玻璃的结构与熔制.pdf

玻璃的结构与熔制 玻璃属固态无定形物体 一般性脆而透明 化学成份比较复杂 除硅酸盐玻璃外 有以 硼酸盐 氟化物为主的玻璃 也有含有钛 锆 锗 钒等氧化物的特种玻璃 至于有机玻璃 它 是属于高分子塑料材料 一 玻璃的结构与性质 玻璃结构 玻璃的结构理论比较流行的是无规则网络学说和晶体学说 无规则网络学说认为阳离 子在玻璃结构网络中所处的位置不是任意的 而是有固定的配位关系 多面体的排列也有一 定规律 并且在玻璃中存在着多种网络 骨架 所以玻璃具有近程有序和微观不均匀性 晶 体学说估算了 晶子 在玻璃中的大小 数量以及 晶子 的无序部分在玻璃中的作用 因此 玻璃可以说是具有近程有序 晶子 区域的无定形物质 玻璃 非晶态网络状结构玻璃 结晶型玻璃 微晶玻璃 非晶态和结晶物混合态玻璃 我们把玻璃与石英做比较 从近程看 石英与玻璃的结构单元都是 234 四面体 即一 个 原子被四个 原子所包围 这种四面体互相联结构成三维空间网络 以远程看 石英晶 体是远程有序的 而玻璃是远程无序的 因此玻璃是非晶体而石英是晶体 到目前为止 虽然公认的玻璃定义还未形成 学说很多 但根据已有的夫于玻璃结构定 义的各种学说 把玻璃理解为 熔体因冷却 粘度逐渐增大而形成的非晶态固体物质 还是比 较适宜的 在玻璃中虽存在着硅氧四面体的基本结构 但它并不象完整晶体那样 晶格上的粒子有 规律的排列 而是漫无规律的排列 因此玻璃没有确定的熔点 它在一定温度范围内逐渐变 软 在软化状态 它可被吹制加工成各种不同的外形 玻璃的性质 密度 密度最小的是玻璃石英玻璃 为 时有一个折点 在此温度以下呈玻璃 态 在此温度以上至熔融之前是过冷液体 玻璃转变温度是表征玻璃物质的主要物理量 是 与晶态物质的重要区别之一 图画出了晶态物质与玻璃态物质比容随温度变化的清况 图 5晶态与非晶态物质比容 温度变化曲线 硬度 硬度是固体材料抵抗另一种固体深入其内部而不产生残余形变的能力 玻璃的硬度主 要决定原子半径 电荷大小及堆积密度 随着离子半径变化 硬度变化的一般规律是按下列 顺序递增 0 加入 1 等离子都会降低玻璃硬度 玻璃的硬度在摩氏硬度表上为 级 铅玻璃最软 硬度为 级 普通玻璃为 级 机械性质 机械性质是决定玻璃坚固耐用性的重要因素 玻璃具有较大脆性 在外力作用下易于 断裂 玻璃制品易于破损是因为在玻璃表面存在前无数的微裂纹 内部不均匀以及结构缺陷 所致 玻璃的脆性大小可由冲击强度表示 玻璃经过钢化处理可提高冲击强度 倍 玻璃的抗压强度比其抗张强度要高得多 约为抗张强度的十余倍 玻璃成分中含有氧化硅 和氧化钙能提高抗张强度 而含有氧化钠和氧化剂则会降低玻璃的抗张强度 热稳定性 玻璃经受急剧的温度变化而不致破裂的性能称为玻璃的热稳定性 或称耐温急变性 玻璃的热稳定性通常以所承受的最大温度差 表示 玻璃的导热性很差 在温度急变时 山于内外层温度差的存在 因而引起涨缩不一致的 现象 使玻璃内部产生不同程度的应变 应变愈大其伴生的应力也愈大 玻璃经受急热比经受急冷的能力强得多 原因在于急热时玻璃的表而产生压应力 急冷 时表面产生张应力 而玻璃的抗压强度要比抗张强度大十余倍 故玻璃的耐忽热比耐急冷能 力要强 因此玻璃的热稳定性通常是以其耐急冷的温度差表示 玻璃的热膨胀系数由下式表示 式中 为热膨胀系数 为试样固有长度 为加热前后的温度差 为试样加热后的 伸长量 玻璃的热膨胀系数主要取决于玻璃组成 石英玻璃的 最小 增加 2 2 2 2 含量 会使 增加 增加 2 34 2 2 2 2 等含量会使 降低 同一成分的玻璃制品愈薄热稳定性愈大 局部骤然受热或受冷时 则易于破裂 另外 当玻璃内部存在有不均匀应力 或表面存在有细小的裂纹以及其他缺陷时 都会降低其热稳 定性 化学稳定性 玻璃抗水 酸 碱 大气中的水汽或其他气体 以及各种化学因素作用的能力 称作玻璃 的化学稳定性 玻璃的化学性质比较稳定 对水和酸具有较强的抵抗力 除氢氟酸及可溶性氟化物能使 其溶解外 一般的酸对玻璃不发生侵蚀 另外 氢氧化物也能与硅酸盐起反应 使玻璃慢慢 溶解而变成可溶性的硅酸盐 破坏硅氧所构成的骨架 除此而外碳酸盐 磷酸盐山对玻璃有 一定的侵蚀作用 光学性质 透明性是决定玻璃具有广泛用途的最重要性能 对一般玻璃来说 光线被透过的愈多 被吸收的就愈少 其质量就愈好 透明性良好的窗玻璃 厚 可以透过投射光线 光谱 的可见部分 的 反射约 吸收约 玻璃具有较大的折光性 这一性能特点使它在光学上具有重要的用途 并可制成光辉悦 目的艺术品和优质日用器皿 玻璃的成份 玻璃的成份主要为二氧化硅和多种金属氧化物 表 例出了一般普通玻璃的组成及 特性 当前因显示器大量使用 显示器玻璃愈来愈多 这是一个即将形成的大环境污染源 而 且它又极易与包装用玻璃混杂 故我们应对其成份有一定了解 表 为显示器所用各种 玻璃的成份 表 普通玻璃的组成及特性 类型 主要组成百分数 主要特点 石英玻璃 极小的热膨胀系数 硼硅酸盐玻璃 耐热 化学稳定 热膨胀小 窗玻璃 长寿命 钠 钙玻璃 容器 易加热 化学稳定性好 纤维玻璃 易热拉成纤维 低碱度 表 显示器玻璃的成份 屏玻璃锥玻璃管颈玻璃低熔点玻璃 0 12 3 3 3 0 415 0 4 0 4 5 6 5 0 0 15 屏玻璃锥玻璃管颈玻璃低熔点玻璃 二 玻璃的原料与熔制 玻璃的原料 制造玻璃的原料 可分为主要原料和辅助原料两大类 主要原料 玻璃的主要原料是形成玻璃熔体的基础 是供给其成分中的各种主要氧化物 如 01 2 3 等 作为主要原料是 石英砂 硼酸 硼 砂 长石 铅丹 碳酸钡 石灰石 碳酸镁 纯碱 芒硝 碳酸钾等 辅助原料 辅助原料的作用是用以促进玻璃的熔制 改进玻璃的性能 辅助原料主要有助熔剂 着 色剂 脱色剂 乳浊剂和澄清剂等 助熔剂 助熔剂可使玻璃熔制速度加快 降低玻璃熔制的温度 缩短玻璃的熔制时 间 通常采用的是硝石和萤石 另产碎玻璃也是很好的助熔剂 着色剂 着色剂能使玻璃具有各种不同的颜色 以适合应用的需要 表为玻璃中使 用的几种着色剂 4 脱色剂 玻璃的脱色主要指减弱铁化合物对玻璃着色的影响 从而使无色玻璃具有 良好的透明度 脱色剂按其作用原理主要有化学脱色和物理脱色二种 化学脱色 借助于脱色剂的氧化作用 可以使被有机物沾污产生的黄色消除 并使着色 能力强的氧化铁变成着色较弱的氧化亚铁 常用的氧化剂有硝酸钠 硝酸钾 硝酸钡 白砒 氧化锑等 化学脱色可使吸光性减弱 透光性提高 物理脱色是在玻璃中加入一定数量能产生互补色的着色剂 如当玻璃被氧化铁着色 后 往往会影响玻璃透过红色与紫色光线而使玻璃呈蓝绿色 但若加入能使玻璃呈红紫色的 氧化锰 就可消除蓝缘色而使玻璃无色 物理脱色的缺点是会因脱色而降低速明度 在生产中常常是物理脱色和化学脱色结合使用 以达到更好的效果 5 乳浊剂 将乳浊剂引入玻璃 可使玻璃成为半透明体 其原因在于乳浊剂在玻璃中 形成极细小的结晶颗粒而悬浮于玻璃熔体中 这种颗粒将光线向四方散射 致使玻璃成为 乳浊体 应用最广的乳浊剂是氟和磷的化合物 如 冰晶石 硅氟酸钠 磷酸钙等 回收废 玻璃对这些含乳浊剂的玻璃应分别回收 特别注意不要将其引入透明制品之中 澄清剂 澄清剂是为了消除玻璃在熔制过程中所产生的气泡而加入的物质 原料在 熔制玻璃的过程中会产生大量的气体 若不除去就会使制品存有气泡而降低质量 澄清剂 能在高温的玻璃熔体中使原来存在于玻璃中不易逸出的小汽泡被澄清剂形成的大气泡所吸 入 而后一同放出 通常作澄清剂的有白砒 芒硝 硫酸铵等 玻璃的熔制 首先将原料进行干燥 磨细和筛选 然后按照制品性能要求所制订的配方 将各种原料 精确称出 并加以均匀混合后 即可放入熔窑内进行熔制 玻璃熔炉又叫玻璃熔窑 玻璃熔窑通常有两种类型 一种为坩埚窑 另一种为池窑 玻璃 的熔制温度约为 图 画出了一个典型的玻璃熔炉结构示意图 图 溶制瓶罐玻璃的玻璃熔炉 熔炉的大小通常由面积来表示其容积为