鋁硅酸鹽玻璃中澄清劑的使用研究

黃啟興

摘要：在玻璃制造過程中經(jīng)常碰到的一個(gè)問題就是在玻璃中會出現(xiàn)玻璃氣泡，玻璃氣泡的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了玻璃的質(zhì)量，所以必須采取措施來解決這個(gè)問題，本文對于利用澄清劑來消除玻璃中的氣泡方法進(jìn)行了研究，并且對于澄清劑的使用做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，對于實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備及實(shí)驗(yàn)的過程進(jìn)行了介紹，還對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析，為玻璃生產(chǎn)過程中氣泡的去除提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鋁硅酸鹽玻璃；氣泡；實(shí)驗(yàn)；澄清劑

引言

在制作玻璃的過程中出現(xiàn)氣泡是非常常見的一種現(xiàn)象，氣泡的出現(xiàn)不僅會對玻璃的美觀造成一定的影響，而且還會在很大程度上影響玻璃的質(zhì)量。目前來講，去除玻璃中氣泡的技術(shù)主要就是在玻璃制作的過程中使用澄清劑。本次研究的對象是鋁硅酸鹽玻璃，它是一種目前最為常見的玻璃種類之一，這種玻璃具有較高的強(qiáng)度以及透明度，因而在很多領(lǐng)域中都得到了非常廣泛的應(yīng)用。這種材質(zhì)的玻璃和傳統(tǒng)意義上的玻璃的組成具有較大的差別，能夠在很大程度上減少析晶，并且析晶的速度也大大降低，使得這種類型的玻璃不僅具有很高的強(qiáng)度而且透過性還比較好。在鋁硅酸鹽玻璃的制作過程中加入氧化鎂能夠進(jìn)一步抑制析晶，進(jìn)而防止玻璃在制作過程中冷卻工序上的析晶或者炸裂的現(xiàn)象。這種玻璃硬度高，機(jī)械強(qiáng)度大，所含有的三氧化二鋁以及氧化鎂的量較高，因而熔化所需的溫度較高，并且所形成的熔液粘度較大，玻璃中氣泡的去除存在很大的難度。所以在鋁硅酸鹽玻璃制作的過程中氣泡的去除和普通的玻璃制作的過程中氣泡的去除是存在一定差別的，在氣泡去除的過程中一種澄清劑的澄清效果不好，需要綜合使用幾種澄清劑才能夠達(dá)到較好的去除氣泡的效果。本文主要對不同澄清劑的使用效果進(jìn)行研究，對于各種澄清劑之間的配合使用以及各種澄清劑使用的比例也都進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)所選取的材料有低鐵硅砂、白云石、石灰石、純堿、碳酸鉀、芒硝、氧化鋁、硝酸鈉、氯化鈉等，為了使得實(shí)驗(yàn)的過程更加貼近于玻璃生產(chǎn)的過程，所以在實(shí)驗(yàn)的過程中盡量選用礦石原材料，包括硅砂、白云石、石灰石等。主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為： 電子天平，分析天平，高溫加熱爐，以及剛玉坩堝和電子顯微鏡等等。

2實(shí)驗(yàn)

制作樣品的過程可以分為4個(gè)步驟： 包括配合料的準(zhǔn)備、玻璃的熔制、澆鑄、樣品的退火等，在實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制各個(gè)環(huán)節(jié)，具體步驟如下：

步驟1：首先根據(jù)玻璃的設(shè)計(jì)成分來選擇相應(yīng)的原材料，精確計(jì)算各種原材料所占的比例，用分析天平稱量各種原材料后放在一起攪拌均勻；

步驟2：將混合好的原材料加入到能耐較高溫度的剛玉坩堝中，對其進(jìn)行加熱變?yōu)槿廴跔?，再將剛玉坩堝處?300°C下保持半個(gè)小時(shí)，之后將剛玉坩堝的溫度加熱到1600°C，把原材料熔化為玻璃液，接著保溫兩個(gè)小時(shí)；

步驟3：把加熱爐溫度調(diào)節(jié)到按要求的數(shù)值后將玻璃熔液倒入到不銹鋼的裝置中進(jìn)行成型處理；

步驟4：接著將成品放入到700°C的溫度下進(jìn)行退火處理。待冷卻之后將產(chǎn)品進(jìn)行一系列的后加工處理，最終形成較為光滑的樣品。

然后計(jì)算每個(gè)樣品的氣泡個(gè)數(shù)，最后計(jì)算總的樣品中的氣泡的個(gè)數(shù)。

3澄清劑的使用

鋁硅酸鹽玻璃因?yàn)椴牧系奶攸c(diǎn)需要較高的熔化溫度，所形成的玻璃液體的粘度以及液體表面的張力都比較大，在熔制的過程中所形成的氣泡很難釋放出來，所以在澄清劑選擇中需要選用一些承受較高溫度的澄清劑如氯化鈉、芒硝和氧化鈰的組合等來去除玻璃液體中的氣泡。利用氯化鈉來澄清氣泡的原理如下，氯化鈉在1442攝氏度下會發(fā)生氣化，降低二氧化碳和氧氣的分壓，從而有利于氣泡的溢出，使得玻璃得到澄清。利用芒硝對玻璃進(jìn)行澄清的機(jī)理如下：芒硝在高溫下會進(jìn)行分解，其反應(yīng)所產(chǎn)生的氧氣和二氧化硫氣體有利于玻璃中氣泡的溢出，從而起到澄清的作用。硝酸鈉對于玻璃的澄清的機(jī)理如下：這種物質(zhì)一般和三氧化二銻、三氧化二砷或氧化鈰一起使用，但由于砷、銻是劇毒元素，本文不主張采用，但可以與氧化鈰一起使用。硝酸鈉的分解溫度在400攝氏度左右，在硝酸鈉分解的初期就會釋放出氧氣，使得相應(yīng)的低價(jià)氧化物被氧化為高價(jià)的氧化物，高價(jià)的氧化物在溫度持續(xù)升高的過程中又會將得到的氧元素以氧氣的形式釋放出來。氧化鈰用作澄清劑時(shí)，一般與硝酸鈉共用，就是應(yīng)用這一原理的。因此，它需要與硝酸鈉共用才能體現(xiàn)更好的澄清效果。

通過實(shí)驗(yàn)表明，單獨(dú)使用氯化鈉、硫酸鈉、硝酸鈉或氧化鈰，其澄清效果都不好，不能有效消除玻璃中的氣泡，而且這些澄清劑單獨(dú)使用，都有不同的副作用或不良的影響，氯化鈉，會對耐火材料產(chǎn)生侵蝕，不宜單獨(dú)使用；硫酸鈉作為澄清劑，如果熔化氣氛控制不好或者還原劑使用不當(dāng)，會使玻璃液形成硝水，反而不利于熔化和澄清，對耐火材料也有侵蝕作用；硝酸鈉分解溫度低，單獨(dú)使用在玻璃液還未進(jìn)入澄清階段就幾乎把氧氣釋放完畢，高溫時(shí)反而不能釋放氧氣而澄清作用不大；氧化鈰本身就要與硝酸鈉一起使用的，單獨(dú)使用澄清作用不明顯。

因此，本實(shí)驗(yàn)需研究使用組合澄清劑。根據(jù)上述幾種澄清劑，本實(shí)驗(yàn)選擇了Na2SO4、NaCl，NaCl、Na2SO4、NaNO3，Na2SO4、 NaNO3、CeO2等幾種澄清劑的組合來對鋁硅酸鹽玻璃進(jìn)行澄清。

通過實(shí)驗(yàn)并分析比較，以Na2SO4、NaNO3、CeO2為主的組合，其所產(chǎn)生的澄清效果是最好的，并且CeO2的氧化性非常的強(qiáng)，能夠在很大程度上使得玻璃中的Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+，而Fe3+的著色能力是Fe2+的1/10左右，這使得玻璃變得更加透明光亮，透射能力也變得很好。所以在玻璃澄清劑種類的選擇上以上述三種澄清劑的組合方式為最佳，接下來對于每種澄清劑的比例的使用進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

4澄清劑比例的控制

本實(shí)驗(yàn)首先對于三種組合中的前兩者的物質(zhì)的量進(jìn)行固定，然后來觀察CeO2含量的不同對于玻璃澄清效果的影響，并且在這個(gè)過程中定義了氣泡的大小以及氣泡的等級。當(dāng)氧化鈰使用量較小的時(shí)候，其很難消除那些較小的氣泡，隨著其含量的增加其中所含的較小氣泡的數(shù)量也在不斷的減小。但是過量使用，也會使得玻璃呈現(xiàn)出黃色，且對于玻璃中氣泡的澄清效果也不是非常的明顯。經(jīng)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，得出CeO2的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%。

在確定CeO2含量后，再來確定其他兩種澄清劑的用量。用上述同樣的方法，將其他兩種澄清劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行固定，只針對芒硝質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化來觀察相應(yīng)的對于玻璃澄清的效果。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，玻璃配合料中芒硝的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為2% ～ 3. 5%。以此為基準(zhǔn)，玻璃的基礎(chǔ)組分不變，選用氧化鈰0.30%（ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)） + 硝酸鈉2.5%，分別和芒硝0%、2.0%、2.2%、2.4%、2.6%、2.8%、3.0%、3.2%、3.5%進(jìn)行混合試驗(yàn)，比較其澄清效果。其效果如表1 所示。

從表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，隨著芒硝質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大其對于玻璃澄清的效果也是越來越好。但是當(dāng)芒硝的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2.6個(gè)百分點(diǎn)的時(shí)候其對于澄清效果的影響就不是那么明顯了。因此芒硝的質(zhì)量分?jǐn)?shù)選用2.6個(gè)百分點(diǎn)。

再通過同樣的實(shí)驗(yàn)，從表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，隨著硝酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加其對于玻璃澄清的效果會變好，但超過2.5%質(zhì)量比例后，效果趨于平緩，而且隨著硝酸鈉的增多會釋放出污染空氣的NOx氣體，所以將硝酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在2.5個(gè)百分點(diǎn)。

結(jié)論：

通過本文對于鋁硅酸鹽玻璃氣泡去除的過程中各種澄清劑的使用，得到了以下的結(jié)論：1、在鋁硅酸鹽玻璃氣泡去除的過程中，單一的澄清劑的澄清效果都不好，因此不宜選擇單獨(dú)的澄清劑。

2、組合澄清劑的效果更好。本文通過實(shí)驗(yàn)得到，以Na2SO4、NaNO3、CeO2為主澄清劑的組合，其所產(chǎn)生的澄清效果是最好的，其芒硝、硝酸鈉和氧化鈰三者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.6%、2.5%和0.3%時(shí)能夠達(dá)到較為理想的澄清效果。

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