一種高鋁高堿硅酸鹽玻璃高效復合澄清劑的研究

王明忠　劉紅剛　蔣江　袁偉　梁其尤　魏猛

摘 要：鋁硅酸鹽玻璃具有良好的耐磨、耐劃傷、抗沖擊、光通透性，目前廣泛應用于高層建筑、汽車、高鐵和電子信息等領域，然而因鋁硅酸鹽玻璃中鋁含量高，其所需的熔化溫度高、玻璃粘度和表面張力大、以致存在玻璃澄清困難、氣泡難以排除的問題。本文研究了一種鋁硅酸鹽玻璃的高效復合澄清劑并通過設計試驗對該澄清劑的使用效果及作用機理進行了對比分析總結，希望能為提高玻璃澄清效率、改善高鋁硅酸鹽玻璃品質提供指導性作用。

關鍵詞：鋁硅酸鹽玻璃 澄清困難 高效復合澄清劑

中圖分類號：TQ17 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0096-03

Abstract：Aluminum silicate glass has good abrasion resistance， scratch resistance， impact resistance， light permeability， and be widely used in high-rise buildings， cars， high-speed and electronic information fields. However，because of Al2O3 content is higher in aluminum silicate glass， it needs high melting temperature， large glass viscosity and surface tension， so that the glass clarify difficulties， bubble is difficult to rule out the problem. The efficient composite clarifier of aluminum silicate glass was studied in this paper， using effect and mechanism were analyzed and summarized through the design experiment， hoping to providing guidance for improving the efficiency of refining glass and the quality of high aluminum silicate glass.

Key Words：Aluminum silicate glass；Refining difficulty；High efficiency composite clarifier

鋁硅酸鹽玻璃一般是指以SiO2和Al2O3為主要含量，SiO2≥50%，Al2O3≥12%，利用Al2O3獲得良好的物理和化學性能的玻璃。依據玻璃網絡結構學說：隨著玻璃組成中Al2O3含量的增加，玻璃的析晶傾向及熱膨脹系數會得到有效的降低，玻璃的機械強度、化學穩定性、熱穩定性等都會得到提高。

在鋁硅酸鹽玻璃熔制過程中，其熔化溫度、玻璃液粘度、表面張力都會因Al2O3含量的增加增大，從而對玻璃的熔化、澄清、均化等工藝技術帶來困難，玻璃澄清困難、澄清質量不佳、氣泡缺陷增多等問題更為突出，進而給玻璃性能和品質帶來嚴重不利影響。

目前最常見消除玻璃中可見氣泡的措施就是升高熔化溫度和澄清溫度，但這樣不僅能耗高，還會降低窯爐耐材的壽命。因此，在玻璃生產過程中，有必要加入澄清劑，以消除玻璃中的可見氣泡，然而針對高鋁玻璃的特性，單一的澄清劑并不能滿足其良好的澄清要求，所以往往需要綜合各類澄清劑的優點，以研制出一種高效的復合澄清劑來達到高鋁硅酸鹽玻璃的澄清要求。

1 試驗過程

1.1 試驗材料及設備

本試驗所需的原料包括：石英砂、Na2CO3、CaCO3、KNO3、K2CO3、NaNO3、MgO、Al2O3、鋯英砂和TiO2；復合澄清劑：NH4NO3、Na2SO4、CeO2和SnO2，在使用時，可以將硝酸鹽、硫酸鈉（Na2SO4）、氧化鈰（CeO2）和氧化錫（SnO2）按配比混合后再使用，也可以在制備玻璃時，按配比稱取硝酸鹽、硫酸鈉（Na2SO4）、氧化鈰（CeO2）和氧化錫（SnO2）直接與原料混合物混合，使用方便。

試驗設備：（1）氣泡用外觀缺陷檢測儀（效力王）及顯微鏡（尼康A1共聚焦激光顯微鏡）進行觀察統計；（2）軟化溫度及轉變溫度是利用耐馳熱膨脹儀（耐馳DIL402PC）進行測試，將樣品做成50mm左右的條狀試樣，從室溫以速率5℃/min升溫至測試完畢；（3）表面應力和離子交換深度利用表面應力測試儀（FSM-6000LE）進行測試；（4）1700℃硅鉬棒高溫電爐。

1.2 試驗方法

第一步：將所需的原料混合均勻，然后再與玻璃澄清劑進行充分混合得到配合料，將所制配合料于1400℃～1520℃下熔融1h，然后升溫至1550℃～1620℃進行澄清，澄清時間1h，得到玻璃液。原料混合物和玻璃澄清劑的質量比控制為（90.5～98.78）∶（1.22～9.5），復合澄清劑：硝酸鹽、硫酸鈉、氧化鈰和氧化錫，它們質量比控制范圍為：（0.2～3.0）∶（1.0～3.0）∶（0.01～2.0）∶（0.01～1.5）。

第二步：采用了浮法方式成型，制備得到玻璃后，然后將玻璃于300℃下保溫30min進行預處理。預處理完后進行鋼化，鋼化玻璃的具體步驟為：將玻璃放入溫度為380℃～450℃的硝酸鉀熔融液中處理0.5～8h，得到鋼化玻璃。最后以5℃/min降溫速率降溫至100℃，并于100℃下保溫30min。經過鋼化處理，鋼化玻璃的離子交換深度可以達到24?m以上，表面應力達到600MPa以上。

2 試驗結果及分析endprint

試驗中設計了A1～A10共10組種不同成分鋁硅酸鹽玻璃，將其原料混合物和玻璃澄清劑按要求進行混合，同時也設計了對比組A0，該組的玻璃澄清劑只由CeO2和SnO2組成，且CeO2和SnO2的質量比為3∶4，其余組成與A1一致。將設計的11組不同配方按上述的試驗方法進行混合、熔化、澄清、成型及鋼化，得到的試驗數據及結果如表1及表2。

由表2可看出，A0～A10鋁硅酸鹽玻璃的氣泡缺陷較少，每平米玻璃大于0.02 mm氣泡數最高僅為兩個，氣泡數少于對比例組A0。鋼化性能優良，DOL能夠達到24?m以上，CS在600MPa以上，這說明該復合澄清劑能滿足硅酸鹽玻璃的性能要求。在化學組成相同的情況下，采用復合澄清劑的A1比A0的熔制溫度和澄清溫度均低40℃，這說明該復合澄清劑不僅能大幅度降低澄清溫度，提高澄清效率，還降低玻璃熔制溫度，起助熔作用。另外保證氣泡要求的條件下， A1-A10鋁硅酸鹽玻璃澄清溫度1575℃～1620℃，熔融溫度1470℃～1520℃，相比A0低25℃～70℃，這也再次說明了該復合澄清劑具有很好的澄清和助熔作用。

原因及機理分析：（1）該鋁硅酸鹽玻璃復合澄清劑包括合適配比的硝酸鹽、硫酸鈉（Na2SO4）、氧化鈰（CeO2）和氧化錫（SnO2），硝酸鹽的強氧化作用使Sn、Ce在熔融階段以四價的形式穩定下來，避免過早的釋放出氧氣。在澄清階段，大部分的SnO2及CeO2分解為SnO及Ce2O3并釋放出氧氣氣泡，溶解在玻璃液中的氣體擴散到這些氧氣氣泡中，從而帶動氣泡上升，沒有上升的小氣泡在澄清階段結束時再被吸收，在吸收過程中SnO及Ce2O3再被氧化成SnO2及CeO2，使玻璃的氣泡含量極少。Na2SO4在高溫下分解成Na2O和SO3，SO3氣體形成氣泡融合玻璃液中的其他氣體，氣泡進一步長大后浮到玻璃液表面釋放到環境中，進一步減少玻璃的氣泡含量。因此，上述玻璃澄清劑無毒無害且澄清效果較好。

（2）該玻璃澄清劑可以實現不同溫度階段的連續的澄清作用。硝酸鹽分解溫度110℃～600℃，Na2SO4的熱分解溫度為1120℃～1220℃，CeO2分解溫度為1300℃～1400℃，SnO2分解溫度在1500℃以上，所以通過使用上述玻璃澄清劑可以保證玻璃液在不同的溫度階段能持續排出氣泡，從而得到澄清效果更佳的產品，每平方米氣泡（>0.02mm）數量不高于兩個。

另外上述鋁硅酸鹽玻璃澄清劑不含有As2O3、Sb2O3等有毒有害物質，無毒無害、安全環保，該玻璃澄清劑的澄清效果較好，澄清溫度較低，使用該玻璃澄清劑制備的玻璃的氣泡缺陷較少，玻璃質量較高，也有利于減少能耗降低成本并提高窯爐耐材的壽命。

3 結語

通過試驗探討研究了一種鋁硅酸鹽高效復合澄清劑，分析總結了該復合澄清劑的作用機理，相信對鋁硅酸鹽玻璃生產及品質的改善提升具有一定的指導意義。

（1）鋁硅酸鹽玻璃化學組成相同的情況下，采用該高效復合澄清劑能使玻璃熔制溫度和澄清溫度均降低40℃。

（2）在保證氣泡要求的條件下，該復合澄清劑可以降低鋁硅酸鹽玻璃的澄清及熔融溫度25℃～70℃，起到很好的澄清和助熔作用。

（3）該種高效復合澄清劑不含有As2O3、Sb2O3等有毒有害物質，綠色環保。另外因其具有不同溫度階段的連續澄清作用，澄清效果好，制得的玻璃質量高，同時也降低了能耗，提高了窯齡。

參考文獻

[1] 高哲，田英良，沈學紅.高強度鋁硅酸鹽玻璃及其化學鋼化方法：中國，CN200810147442.3[P].2009-01-07.

[2] 田英良，孫詩兵.新編玻璃工藝學[M].北京：中國輕工業出版社，2009：337-341.

[3] 王琦，樊進軍.兩種高鋁玻璃化學鋼化性能分析[J].玻璃，2013（6）：47-48.

[4] 陳國平.玻璃的配料與熔制[M].北京：化學工業出版社，2006：78-88.

[5] 田英良，程金樹，張磊，等.超薄鋁硅酸鹽玻璃生產關鍵技術探討[J].玻璃與搪瓷，2011，39（1）：22-26.endprint