高铝硅酸盐玻璃原料澄清作用研究

2023-01-07刘红刚刘志林平文亮

玻璃 2022年12期

刘红刚刘志林平文亮

（清远南玻节能新材料有限公司清远 511650）

0 引言

目前，高铝硅酸盐玻璃主要用于手机等移动电子设备的屏幕，因为高铝硅酸盐玻璃比钠钙玻璃具有更高的强度。此外，因为氧化铝的加入改变了玻璃的网络，［AlO4］结构取代了部分［SiO4］，增加了网络结构中的间隙并促进了外部离子的移动，更有助于玻璃的后续化学强化［1］。Cheng J等［2］根据Vogel-Fulcher-Tamman（VFT）方程推导了玻璃熔体的黏度随温度的变化，研究表明，在钠钙玻璃中，添加12%的Al2O3替代SiO2，熔点（Tm）增加约35 K。

玻璃黏度是熔融、澄清、工艺优化、玻璃成形和退火过程的关键特性之一，氧化铝含量的增加明显提高了熔化难度，降低了玻璃的良率。目前为了提高澄清效果，一般采用物理澄清或化学澄清的方法。

澄清剂是提高玻璃良率的必要手段。到目前为止，SnO2、CeO2、 Na2S O4等单独或者复合澄清剂已经被多次研究，其澄清温度以及作用机理已经被研究得较为清楚［3-5］。但是它们或多或少会对池窑耐材、玻璃颜色、化学强化等生产或产品性能产生负面影响，目前国内生产线对澄清剂的使用均持谨慎态度。

本文拟通过研究市面上价格大致相似的原料的澄清效果，在不增加大批量生产成本的前提下，优选出高铝玻璃生产的最佳原料，研究了高铝硅酸盐玻璃Al2O3/ Al（OH）3、 MgO/MgCO3/Mg（OH）2、KNO3/ K2C O3等原料对高温玻璃液的澄清效果，并分析其气泡数量及泡沫层随时间的变化规律。

1 实验方法

1.1 实验材料与基础玻璃组成

本次实验原料为超白硅砂（99.25%，清远）、氧化铝粉（98.7%，清远）、氢氧化铝粉（99.5%，清远）、碳酸钠（99.39%，昀峰）、碳酸钾（99.11%，咸宁）、硝酸钾（99.5%，AR，广东光华科技有限公司）、氧化镁（99.54%，咸宁）、氢氧化镁（99.08%，江苏泽辉镁基新材料有限公司）、碱式碳酸镁（（MgCO3）4M g（OH）2·5H2O、西陇、MgO 41.4%）、锆英石（98.78%，咸宁）。

玻璃配方设计如表1所示。

表1 高铝硅酸盐玻璃组成设计

实验设计如表2所示。

表2 不同原料配置的玻璃

1.2 实验设备

实验主要设备及型号：高温视像溶解实验装置（GWC-Ⅱ-1580）。

1.3 实验流程

将上述配方分别配料100 g后，充分混匀15 min，倒入石英坩埚，坩埚放入高温视像溶解实验装置中，从700 ℃以5 ℃/min的速度升温，到1350 ℃开始，视像系统以5 pcs/min的速度开始拍照采样，直至1580 ℃保温2 h结束采样。试验结束后保存数据，采用设备自带的气泡分析软件进行气泡分析。图1为1580 ℃保温1 h时的取样图片。

图1 高温下设备拍摄的玻璃液澄清图片

2 结果与分析

2.1 Al 2O 3与 Al（OH） 3澄清效果对比

不同原料配置不同保温时间Al（OH）3替换Al2O3对高铝玻璃高温玻璃液澄清的影响见图2。

图2 Al（OH）3替换Al 2 O 3对高铝玻璃高温玻璃液澄清的影响

由图2可看出，玻璃液随时间逐渐清澈，玻璃液中气泡变少，泡沫层变薄，气泡层与玻璃液分界线逐渐清晰。

随着Al（OH）3替代Al2O3，其泡沫层明显变薄，原因是Al（OH）3在200 ℃以上加热失水易形成g- Al2O3， g- Al2O3活性大，容易与其他物料结合，玻璃液更容易形成，同时Al（OH）3形成的水汽还能调节配合料的气体率，有助于玻璃液的均化［6］。部分研究表明，在玻璃熔制过程中，原料熔解越缓慢，越容易形成泡沫层，且在电熔窑中，批料层下的泡沫限制了熔融玻璃的热通量，反之减缓了熔化速度，形成恶性循环［7-8］。

DA Pierce 等［9］将Al（OH）3、AlO（OH）、Al2O3作为熔制原料熔制玻璃后，很明显发现Al（OH）3、AlO（OH）等原料在500 ℃以下就已经反应，但是Al2O3直到900 ℃仍然存留在玻璃液中，并且附着大量的气体，形成较多的泡沫层。

2.2 MgO/Mg（OH） 2/ MgCO 3澄清效果对比

不同原料配置不同保温时间Mg（OH）2、MgCO3替换MgO对高铝玻璃高温玻璃液澄清的影响见图3。

由图3可知，使用Mg（OH）2替代MgO，玻璃液中会产生较多微小气泡，这主要与Mg（OH）2的性质有关，Mg（OH）2在350 ℃的时候开始失水，但只有在1800 ℃以上的时候才会完全失水，在反应过程中Mg（OH）2源源不断释放小气泡，导致澄清效果较差。

图3 Mg（OH）2、MgCO 3替换MgO对高铝玻璃高温玻璃液澄清的影响

使用碱式碳酸镁（MgCO3）4M g（OH）2· 5H2O替代MgO，玻璃表面的泡沫层以及玻璃液的气泡的情况也较差，由于生产工艺原因，碱式碳酸镁中也包含一部分Mg（OH）2，同样造成了玻璃液难以澄清。

2.3 KNO 3与 K 2C O3

不同原料配置不同保温时间KNO3替换K2C O3对高铝玻璃高温玻璃液澄清的影响见图4。

由图4可知，相比A1，A5在0.5 h气泡量较多，随着时间延长，A5逐渐澄清，泡沫层变薄，气泡减少，根据气泡层厚度，2 h时澄清效果较A1好。

图4 KNO 3替换K 2 C O 3对高铝玻璃高温玻璃液澄清的影响

分析其主要原因：KNO3在380 ℃熔融，与二氧化硅在800～1000 ℃下反应生成硅酸钾、一氧化氮、二氧化氮和氧气，其气泡率为53.4%；K2C O3在高温下与SiO2发生反应，反应温度为900～1100 ℃，分解生成CO2，气泡率为31.8%。KNO3与 K2C O3在熔融反应中温度近似，KNO3气体率较高，有利于调节熔化反应过程中气体氛围，也有助于玻璃液澄清。

2.4 气体面积分析

针对上述配方熔化过程中的气泡图片，采用设备自带软件对其气泡体积占比随时间变化进行分析，结果见图5。

图5 气泡面积占比随时间变化图

根据设备分析结果，100 g玻璃液在1580 ℃的情况下，熔制80 min气泡生成基本进入平缓期；A1、A2生成气泡较少，但是基本在1 h的时候就已经完成澄清，A3A4A5澄清开始时气泡形成较多，A5中硝酸钾前期气泡形成较多，但其澄清迅速，在70 min时也基本完成澄清；A3A4澄清效果较差，且A3在后期气泡容易出现反复状况，这可能与Mg（OH）2自身反应特性相关。