普通钠钙硅酸盐玻璃的制备

实验9 普通钠钙硅酸盐玻璃的制备

玻璃是以某些无机氧化物等为原料经过高温熔化，然后急冷凝固、来不及结晶而保持熔融状态下无序结构特点的固体。一般玻璃的主要成分是二氧化硅，高温熔制时形成硅酸盐化合物，所以玻璃和陶瓷、耐火材料、水泥等同属于硅酸盐工业。玻璃具有良好的光学、热学、力学和电学等性能，且其性能可以通过组分的改变得以调控。因此，玻璃被广泛应用于建筑、交通、医药、化工、电子以及日常生活等各个领域。本实验通过高温熔制的方法，制备普通的钠钙硅酸盐玻璃。

一、实验目的

(1)、了解玻璃的组成、结构及性质；

(2)、了解玻璃高温熔制的基本过程；

(3)、制备普通钠钙硅酸盐玻璃

二、实验原理

一般玻璃的主要成分是二氧化硅，只用二氧化硅（石英）熔炼出来的玻璃叫石英玻璃。石英玻璃熔炼温度太高，通常加入助熔剂如纯碱（碳酸钠）降低熔炼温度，由此形成遇水不稳定的玻璃（水玻璃）。如果再在其中加入稳定剂如石灰石（碳酸钙），则可形成钠钙硅酸盐玻璃（碱石灰玻璃）。日常玻璃大部分属于碱石灰玻璃这个系列。熔炼玻璃时，常常还会加入一些辅助原料。例如，用来尽快赶走气泡的澄清剂如芒硝；赋予玻璃一定颜色的着色剂；消除玻璃中因杂质造成颜色的脱色剂；加速熔炼过程的加速剂等等。玻璃的性能与其组成有关，在制备玻璃前需要根据性能要求选择原料、计算配比，并进行多次试验优化配方以达到最佳的预期性能。

工业生产玻璃的基本工艺过程包括原料加工、原材料配比（配合料）混合、高温熔制、成型和热处理等。高温熔制过程中，原料之间发生复杂的物理化学变化。这个过程又可以分为硅酸盐形成、玻璃（液）形成、澄清、均化和冷却五个阶段。在约1000 o C以内，发生水分挥发、碳酸盐分解，接着二氧化硅与其他组分反应生成硅酸盐和不透明烧结物；当温度升到约1200 o C后，出现液相，同时二氧化硅在液相中溶解扩散，液相不断扩大（含有大量气体和不均匀体），最后固体全部转化为液相（玻璃液）；继续升高温度到约1400 o C，玻璃液粘度变小，可见气泡和溶解气体溢出，形成无气泡的玻璃液；高温下随着时间的延长，玻璃液化学组成和温度趋向均一；将澄清和均化的玻璃液均匀降温，使玻璃液的黏度

达到成型的要求即为冷却阶段。在钠钙硅酸盐玻璃的形成过程中，相应温度下主要有如下各种反应发生。

(1)、在600 o C 以内，配合料水分挥发，石英多晶转变，碳酸钠-碳酸钙复盐生成。

323232CaCO + Na CO CaNa (CO )→

(2)、在900 o C 以内，碳酸盐开始熔融，同时复盐、碳酸钠以及形成的复盐-碳酸钠低温共融物开始与二氧化硅反应。

23222332CaNa (CO ) + 2SiO Na SiO + CaSiO + 2CO →↑

232232Na CO + SiO Na SiO + CO →↑

2322322332CaNa (CO ) + Na CO + 3SiO 2Na SiO + CaSiO + 3CO →↑

(3)、在900 o C 以上时，碳酸盐相继分解，并继续生成硅酸盐。

23222CaNa (CO ) Na O + CaO + 2CO →↑

32CaCO CaO + CO →↑

23CaO + SiO CaSiO →

(4)、在1200 o C 以上，熔融液相不断扩大，形成玻璃液，并进行熔体的澄清和均匀化。

玻璃制备过程中，既需要严格确定相应的熔制温度制度，也需要确立成型玻璃的退火温度制度，这些温度制度的确立，可以参考相关相图、经验公式计算和多次试验摸索获得。例如熔制温度的估计，即对于玻璃液形成到过剩固体消失这一阶段的熔制温度，可按沃尔夫M ．Volf 提出的熔化速度常数（τ）公式进行估算。

2232223 = [SiO + Al O ] / [Na O + K O +(B O /2)]τ

其中各氧化物分子式代表其在玻璃中的质量百分数，根据熔化速度常数τ与熔化温度的关系可大致确定该玻璃的熔制温度。

熔化速度常数τ与熔化温度的关系 τ

6.0 5.5 4.3 4.2 t/℃ 1450∼1460 1420 1380∼1400 1320∼1340

三、实验仪器与试剂

(1)、仪器

电阻炉，刚玉坩埚，研钵，电子天平，坩埚钳，石棉手套，模具（自制）；

(2)、试剂

SiO 2，CaO ，MgO ，Al 2O 3，Na 2O

四、实验步骤

(1)、玻璃原料的选择

玻璃通常由SiO 2，Al 2O 3，CaO ，MgO ，K 2O 和Na 2O 等组成，还可加入B 2O 3，ZnO ，BaO ，和PbO 等以适应性能的需求。制备玻璃前，需要根据性能要求，确定决定玻璃主要性质的氧化物及其含量，其中主要氧化物的总量往往要达到总质量的90％。工业玻璃一般都要使用五六个以上的原料，并且多参考相图来确定玻璃的成分以及温度制度。下表给出一种易熔Na 2O-CaO-SiO 2玻璃的两组配方数据。

Na 2O-CaO-SiO 2玻璃组分表 成 分 SiO 2 CaO MgO Al 2O 3 Na 2O

1 71.5 5.5 1 3 19

2 69.5 9.5

3 3 15

注：数字均为各氧化物的质量百分比

(2)、配合料的制备

根据表格，计算制备5 g 玻璃液所需各氧化物质量，称量后在研钵中研磨约60 min ，混合均匀后，把配合料转移到刚玉坩埚中。

(3)、高温熔制

把装有配合料的坩埚放入高温炉中，按下述温度制度，使配料相互反应，熔融成玻璃液，然后在1300 o C 下保温两个小时使其澄清均化。

o o 5/min 60min 3C/min

60min o o o o 3C/min 120min o o o 30C 900C 900C 1200C 1200C 1300C 1300C o C ⎯⎯⎯⎯→⎯⎯⎯→⎯⎯⎯⎯→⎯⎯⎯→

⎯⎯⎯⎯→⎯⎯⎯→

(5)、退火处理

从高温炉中取出装有均化的玻璃液坩埚，放入预热至550 o C 的高温炉中，按下述温度制度处理，获得透明固体玻璃。

o

30min 2/min o o o 550C 550C 300C C ⎯⎯⎯→⎯⎯⎯⎯→⎯⎯⎯→断电室温