高鋁硅酸鹽玻璃原料澄清作用研究

劉紅剛 劉志林 平文亮

（清遠南玻節(jié)能新材料有限公司 清遠 511650）

0 引言

目前，高鋁硅酸鹽玻璃主要用于手機等移動電子設備的屏幕，因為高鋁硅酸鹽玻璃比鈉鈣玻璃具有更高的強度。此外，因為氧化鋁的加入改變了玻璃的網絡，［AlO4］結構取代了部分［SiO4］，增加了網絡結構中的間隙并促進了外部離子的移動，更有助于玻璃的后續(xù)化學強化［1］。Cheng J等［2］根據Vogel-Fulcher-Tamman（VFT）方程推導了玻璃熔體的黏度隨溫度的變化，研究表明，在鈉鈣玻璃中，添加12%的Al2O3替 代SiO2， 熔點（Tm）增加約35 K。

玻璃黏度是熔融、澄清、工藝優(yōu)化、玻璃成形和退火過程的關鍵特性之一，氧化鋁含量的增加明顯提高了熔化難度，降低了玻璃的良率。目前為了提高澄清效果，一般采用物理澄清或化學澄清的方法。

澄清劑是提高玻璃良率的必要手段。到目前為止，SnO2、CeO2、 Na2S O4等單 獨 或者復 合 澄清劑已經被多次研究，其澄清溫度以及作用機理已經被研究得較為清楚［3-5］。但是它們或多或少會對池窯耐材、玻璃顏色、化學強化等生產或產品性能產生負面影響，目前國內生產線對澄清劑的使用均持謹慎態(tài)度。

本文擬通過研究市面上價格大致相似的原料的澄清效果，在不增加大批量生產成本的前提下，優(yōu)選出高鋁玻璃生產的最佳原料，研究了高鋁 硅 酸 鹽 玻 璃Al2O3/ Al（OH）3、 MgO/MgCO3/Mg（OH）2、KNO3/ K2C O3等原料對高溫玻璃液的澄清效果，并分析其氣泡數量及泡沫層隨時間的變化規(guī)律。

1 實驗方法

1.1 實驗材料與基礎玻璃組成

本次實驗原料為超白硅砂（99.25%，清遠）、氧化鋁粉（98.7%，清遠）、氫氧化鋁粉（99.5%，清遠）、碳酸鈉（99.39%，昀峰）、碳酸鉀（99.11%，咸寧）、硝酸鉀（99.5%，AR，廣東光華科技有限公司）、氧化鎂（99.54%，咸寧）、氫氧化鎂（99.08%，江蘇澤輝鎂基新材料有限公司）、堿式碳酸鎂（（MgCO3）4M g（OH）2·5H2O、西隴、MgO 41.4%）、鋯英石（98.78%，咸寧）。

玻璃配方設計如表1所示。

表1 高鋁硅酸鹽玻璃組成設計

實驗設計如表2所示。

表2 不同原料配置的玻璃

1.2 實驗設備

實驗主要設備及型號：高溫視像溶解實驗裝置（GWC-Ⅱ-1580）。

1.3 實驗流程

將上述配方分別配料100 g后，充分混勻15 min，倒入石英坩堝，坩堝放入高溫視像溶解實驗裝置中，從700 ℃以5 ℃/min的速度升溫，到1350 ℃開始，視像系統(tǒng)以5 pcs/min的速度開始拍照采樣，直至1580 ℃保溫2 h結束采樣。試驗結束后保存數據，采用設備自帶的氣泡分析軟件進行氣泡分析。圖1為1580 ℃保溫1 h時的取樣圖片。

圖1 高溫下設備拍攝的玻璃液澄清圖片

2 結果與分析

2.1 Al 2O 3與 Al（OH） 3澄清效果對比

不同原料配置不同保溫時間Al（OH）3替換Al2O3對高鋁玻璃高溫玻璃液澄清的影響見圖2。

圖2 Al（OH）3替換Al 2 O 3對高鋁玻璃高溫玻璃液澄清的影響

由圖2可看出，玻璃液隨時間逐漸清澈，玻璃液中氣泡變少，泡沫層變薄，氣泡層與玻璃液分界線逐漸清晰。

隨著Al（OH）3替代Al2O3，其泡沫層明顯變薄，原因是Al（OH）3在200 ℃以上加熱失水易形成g- Al2O3， g- Al2O3活性大，容易與其他物料結合，玻璃液更容易形成，同時Al（OH）3形成的水汽還能調節(jié)配合料的氣體率，有助于玻璃液的均化［6］。部分研究表明，在玻璃熔制過程中，原料熔解越緩慢，越容易形成泡沫層，且在電熔窯中，批料層下的泡沫限制了熔融玻璃的熱通量，反之減緩了熔化速度，形成惡性循環(huán)［7-8］。

DA Pierce 等［9］將Al（OH）3、AlO（OH）、Al2O3作為熔制原料熔制玻璃后，很明顯發(fā)現(xiàn)Al（OH）3、AlO（OH）等原料在500 ℃以下就已經反應，但是Al2O3直到900 ℃仍然存留在玻璃液中，并且附著大量的氣體，形成較多的泡沫層。

2.2 MgO/Mg（OH） 2/ MgCO 3澄清效果對比

不同原料配置不同保溫時間Mg（OH）2、MgCO3替換MgO對高鋁玻璃高溫玻璃液澄清的影響見圖3。

由圖3可知，使用Mg（OH）2替代MgO，玻璃液中會產生較多微小氣泡，這主要與Mg（OH）2的性質有關，Mg（OH）2在350 ℃的時候開始失水，但只有在1800 ℃以上的時候才會完全失水，在反應過程中Mg（OH）2源源不斷釋放小氣泡，導致澄清效果較差。

圖3 Mg（OH）2、MgCO 3替換MgO對高鋁玻璃高溫玻璃液澄清的影響

使用堿式碳酸鎂（MgCO3）4M g（OH）2· 5H2O替代MgO，玻璃表面的泡沫層以及玻璃液的氣泡的情況也較差，由于生產工藝原因，堿式碳酸鎂中也包含一部分Mg（OH）2，同樣造成了玻璃液難以澄清。

2.3 KNO 3與 K 2C O3

不同原料配置不同保溫時間KNO3替換K2C O3對高鋁玻璃高溫玻璃液澄清的影響見圖4。

由圖4可知，相比A1，A5在0.5 h氣泡量較多，隨著時間延長，A5逐漸澄清，泡沫層變薄，氣泡減少，根據氣泡層厚度，2 h時澄清效果較A1好。

圖4 KNO 3替換K 2 C O 3對高鋁玻璃高溫玻璃液澄清的影響

分析其主要原因：KNO3在380 ℃熔融，與二氧化硅在800～1000 ℃下反應生成硅酸鉀、一氧化氮、二氧化氮和氧氣，其氣泡率為53.4%；K2C O3在 高溫下與SiO2發(fā)生反應，反應溫度為900～1100 ℃，分解生成CO2，氣泡率為31.8%。KNO3與 K2C O3在 熔融 反 應中溫 度 近似，KNO3氣體率較高，有利于調節(jié)熔化反應過程中氣體氛圍，也有助于玻璃液澄清。

2.4 氣體面積分析

針對上述配方熔化過程中的氣泡圖片，采用設備自帶軟件對其氣泡體積占比隨時間變化進行分析，結果見圖5。

圖5 氣泡面積占比隨時間變化圖

根據設備分析結果，100 g玻璃液在1580 ℃的情況下，熔制80 min氣泡生成基本進入平緩期；A1、A2生成氣泡較少，但是基本在1 h的時候就已經完成澄清，A3A4A5澄清開始時氣泡形成較多，A5中硝酸鉀前期氣泡形成較多，但其澄清迅速，在70 min時也基本完成澄清；A3A4澄清效果較差，且A3在后期氣泡容易出現(xiàn)反復狀況，這可能與Mg（OH）2自身反應特性相關。

3 結論

通過研究市面上價格大致相似的原料的澄清效果，在不增加大批量生產成本的前提下，優(yōu)選出高鋁玻璃生產的最佳原料，研究了高鋁硅酸鹽玻璃Al2O3/ Al（OH）3、 MgO/MgCO3/ Mg（OH）2、KNO3/ K2C O3等原料對高溫玻璃液的澄清效果，結論為：

（1）使用Al（OH）3替代Al2O3，能夠減少玻璃泡沫層厚度，加快澄清效果；

（2）使用MgCO3/Mg（OH）2替代MgO反而使玻璃液氣泡增多，因為Mg（OH）2釋放氣泡比較緩慢，釋放溫度范圍廣，導致玻璃液澄清困難；

（3）使用KNO3替代K2C O3，在反應前期，氣泡較多，但后期澄清效果較好，也降低了玻璃液泡沫層厚度。