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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,*,玻 璃 制 備 實 驗,參考書目,無機非金屬材料實驗,伍洪標,化學工業(yè)出版社，,2002,年,無機非金屬材料實驗教程,葛山,/,尹玉成,冶金工業(yè)出版社，,2008,年,在科研和生產(chǎn)中，往往需要設計、研究或制造玻璃的新品種，或者對傳統(tǒng)玻璃生產(chǎn)工藝進行某種改革。在這些情況下，為了尋找合理的玻璃成份、了解玻璃熔制過程中各種因素對玻璃產(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)以指導生產(chǎn)實踐等，一般都要先在實驗室設計玻璃成分，計算配料單，用小坩堝做小型熔制實驗，制取玻璃樣品，再對樣品進行各種性能測
2、定，判斷各種性能指標是否達到預期的要求。如此反復進行，直至找到玻璃的最佳配方，滿足各種性能要求為止。,實 驗 目 的,在實驗室條件下進行玻璃成分的設計、原料的選擇、配料計算、配合料的制備、用小型坩堝進行玻璃的熔制、玻璃試樣的成形等，完成一整套玻璃材料制備過程的基本訓練；,了解熔制玻璃的設備及其測試儀器，掌握其使用方法；,觀察熔制溫度、保溫時間和助熔劑含量對熔化過程的影響；,根據(jù)實驗結果分析玻璃成分、熔制制度是否合理,實 驗 原 理,玻璃的熔制過程是一個相當復雜的過程，它包括一系列物理的、化學的、物理化學的現(xiàn)象和反應。,物理過程：指配合料加熱時水分的排除，某些組分的揮發(fā)，多晶轉變以及單組分的熔化
3、過程。,化學過程：指各種鹽類被加熱后結晶水的排除，鹽類的分解，各組分間的互相反應以及硅酸鹽的形成等過程。,物理化學過程：包括物料的固相反應，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程。,由于有了這些反應和現(xiàn)象，由各種原料通過機械混合而成的配合料才能變成復雜的、具有一定物理化學性質(zhì)的熔融玻璃液。,這些反應和現(xiàn)象在熔制過程中常常不是嚴格按照某些預定的順序進行的，而是彼此之間有著相互密切的關系。例如，在硅酸鹽形成階段中伴隨著玻璃形成過程，在澄清階段中同樣包含有玻璃液的均化。為便于學習和研究，常可根據(jù)熔制過程中的不同實質(zhì)而分為硅酸鹽的形成、玻璃的形成、玻璃
4、液的澄清、玻璃液的均化、玻璃液的冷卻五個階段,硅酸鹽形成,主要的固相反應結束，配合料變成由硅酸鹽和二氧化硅組成的不透明燒結物。,800,900,玻璃的形成,硅酸鹽燒結物和二氧化硅熔融、溶解、擴散，使不透明的半熔融燒結物變?yōu)橥该鞯牟Ａб?，不再含有未反應的配合料顆粒。,1200,1400,澄清與均化,排除可見氣泡,1200,1400,玻璃液粘度,10Pa,S,消除條紋和其他不均體，使玻璃各部分在化學組成上達到預期的均勻一致,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,200,300,。,縱觀玻璃熔制的全過程，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。其實質(zhì)就是把配
5、合料熔制成玻璃液，把不均質(zhì)的玻璃液進一步改善成均質(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程劃分為兩個階段，即配合料的熔融階級和玻璃液的精練階段,實 驗 器 材,高溫電爐一臺及其附屬設備,(,調(diào)壓器一臺，電流表一只，電壓表一只，測溫鉑銠,-,鉑熱電偶一只，電位差計一臺,),。如圖所示。,剛玉坩堝,(,100m1,或,150m1,),研缽一個；料勺若干,(,每種原料一把,),電子天平,(,也可用分析天平,),一臺,坩堝鉗，石棉手套,防護墨鏡,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,(SiO,2,),純堿,(Na,2,CO,3,),碳酸鈣
6、,(CaCO,3,),碳酸鎂,(MgCO,3,),氫氧化鋁,A1(OH),3,等,實 驗 步 驟,(,一,),玻璃成分的設計,首先，要確定玻璃的物理化學性質(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到,90,(,質(zhì)量,),。,氧化物,主,要,作,用,SiO,2,玻璃形成體，網(wǎng)絡骨架,Na,2,O,、,K,2,O,助熔劑,CaO,高溫時，當,CaO,含量小于,10%,時降低粘度，大于,12%,時，增加粘度。低溫時，增加粘度，有利于玻璃的成形。,MgO,高溫時，降低玻璃液的粘度。低溫時
7、，降低玻璃液的粘度。改善玻璃的析晶傾向?？梢哉{(diào)節(jié)玻璃的退火溫度。,Al,2,O,3,增加玻璃的機械強度、化學穩(wěn)定性。,量多時，造成玻璃成分不均勻，粘度不均勻。增加玻璃制品的波筋。,表,1,氧化物的作用,其次，為了改善玻璃某些性能還要適當加入一些既不使玻璃的主要性質(zhì)變壞而同時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。在應用相圖時，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，成分上就應當趨向于取多組分，應選取的成分應盡量接近相圖的共熔點或相界線。在應用玻璃形成區(qū)域圖時，應當選擇離開析晶區(qū)與玻
8、璃形成區(qū)分界線較遠的組成點，使成分具有較低的析晶傾向。,為使設計的玻璃成分能在工藝實踐中實施，即能進行熔制、成型等工序，必須要加入一定量的促進熔制，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。同時還要考慮選用適當?shù)某吻鍎?。在制造有色玻璃時，還須考慮基礎玻璃對著色的影響。,表,2,Na,2,O,CaO,SiO,2,系統(tǒng)易熔玻璃配方,氧化物,SiO,2,CaO,MgO,Al,2,O,3,Na,2,O,含量,wt%,71.5,5.5,1,3,19,(,二,),熔制溫度的估計,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。應當估計一下熔制溫度。,對于玻璃形成到砂粒消失這一階段的熔
9、制溫度，可按,M.Volf,提出的熔化速度常數(shù)公式進行估算,表,3,熔化速度常數(shù),與熔化溫度的關系,熔化速度常數(shù),6.0,5.5,4.3,4.2,熔化溫度,1450-,1460,1420,1380-1400,1320-,1340,根據(jù)計算得到的,值查表，,得玻璃的熔化為,1300,。,以上得到的這個溫度只是玻璃形成的溫度，為了得到符合要求的玻璃液，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、保溫時間多長等問題。,1.,900,保溫,30,分鐘,(,以,4,6/,分鐘的升溫速度升溫）,2. 1200 ,保溫,60,分鐘,3. 1400 ,保溫,1
10、20,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，不同玻璃制品對原料的要求不盡相同，但有些共同原則。,原料質(zhì)量應符合技術要求，原科的品位高、化學成分穩(wěn)定、水分穩(wěn)定、顆粒組成均勻、著色礦物,(,主要是,Fe,2,O,3,),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。,對耐火材料的侵蝕小。,玻璃熔制實驗所需的原料一般分為工業(yè)礦物原料和化工原料。在研制一種新玻璃品種時，為了排除原料中的雜質(zhì)對玻璃成分被動的影響，盡快找到合適的配方，一般都采用化工原料,(,化學純或分析純,),來做實驗。本實驗選用化工原料。,當實驗室研究完成，用化工原料熔制
11、出的新型玻璃已滿足各種性能要求時，就要考慮進入中試和工業(yè)性實驗。為了適應工業(yè)性生產(chǎn)的需要，需采用工業(yè)礦物原料進行熔制實驗，以觀察帶入雜質(zhì)以后對玻璃有何影響，為正式投產(chǎn)提供第一手資料。,(,四,),配料計算,工廠使用配方的計算,為了降低成本，工廠大量采用,礦物原料,來制造玻璃。由于礦物原料含有,較多雜質(zhì),，成分復雜，需要進行復雜的調(diào)整才能配出符合玻璃成分要求的配合料，因此配料計算的難度較大,。,玻璃配合料的計算,配合料的計算根據(jù)玻璃組成的質(zhì)量分數(shù),（,%,）,和原料的化學成分來計算得到。,下面以實例說明配合料的計算過程。,玻璃組成,：,70.5%SiO,2, 5%Al,2,O,3, 2%B,2,
12、O,3, 3.8%CaO, 2.0%ZnO,，,12.5% Na,2,O,玻璃配合料的計算,選用,石英粉引入,SiO,2,、,長石引入,Al,2,O,3,、,硼砂引入,B,2,O,3,、方解石引入,CaO,、氧化鋅引入,ZnO,、純堿引入,R,2,O(Na,2,O+K,2,O),，,采用,白砒與硝酸鈉,為,澄清劑,，,螢石為助熔劑,。,表,4,原料的化學組成,玻璃配合料的計算,設原料均為干燥狀態(tài)，計算時不考慮其水分的問題,。計算石英粉與長石的用量。,設熔制,100kg,玻璃需要石英粉,xkg,長石粉,ykg,.,按照玻璃組成中,SiO,2,和,Al,2,O,3,的含量可以列出：,0.9989x
13、 + 0.6906y=70.5,0.0018x + 0.1804y=5,x=52.6 kg,y=27.2 kg,2,計算由石英引入,Fe,2,O,3,的量：,=52.60.0001=0.00526 kg,3,計算由長石英引入,R,2,O,CaO,和,Fe,2,O,3,的量。,NaO,:,27.20.1480 = 4.03 kg,CaO,:,27.20.0083 = 0.226 kg,Fe2O3:,27.20.0024 = 0.054 kg,4,。計算硼砂的量。,根據(jù)硼砂的化學成分和玻璃中,B,2,O,3,的含量，則硼砂用量,0.062100/0.3621=17.12 kg,同時引入,Na,2,
14、O,的量：,17.120.1645 = 2.817 kg,玻璃配合料的計算,5,。計算純堿的用量。,扣除由長石和硼砂引入的,Na,2,O,的量，尚需引入,Na,2,O,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,玻璃配合料的計算,6,計算方解石的用量,扣除由長石引入的,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,玻璃配合料的計算,7,計算氧化鋅的用量,2.0100/99.80 = 2.01 kg,
15、根據(jù)得到熔制,100kg,玻璃各原料的用量為,(kg),：,石英粉：,52.6,純堿：,9.78,長石粉：,27.2,方解石：,6.41,硼砂：,17.1,氧化鋅：,2.01,總合計：,115.10 kg,玻璃配合料的計算,7,計算輔助原料及揮發(fā)損失的補充,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,玻璃配合料的計算,C,由硝酸鈉引入的,Na,2,O,為,1.38x0.3635 = 0.502 kg,，,則相應地應減去純堿用量為,
16、0.502x100/57.8 = 0.87 kg,即純堿的用量為,9.78,0.87 = 8.91 kg,玻璃配合料的計算,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,則相應地應減去方解石用量為,0.80 x 100 / 55.78 = 1.45 kg,即方解石的用量為,6.41,1.45 = 4.96 kg,E,考慮,Na,2,O,、,B,2,O,3,的揮發(fā)，,（一般分別為,3.2%,、,12%,）,應補充,B,2,O,3,為,:,6.2x0.12=0.
17、74,還需加硼砂,0.74x100/36.21=2.04 kg,2.04kg,硼砂引入,Na,2,O,為：,2.04x0.1645=0.34 kg,應補充,Na,2,O,為,:,（,12.5x0.032-0.34,）,x100/57.8 = 0.1 kg,即純堿的實際用量為：,8.91+0.1=9.01 kg,硼砂的實際用量為：,17.1+2.04 = 19.14 kg,得到：熔制,100kg,玻璃各原料的實際用量為,(kg),：,石英粉：,52.6,純堿：,9.01,長石粉：,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：
18、,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%,實驗室配方的計算,在實驗室制造玻璃，即玻璃熔制實驗的原料可以是工業(yè)礦物原料，也可以是化工原料。在研制一種新玻璃品種時，為了排除原料成分波動,(,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,(,化學純或分析純，也有用光譜純,),來做實驗。待熔制得到的玻璃達到要求后再改用礦物原料進行配料。本實驗選用化工原料進行配料的計算,。,根據(jù)玻璃成分和所用原料的化學成分就可以進行配合料的計算。在計算時，應認為原料中的氣體物質(zhì)在加熱過程中
19、全部分解逸出，而其分解后的氧化物全部轉入玻璃成分中。此外，還須考慮各種因素對玻璃成分的影響。如某些氧化物的揮發(fā)，飛損等,。,由于計算每批原料量時，要根據(jù)坩堝大小或欲制得玻璃的量（考慮各性能測試所需數(shù)量）來確定，本實驗以制得,100,克玻璃液來計算各種原料的用量，在計算每種原料的用量時，要求計算到小數(shù)點后二位。,某,Na,2,O,CaO,SiO,2,系統(tǒng)玻璃的設計成分如表,2,所示，要求在實驗室用化工原料進行熔制。化工原料的成分如表,5,所示。需要熔制,100,克玻璃液，問各種化工原料的用量是多少？,氧化物,SiO,2,CaO,MgO,Al,2,O,3,Na,2,O,含量,/ %,71.5,5.
20、5,1,3,19,表,2,Na,2,O,CaO,SiO,2,系統(tǒng)易熔玻璃配方,表,5,化工原料的成分數(shù)據(jù),原料名稱,氧化物名稱及質(zhì)量,%,SiO,2,CaCO,3,MgCO,3,Al(OH),3,Na,2,CO,3,石英砂,99.78,碳酸鈣,99.00,碳酸鎂,99.50,氫氧化鋁,99.50,純,堿,98.80,解：按題意，根據(jù)玻璃設計成分和原料成分，計算,100,克玻璃液,的配料單。, 石英砂用量的計算欲熔制得,100,克玻璃液，所需石英砂用量為,Y1 = 71.5 / 0.9978 = 71.66,（克）,碳酸鈣用量的計算根據(jù)反應方程式計算碳酸鈣的用量,CaCO,3,CaO,CO,2,
21、100.09 56.08 5.5,Y2,100.095.5 56.08,9.82,（克）,考慮碳酸鈣的純度，實際用量為,Y3,9.82 0.99,9.92,（克）,碳酸鎂用量的計算根據(jù)反應方程式計算碳酸鎂的用量,MgCO,3,MgO,CO,2,84.32 40.31 1,Y4,84.321 40.32,2.09,（克）,考慮碳酸鎂的純度，實際用量為,Y5,2.090.995,2.1,（克）, 氫氧化鋁用量的計算根據(jù)反應方程式計算氫氧化鋁的用量,2Al(OH),3, Al,2,O,3,3H,2,O155.96 101.96 3Y5,167.963101.96,4.59,（克）,考慮氫氧化鋁的純度
22、，實際用量為：,Y6,4.590.995,4.61,（克）,純堿用量的計算根據(jù)反應方程式計算純堿的用量,Na,2,CO,3,Na,2,O,CO,2,106.01 60 19Y7,140.0119 60,33.57,（克）,考慮純堿的純度，實際用量為：,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）,實驗用配方計算結束。,經(jīng)整理后的實驗用配料單如表,7,所示。,表,6 100,克玻璃液的配料單,化
23、工原,料名稱,石英砂,碳酸鈣,碳酸鎂,氫氧,化鋁,純堿,合計,用量,/,克,71.66,9.92,2.10,4.61,33.98,122.27,(,五,),配合料的制備,為保證配料的準確性，首先將實驗用原料干燥或預先測定含水量。,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，預混合,1015min,，再將其他原料加入混合均勻。如能將配合料?；笤偃刍?，
24、效果更好。,由于本實驗為小型實驗，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,熔爐的選擇在實驗室熔化玻璃，可以用硅碳樣電爐與硅鉬棒電爐，應根據(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,，故應采用硅鉬棒電爐。,2,坩堝的選擇坩堝在玻璃熔制的過程中不能與玻璃起化學反應，因此要根據(jù)玻璃成分、所確定的最高熔化溫度及持續(xù)時間來選用坩堝。若熔化溫度為,1550,以上，則選用鉑坩堝；若熔化溫度為,1350,1550,，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)以上計算，要求最高溫度要求,1400 ,，故應采用剛玉坩堝。,坩堝
25、的大小也要事先考慮。如果是初次探索性實驗，即考察所設計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。如果玻璃熔制實驗的目的是制取玻璃試樣以便對各種性能進行測試的話，則要選用足夠大的坩堝進行玻璃的熔制。,3,玻璃配合料的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,Al,2,O,3,粉，再將坩堝放入匣缽中，然后將匣缽推入電爐的爐膛中。,4,玻璃熔制將放置坩堝的匣缽推入電爐的爐膛中后，,檢查電源線
26、路無問題后,，,設定升溫程序,，,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,Al,2,O,3,粉的匣缽中，然后將匣缽推入爐膛中再給電爐通電升溫的加料方法稱為“常溫加料法”。,本次實驗采用常溫加料法。,在科研和生產(chǎn)中，玻璃熔制一般多采用“高溫加料法”。即先將空坩堝放入電爐內(nèi)，給電爐通電，以,4,6,/,分鐘的升溫速度升溫到加料溫度（即,900,）后，再將配合料裝入坩堝，保溫,0.5,小時。,900,保溫,30min,后，從爐中取出裝配合料的坩堝一只，
27、放入已經(jīng)加熱到,500600,馬弗爐中退火。,以,3/min,升溫速度，繼續(xù)升溫到,1200,，,保溫,60min,，從爐中取出裝配合料的坩堝一只,放入馬弗爐中退火。,以,3/min,升溫速度，繼續(xù)升溫到,1400,，保溫,120min,。,保溫結束后，從爐中取出最后一只的坩堝，放入退火爐中退火，關上退火爐門，保溫,10min,，斷電，讓其自然冷卻。,玻璃完成熔制后，連同坩堝一起置入預熱至,500,600,的馬弗爐中，停電冷卻并退火，冷卻后再除去坩堝，得到所需要的試樣是“破堝法”。 將完成熔制的高溫玻璃液，傾注入經(jīng)預熱過的金屬或耐火材料模具中，然后立即取出試樣，置入預熱至,500,600,的馬
28、弗爐中，按一定的溫度制度緩慢降溫則是“模型澆注法”。,待裝有玻璃的坩堝冷卻到室溫后，用小鐵錘尖端敲打坩堝底和內(nèi)壁，使之裂成兩半。研究所得的一半，觀察坩堝中心、表面、底和周壁的硅酸鹽形成、玻璃形成、熔透和澄清情況，氣泡多少，未熔透顆粒數(shù)量，玻璃液表面有否泡沫、顏色、透明度及玻璃液的其他特征，此外，應仔細研究坩堝壁特別是玻璃液面上的侵蝕特征。,結 果 分 析,重點分析：,實驗玻璃在,900,保溫,30min,硅酸鹽是否形成；在,1200,保溫,90min,，玻璃是否形成；在,1350,保溫,90min,，玻璃是否澄清。在這種溫度制度下是否可以熔制出質(zhì)量較好的玻璃，并分析原因,對澆注好的試樣，可以直接用眼睛觀察其質(zhì)量，或借助顯微鏡觀察其質(zhì)量。 實驗結果可按,玻璃高溫制備實驗情況記錄分析表,的格式填寫記錄。,玻璃高溫制備實驗情況記錄分析表,熔 制,溫 度,分 析,項 目,最高熔制溫度,1200,1400,加 料 方 式,保 溫 時 間,（分鐘）,玻,璃,熔,制,情,況,分,析,熔透程度,澄清情況,透明度,顏色,其他特征,坩堝侵蝕,情況,
無機非金屬材料實驗-玻璃的熔制
