铝硅酸盐玻璃中澄清剂的使用研究

黄启兴

摘要：在玻璃制造过程中经常碰到的一个问题就是在玻璃中会出现玻璃气泡，玻璃气泡的出现严重影响了玻璃的质量，所以必须采取措施来解决这个问题，本文对于利用澄清剂来消除玻璃中的气泡方法进行了研究，并且对于澄清剂的使用做了相关的实验，对于实验前的准备及实验的过程进行了介绍，还对实验的结果进行了分析，为玻璃生产过程中气泡的去除提供了理论和技术基础。

关键词：铝硅酸盐玻璃；气泡；实验；澄清剂

引言

在制作玻璃的过程中出现气泡是非常常见的一种现象，气泡的出现不仅会对玻璃的美观造成一定的影响，而且还会在很大程度上影响玻璃的质量。目前来讲，去除玻璃中气泡的技术主要就是在玻璃制作的过程中使用澄清剂。本次研究的对象是铝硅酸盐玻璃，它是一种目前最为常见的玻璃种类之一，这种玻璃具有较高的强度以及透明度，因而在很多领域中都得到了非常广泛的应用。这种材质的玻璃和传统意义上的玻璃的组成具有较大的差别，能够在很大程度上减少析晶，并且析晶的速度也大大降低，使得这种类型的玻璃不仅具有很高的强度而且透过性还比较好。在铝硅酸盐玻璃的制作过程中加入氧化镁能够进一步抑制析晶，进而防止玻璃在制作过程中冷却工序上的析晶或者炸裂的现象。这种玻璃硬度高，机械强度大，所含有的三氧化二铝以及氧化镁的量较高，因而熔化所需的温度较高，并且所形成的熔液粘度较大，玻璃中气泡的去除存在很大的难度。所以在铝硅酸盐玻璃制作的过程中气泡的去除和普通的玻璃制作的过程中气泡的去除是存在一定差别的，在气泡去除的过程中一种澄清剂的澄清效果不好，需要综合使用几种澄清剂才能够达到较好的去除气泡的效果。本文主要对不同澄清剂的使用效果进行研究，对于各种澄清剂之间的配合使用以及各种澄清剂使用的比例也都进行了相应的研究。

1实验准备

本实验所选取的材料有低铁硅砂、白云石、石灰石、纯碱、碳酸钾、芒硝、氧化铝、硝酸钠、氯化钠等，为了使得实验的过程更加贴近于玻璃生产的过程，所以在实验的过程中尽量选用矿石原材料，包括硅砂、白云石、石灰石等。主要实验设备为： 电子天平，分析天平，高温加热炉，以及刚玉坩埚和电子显微镜等等。

2实验

制作样品的过程可以分为4个步骤： 包括配合料的准备、玻璃的熔制、浇铸、样品的退火等，在实验过程中，严格控制各个环节，具体步骤如下：

步骤1：首先根据玻璃的设计成分来选择相应的原材料，精确计算各种原材料所占的比例，用分析天平称量各种原材料后放在一起搅拌均匀；

步骤2：将混合好的原材料加入到能耐较高温度的刚玉坩埚中，对其进行加热变为熔融状，再将刚玉坩埚处于1300°C下保持半个小时，之后将刚玉坩埚的温度加热到1600°C，把原材料熔化为玻璃液，接着保温两个小时；

步骤3：把加热炉温度调节到按要求的数值后将玻璃熔液倒入到不锈钢的装置中进行成型处理；

步骤4：接着将成品放入到700°C的温度下进行退火处理。待冷却之后将产品进行一系列的后加工处理，最终形成较为光滑的样品。

然后计算每个样品的气泡个数，最后计算总的样品中的气泡的个数。

3澄清剂的使用

铝硅酸盐玻璃因为材料的特点需要较高的熔化温度，所形成的玻璃液体的粘度以及液体表面的张力都比较大，在熔制的过程中所形成的气泡很难释放出来，所以在澄清剂选择中需要选用一些承受较高温度的澄清剂如氯化钠、芒硝和氧化铈的组合等来去除玻璃液体中的气泡。利用氯化钠來澄清气泡的原理如下，氯化钠在1442摄氏度下会发生气化，降低二氧化碳和氧气的分压，从而有利于气泡的溢出，使得玻璃得到澄清。利用芒硝对玻璃进行澄清的机理如下：芒硝在高温下会进行分解，其反应所产生的氧气和二氧化硫气体有利于玻璃中气泡的溢出，从而起到澄清的作用。硝酸钠对于玻璃的澄清的机理如下：这种物质一般和三氧化二锑、三氧化二砷或氧化铈一起使用，但由于砷、锑是剧毒元素，本文不主张采用，但可以与氧化铈一起使用。硝酸钠的分解温度在400摄氏度左右，在硝酸钠分解的初期就会释放出氧气，使得相应的低价氧化物被氧化为高价的氧化物，高价的氧化物在温度持续升高的过程中又会将得到的氧元素以氧气的形式释放出来。氧化铈用作澄清剂时，一般与硝酸钠共用，就是应用这一原理的。因此，它需要与硝酸钠共用才能体现更好的澄清效果。

通过实验表明，单独使用氯化钠、硫酸钠、硝酸钠或氧化铈，其澄清效果都不好，不能有效消除玻璃中的气泡，而且这些澄清剂单独使用，都有不同的副作用或不良的影响，氯化钠，会对耐火材料产生侵蚀，不宜单独使用；硫酸钠作为澄清剂，如果熔化气氛控制不好或者还原剂使用不当，会使玻璃液形成硝水，反而不利于熔化和澄清，对耐火材料也有侵蚀作用；硝酸钠分解温度低，单独使用在玻璃液还未进入澄清阶段就几乎把氧气释放完毕，高温时反而不能释放氧气而澄清作用不大；氧化铈本身就要与硝酸钠一起使用的，单独使用澄清作用不明显。

因此，本实验需研究使用组合澄清剂。根据上述几种澄清剂，本实验选择了Na2SO4、NaCl，NaCl、Na2SO4、NaNO3，Na2SO4、 NaNO3、CeO2等几种澄清剂的组合来对铝硅酸盐玻璃进行澄清。

通过实验并分析比较，以Na2SO4、NaNO3、CeO2为主的组合，其所产生的澄清效果是最好的，并且CeO2的氧化性非常的强，能够在很大程度上使得玻璃中的Fe2+转变为Fe3+，而Fe3+的着色能力是Fe2+的1/10左右，这使得玻璃变得更加透明光亮，透射能力也变得很好。所以在玻璃澄清剂种类的选择上以上述三种澄清剂的组合方式为最佳，接下来对于每种澄清剂的比例的使用进行了相应的研究。

4澄清剂比例的控制

本实验首先对于三种组合中的前两者的物质的量进行固定，然后来观察CeO2含量的不同对于玻璃澄清效果的影响，并且在这个过程中定义了气泡的大小以及气泡的等级。当氧化铈使用量较小的时候，其很难消除那些较小的气泡，随着其含量的增加其中所含的较小气泡的数量也在不断的减小。但是过量使用，也会使得玻璃呈现出黄色，且对于玻璃中气泡的澄清效果也不是非常的明显。经反复的实验，得出CeO2的最佳质量分数为0.3%。

在确定CeO2含量后，再来确定其他两种澄清剂的用量。用上述同样的方法，将其他两种澄清剂的质量分数进行固定，只针对芒硝质量分数的变化来观察相应的对于玻璃澄清的效果。根据生产经验，玻璃配合料中芒硝的质量分数一般为2% ～ 3. 5%。以此为基准，玻璃的基础组分不变，选用氧化铈0.30%（ 质量分数） + 硝酸钠2.5%，分别和芒硝0%、2.0%、2.2%、2.4%、2.6%、2.8%、3.0%、3.2%、3.5%进行混合试验，比较其澄清效果。其效果如表1 所示。

从表1的实验结果可以得出，随着芒硝质量分数的增大其对于玻璃澄清的效果也是越来越好。但是当芒硝的质量分数超过2.6个百分点的时候其对于澄清效果的影响就不是那么明显了。因此芒硝的质量分数选用2.6个百分点。

再通过同样的实验，从表2的实验数据可以得到，随着硝酸钠质量分数的增加其对于玻璃澄清的效果会变好，但超过2.5%质量比例后，效果趋于平缓，而且随着硝酸钠的增多会释放出污染空气的NOx气体，所以将硝酸钠的质量分数控制在2.5个百分点。

结论：

通过本文对于铝硅酸盐玻璃气泡去除的过程中各种澄清剂的使用，得到了以下的结论：1、在铝硅酸盐玻璃气泡去除的过程中，单一的澄清剂的澄清效果都不好，因此不宜选择单独的澄清剂。

2、组合澄清剂的效果更好。本文通过实验得到，以Na2SO4、NaNO3、CeO2为主澄清剂的组合，其所产生的澄清效果是最好的，其芒硝、硝酸钠和氧化铈三者的质量分数为2.6%、2.5%和0.3%时能够达到较为理想的澄清效果。

参考文献

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