不同氧化物对NCSP系乳白玻璃性能的影响及其化学稳定性的研究

摘要

乳白玻璃因其色泽柔和，高雅大气，广泛应用于建筑、装饰、器皿、照明和齿科材料等日常生活材料中。然而由于常规乳白玻璃中氟化物的挥发，对环境和人体有很大的危害，而且在生产中氟化物对窑炉的侵蚀也非常严重，因此无氟乳浊玻璃的研究一直受到关注。磷酸盐乳浊玻璃以磷酸盐作为乳浊剂，避免氟化物的挥发，节约了成本，减少了污染，是乳白玻璃重要发展方向之一。
　　本文采用熔融法制备Na2O-CaO-SiO2-P2O5(简称NCSP)系乳白玻璃，单独改变配方组分中的 ZnO、CaO、B2O3，以及用 K2O等质量替代 Na2O，利用组份的特性及优选各氧化物之间的比例，通过体积密度、抗弯强度测试乳白玻璃的物理及力学性能，利用耐酸耐碱性测试材料的化学稳定性，利用傅里叶红外光谱（FT-IR）分析材料的分子结构变化，利用热膨胀仪分析乳白玻璃受热情况的线膨胀性，利用 X射线衍射（XRD）分析乳白玻璃析晶性能，利用扫描电镜（SEM）观察材料显微结构，探讨不同氧化物对此体系乳白玻璃结构及性能的影响，以期望得到高白度、低膨胀系数、分相良好的乳白玻璃。后期分别采用酸、碱侵蚀制得的乳白玻璃，通过样品的质量损失，样品在侵蚀液中的离子析出，扫描电镜（SEM）观察侵蚀后玻璃表面的变化，探讨不同时间、不同浓度、不同温度酸和碱对此体系乳白玻璃化学稳定性的影响。
　　研究结果表明：一定量 ZnO的加入使玻璃乳浊程度增加，从而使得白度提高，而且少量的 ZnO促进了 Na3Ca6(PO4)5晶体的生成，进一步加入 ZnO会与磷酸盐结合生成 Zn2P2O7晶体；进而也影响了玻璃的热力学性能，使得玻璃的抗折强度和密度在一定程度上得到提高；在 ZnO量为5％时，热膨胀系数最低为8.018×10-6/℃；而且ZnO的加入，降低了样品的析晶温度。在 ZnO量的研究基础上，改变 CaO的添加量，CaO对此体系乳白玻璃中富磷相尺寸有较大的影响，随着 CaO质量分数的增加，玻璃由乳浊状态变为半乳浊状态，说明 CaO不利于富磷相的富集，从而导致样品的白度逐渐减小， CaO添加量为14%时，白度值最小为78.01%，这与Ca2+的场强以及离子极化率有关系；CaO量的增加促进了 Na3Ca6(PO4)5晶峰、Zn2P2O7晶峰强度的增大，由于晶相数量的增加，使得样品的抗弯强度和密度均呈现递增趋势。
　　在 CaO量的研究基础上，改变 B2O3的添加量，对玻璃内部的结构有影响，玻璃内部的 O-Si-O键数量减少，[BO3]三角体数量增多；富磷相的尺寸逐渐增大，分相边缘变得更加圆润；而且一定量B2O3促进了 Na3Ca6(PO4)5晶体的生成；因为[BO3]三角体使得内部结构变疏松，因此样品的密度逐渐降低，耐酸碱性逐渐变差；B2O3量为10%时，热膨胀系数最低为7.9221×10-6/℃。在 B2O3研究基础上，用 K2O替代 Na2O，使得富磷相尺寸变小，分相边缘变圆润，白度逐渐增加；当 K2O添加量为6%时，白度值最高为86.35%，这是因为 K+极化率较大，有利于降低分相表面张力；由于 Na+量的减少， Na3Ca6(PO4)5晶峰强度逐渐变小；随着K2O替代Na2O，又因为K+离子半径大于 Na+离子半径，进而引起玻璃结构间的空隙变大，降低了样品的抗弯强度和密度，样品的耐酸碱性变差。
　　对性能较佳的玻璃进行化学稳定性研究，在盐酸溶液和 NaOH溶液中，随着侵蚀时间的增加，玻璃失重速率先增加后降低，30天时，在 NaOH溶液中玻璃样品的失重量大约是盐酸溶液中样品失重量的45倍，样品耐酸性强于耐碱性；温度的升高有助于增加侵蚀液与玻璃样品的反应速度；样品在盐酸中的侵蚀机理以酸中的 H+离子和样品中的 Na+离子进行离子交换为主；而在 NaOH溶液中，样品中Si、P元素析出较多，NaOH溶液对玻璃内部骨架结构破坏严重，有大量的粉末掉落。

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第一章 绪 论

1.1乳白玻璃的概念

1.2乳浊玻璃的乳浊机理

1.3乳浊玻璃的分类

1.4乳浊玻璃的应用

1.5乳浊玻璃的应用要求

1.6国内外对乳浊玻璃的研究现状

1.7国内外对玻璃化学稳定性的研究现状

1.8乳浊玻璃存在现有问题

1.9本课题提出和研究的意义

第二章 实 验

2.1实验原料与配方设计

2.2实验工艺流程

2.3实验设备

2.4性能表征

第三章ZnO、CaO对乳白玻璃性能的影响

3.1前言

3.2 ZnO添加量对乳白玻璃性能的研究

3.3 CaO添加量对乳白玻璃性能的研究

3.4本章小结

第四章B2O3、K2O/Na2O对乳白玻璃性能的影响

4.1前言

4.2 B2O3添加量对乳白玻璃性能的研究

4.3 Na2O、K2O对乳白玻璃性能的研究

4.4本章小结

第五章 乳白玻璃在酸碱中化学稳定性的研究

5.1前言

5.2实验

5.3玻璃在酸中化学稳定性的研究

5.4玻璃在碱中化学稳定性的研究

5.5本章小结

第六章 全文总结

参考文献

硕士期间发表成果

致谢