tài)，計(jì)算時(shí)不考慮其水分的問(wèn)題,。計(jì)算石英粉與長(zhǎng)石的用量。設(shè)熔制100kg玻璃需要石英粉xkg, 長(zhǎng)石粉ykg. 按照玻璃組成中SiO2

11、和Al2O3的含量可以列出：,0.9989x + 0.6906y=70.5 0.0018x + 0.1804y=5,x=52.6 kg y=27.2 kg,2 計(jì)算由石英引入Fe2O3的量： =52.60.0001=0.00526 kg,3 計(jì)算由長(zhǎng)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。計(jì)算硼砂的量。 根據(jù)硼砂的化學(xué)成分和玻璃中B2O3的含量，則硼砂用量 0.062100/0.3621=17.12 kg 同時(shí)引入Na2O的

12、量： 17.120.1645 = 2.817 kg,玻璃配合料的計(jì)算,5。計(jì)算純堿的用量。 扣除由長(zhǎng)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，同純堿的用量： 5.653100/57.8 = 9.78 kg,玻璃配合料的計(jì)算,6 計(jì)算方解石的用量 扣除由長(zhǎng)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,玻璃配合料的計(jì)算,7 計(jì)算氧化鋅的用量 2.0100/99.80 = 2.01 kg,根據(jù)得到熔制100kg玻璃各原料的用量為 (

13、kg)： 石英粉：52.6 純堿： 9.78 長(zhǎng)石粉：27.2 方解石：6.41 硼砂： 17.1 氧化鋅：2.01 總合計(jì)：115.10 kg,玻璃配合料的計(jì)算,7 計(jì)算輔助原料及揮發(fā)損失的補(bǔ)充 A 白砒作澄清劑為配合料的0.2%, 則白砒的用量： 115 x 0.002 = 0.23 kg B 白砒常與硝酸鈉共用，設(shè)硝酸鈉的用量為白砒的6倍，則硝酸鈉的用量為： 0.23x6 = 1.38 kg,玻璃配合料的計(jì)算,C 由硝酸鈉引入的Na2O為 1.38x0.3635 = 0.502 kg， 則相應(yīng)地應(yīng)減去純堿用量為 0.502x100/57.8 = 0.87 kg 即純堿的用量為 9.780

14、.87 = 8.91 kg,玻璃配合料的計(jì)算,D 用螢石為助熔劑，大致為配料的1.03% 故螢石用量為： 115.10 x 0.0103 = 1.18 kg 由螢石引入的CaO為 1.18 x 0.684 = 0.8 kg 則相應(yīng)地應(yīng)減去方解石用量為 0.80 x 100 / 55.78 = 1.45 kg 即方解石的用量為 6.411.45 = 4.96 kg,E 考慮Na2O、B2O3的揮發(fā)， （一般分別為3.2%、 12%） 應(yīng)補(bǔ)充B2O3為: 6.2x0.12=0.74 還需加硼砂 0.74x100/36.21=2.04 kg 2.04kg硼砂引入Na2O為： 2.04x0.1645=

15、0.34 kg 應(yīng)補(bǔ)充Na2O為: （12.5x0.032-0.34）x100/57.8 = 0.1 kg 即純堿的實(shí)際用量為：8.91+0.1=9.01 kg 硼砂的實(shí)際用量為：17.1+2.04 = 19.14 kg,得到：熔制100kg玻璃各原料的實(shí)際用量為(kg)： 石英粉：52.6 純堿： 9.01 長(zhǎng)石粉：27.2 方解石：4.96 硼砂： 19.14 氧化鋅：2.01 硝酸鈉：1.38 白砒： 0.23 總合計(jì)：117.71 kg,得到：配合料的氣體率： (117.71-100)/117.71=15.05% 玻璃產(chǎn)率： (100-15.05)/100=84.95%,實(shí)驗(yàn)室配方的計(jì)

16、算 在實(shí)驗(yàn)室制造玻璃，即玻璃熔制實(shí)驗(yàn)的原料可以是工業(yè)礦物原料，也可以是化工原料。在研制一種新玻璃品種時(shí)，為了排除原料成分波動(dòng)(排除雜質(zhì))的影響，盡快找到合適的配方，一般都采用化工原料(化學(xué)純或分析純，也有用光譜純)來(lái)做實(shí)驗(yàn)。待熔制得到的玻璃達(dá)到要求后再改用礦物原料進(jìn)行配料。本實(shí)驗(yàn)選用化工原料進(jìn)行配料的計(jì)算。,根據(jù)玻璃成分和所用原料的化學(xué)成分就可以進(jìn)行配合料的計(jì)算。在計(jì)算時(shí)，應(yīng)認(rèn)為原料中的氣體物質(zhì)在加熱過(guò)程中全部分解逸出，而其分解后的氧化物全部轉(zhuǎn)入玻璃成分中。此外，還須考慮各種因素對(duì)玻璃成分的影響。如某些氧化物的揮發(fā)，飛損等。,由于計(jì)算每批原料量時(shí)，要根據(jù)坩堝大小或欲制得玻璃的量（考慮各性能測(cè)試

17、所需數(shù)量）來(lái)確定，本實(shí)驗(yàn)以制得100克玻璃液來(lái)計(jì)算各種原料的用量，在計(jì)算每種原料的用量時(shí)，要求計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)后二位。,某Na2OCaOSiO2系統(tǒng)玻璃的設(shè)計(jì)成分如表2所示，要求在實(shí)驗(yàn)室用化工原料進(jìn)行熔制?；ぴ系某煞秩绫?所示。需要熔制100克玻璃液，問(wèn)各種化工原料的用量是多少？,表2 Na2OCaOSiO2系統(tǒng)易熔玻璃配方,表5 化工原料的成分?jǐn)?shù)據(jù),解：按題意，根據(jù)玻璃設(shè)計(jì)成分和原料成分，計(jì)算100克玻璃液的配料單。 石英砂用量的計(jì)算欲熔制得100克玻璃液，所需石英砂用量為 Y1 = 71.5 / 0.9978 = 71.66（克）, 碳酸鈣用量的計(jì)算根據(jù)反應(yīng)方程式計(jì)算碳酸鈣的用量 CaCO

18、3 CaO CO2100.09 56.08 5.5 Y2 100.095.5 56.08 9.82（克） 考慮碳酸鈣的純度，實(shí)際用量為Y3 9.82 0.99 9.92（克）, 碳酸鎂用量的計(jì)算根據(jù)反應(yīng)方程式計(jì)算碳酸鎂的用量MgCO3 MgO CO284.32 40.31 1 Y4 84.321 40.32 2.09 （克） 考慮碳酸鎂的純度，實(shí)際用量為 Y5 2.090.995 2.1（克）, 氫氧化鋁用量的計(jì)算根據(jù)反應(yīng)方程式計(jì)算氫氧化鋁的用量2Al(OH)3 Al2O3 3H2O155.96 101.96 3Y5167.963101.96 4.59（克） 考慮氫氧化鋁的純度，實(shí)際用量為：

19、Y64.590.995 4.61（克）,純堿用量的計(jì)算根據(jù)反應(yīng)方程式計(jì)算純堿的用量Na2CO3 Na2O CO2106.01 60 19Y7 140.0119 60 33.57（克） 考慮純堿的純度，實(shí)際用量為： Y8 44.340.988 33.98（克）,100克玻璃液的所需的原料總量為： Y = 石英砂 + 碳酸鈣 + 碳酸鎂 + 氫氧化鋁 + 純堿 = 71.66 + 9.92 + 2.10 + 4.61 +33.98 = 122.27（克）實(shí)驗(yàn)用配方計(jì)算結(jié)束。 經(jīng)整理后的實(shí)驗(yàn)用配料單如表7所示。,表6 100克玻璃液的配料單,(五)配合料的制備 為保證配料的準(zhǔn)確性，首先將實(shí)驗(yàn)用原料干

20、燥或預(yù)先測(cè)定含水量。 根據(jù)配料單稱取各種原料(精確到0.01g)。 將粉狀原料充分混合成均勻的配合料是保證熔融玻璃液質(zhì)量的先決條件。,為了使混合容易均勻及防止配合料分層和飛料，先將配合料中難熔原料如石英砂等先置入研缽中(配料量大時(shí)使用球磨罐)，建議先加入4的水分噴濕砂子，然后加助熔的純堿等，預(yù)混合1015min，再將其他原料加入混合均勻。如能將配合料?；笤偃刍?，效果更好。 由于本實(shí)驗(yàn)為小型實(shí)驗(yàn)，配合料量甚小，只能在研缽中研磨混合，所以不考慮加水混合,(六)熔制操作 1熔爐的選擇在實(shí)驗(yàn)室熔化玻璃，可以用硅碳樣電爐與硅鉬棒電爐，應(yīng)根據(jù)最熔化溫度決定使用哪一種。根據(jù)以上估算，最高溫度要求1400，

21、故應(yīng)采用硅鉬棒電爐。,2坩堝的選擇坩堝在玻璃熔制的過(guò)程中不能與玻璃起化學(xué)反應(yīng)，因此要根據(jù)玻璃成分、所確定的最高熔化溫度及持續(xù)時(shí)間來(lái)選用坩堝。若熔化溫度為1550以上，則選用鉑坩堝；若熔化溫度為13501550，則選用剛玉坩堝；若熔化溫度在1350以下，則選用高鋁坩堝。根據(jù)以上計(jì)算，要求最高溫度要求1400 ，故應(yīng)采用剛玉坩堝。,坩堝的大小也要事先考慮。如果是初次探索性實(shí)驗(yàn)，即考察所設(shè)計(jì)的玻璃配方在所制定的熔化工藝制度下能否制得符合要求的玻璃的話，用50ml或100ml的坩堝即可。如果玻璃熔制實(shí)驗(yàn)的目的是制取玻璃試樣以便對(duì)各種性能進(jìn)行測(cè)試的話，則要選用足夠大的坩堝進(jìn)行玻璃的熔制。,3玻璃配合料的

22、裝填把配合料裝入三只剛玉坩堝中。由于玻璃配合料的熔融階段會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡而引起體積集聚膨脹，所以配合料的裝填不能太滿，為防止在玻璃熔化期間坩堝意外破裂造成電爐損壞，可在淺的耐火匣缽底部中墊以Al2O3粉，再將坩堝放入匣缽中，然后將匣缽?fù)迫腚姞t的爐膛中。,4玻璃熔制將放置坩堝的匣缽?fù)迫腚姞t的爐膛中后，檢查電源線路無(wú)問(wèn)題后，設(shè)定升溫程序，給電爐通電，以4-6分鐘的升溫速度升溫到900。保溫30分鐘。,玻璃配合料的加料方法有“常溫加料法”和“高溫加料法”兩種。上述的先把配合料裝入剛玉坩堝中，再將坩堝放入底部中墊以Al2O3粉的匣缽中，然后將匣缽?fù)迫霠t膛中再給電爐通電升溫的加料方法稱為“常溫加料法”。 本次實(shí)驗(yàn)采用常溫加料法。,在科研和生產(chǎn)中，玻璃熔制一般