高碱铝硅酸盐玻璃熔化反应及澄清问题研究

摘要

高碱铝硅酸盐玻璃将是21世纪重要的玻璃体系之一，其具有较好的应用前景和市场前途，但其具有熔点高、粘度大、表面张力大等基本物理特性，会对玻璃的熔化、澄清和成形造成极大的困难，严重制约和影响高碱铝硅酸盐玻璃的发展，通过研究铝硅酸盐玻璃配合料熔化反应和澄清问题，获得玻璃熔化过程中的物理化学反应关系和澄清机理，促进高碱铝硅酸盐玻璃产业的发展。
　　本论文以弹性模量作为高碱铝硅酸盐玻璃力学性能的理论设计关键指标，利用玻璃性质加和计算公式和玻璃成分计算因子，研究玻璃成分对弹性模量影响规律。借助于XRD、DSC、TG-FTIR等研究手段和测试方法，研究5种典型原料形成的配合料在受热过程中的反应生成物、溢出气体以及熔化过程的反应热。通过体视显微镜和气泡分析仪研究手段和方法，研究澄清工艺和澄清剂对澄清效果的影响，获得玻璃澄清作用机理。
　　本论文研究发现:1）在Na2O-Al2O3-SiO2体系中，当mol(Al2O3/Na2O)=0.4时，玻璃表面张力在339dyn/cm存在交汇点，且在该点处出现反转特征;利用正交试验方法获得最佳玻璃组成为（wt％）:SiO260.0，Al2O316.0，Li2O2.0，Na2O14.5，K2O3.5，CaO0.5，MgO3.5。2)以最佳玻璃组成为基础，利用5种典型原料形成配合料，在室温-1600℃范内，配合料的熔化反应划分为四个阶段，第一阶段:在室温-200℃范围内，发生配合料水份蒸发和有机物质初步反应;第二阶段:在200-400℃范围内，发生结构水损失和硝酸盐分解;第三阶段:在400-800℃范围内，发生活跃的碳酸盐和矿物分解或烧失物质反应与挥发，重量损失6-10wt.％;第四阶段:在温度800℃-1600℃，重量损失小于1wt.％，主要为少量气体溢出，溢出气体依然是CO2为主。3）在500-1300℃范围内，XRD分析结果表明:在500-600℃时，原材料之间开始发生复盐反应;在700-900℃，生成硅酸盐化合物;当温度大于1000℃时，晶相物质逐步减少，玻璃相逐步增多，并且到1300℃时，配合料中依然存在SiO2、Al2O3、 Al(Al1.272Si0.728O4.864)、Al2SiO5(Al2O3·SiO2)、Al4.75Si1.25O9.63等物相;锂云母和透锂长石可在700-900℃可参与硅酸盐反应，而锂辉石至1100℃后才开始参与硅酸盐反应，说明锂云母和透锂长石比锂辉石的助熔效果好。4)5种典型玻璃原料的DSC分析结果表明:在熔化反应过程中，100-380℃为放热过程，这是配合料中所含的有机物质所致;380-1600℃为吸热过程，并且该过程划分为碳酸盐分解阶段380-800℃、硅酸盐反应阶段800-1200℃、玻璃澄清与均化阶段1200-1600℃。碳酸盐分解阶段的吸热量占总吸热量的42-46％，硅酸盐反应阶段的吸热量占总吸热量的40-50％。透锂长石和锂云母为主配合料吸热量最少，而化工原料和锂辉石为主配合料热量消耗最多。5）高碱铝硅酸盐玻璃澄清研究结果表明:澄清剂是通过释放气体使玻璃液内的气体达到饱和，气体在玻璃内进行扩散、成长和上浮来完成玻璃液的澄清。对于玻璃气泡成分分析表明高碱铝硅酸盐的气体饱和度大小次序为:O2＞SO2＞N2＞CO2，充分表明氧化还原型澄清剂和硫酸盐澄清剂可以获得较好澄清效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 高碱铝硅酸盐玻璃

1．1．1 高碱铝硅酸盐玻璃组成

1．1．2 高碱铝硅酸盐玻璃性能

1．1．3 高碱铝硅酸盐玻璃发展

1．1．4 高碱铝硅酸盐玻璃问题

1．2 玻璃的熔化

1．3 玻璃液的澄清

1．3．1 化学澄清方法

1．3．2 物理澄清方法

1．3．3 玻璃澄清机理

1．4 配合料的熔化反应

1．5 存在的主要问题

1．6 课题来源及目的意义

1．7 课题创新及技术难点

1．8 课题研究目标

第2章 实验与测试

2．1 实验原料

2．2 实验设备

2．3 实验仪器

2．3．1 热重-红外分析仪

2．3．2 X射线衍射分析仪

2．3．3 差示扫描分析仪

2．3．4 玻璃粘度测定仪

2．3．5 气泡成份分析仪

2．3．6 体视显微镜

2．4 实验方案

第3章 玻璃组成的理论设计

3．1 玻璃组成设计

3．1．1 玻璃成份与性质关系(修改2012-12-09晚9：00)

3．1．2 玻璃成分设计基本原则

3．1．3 高碱铝硅酸盐玻璃相图

3．2 玻璃性质计算

3．2．1 玻璃弹性模量

3．2．2 玻璃熔化温度

3．2．3 玻璃表面张力

3．2．4 玻璃硬度

3．3 玻璃组成设计与计算

3．3．1 玻璃成份设计基础

3．3．2 Na2O-Al2O3-SiO2系统(简称NAS)

3．3．3 R2O-RO-Al2O3-SiO2系统

3．3．4 最佳玻璃实物性能测试

3．4 本章小节

第4章 高碱铝硅酸盐熔化反应过程研究

4．1 基础玻璃粘度测试

4．2 基础玻璃熔化工艺

4．3 基础玻璃配合料受热分析

4．3．1 配合料受热过程的TG-FTIR分析

4．3．2 配合料受热过程的XRD分析

4．3．3 配合料受热过程的DSC分析

4．4 本章小结

第5章 玻璃澄清效果影响研究

5．1 熔化工艺对玻璃澄清效果的影响

5．1．1 熔化温度对玻璃澄清效果的影响

5．1．2 熔化时间对玻璃澄清效果的影响

5．2 澄清剂对玻璃澄清效果的影响

5．2．1 氧化还原型澄清剂

5．2．2 高温挥发型澄清剂

5．2．3 高温分解型澄清剂

5．2．4 复合型澄清剂

5．3 气泡成分与玻璃澄清剂关系研究

5．4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

附录

攻读博士学位期间发表的论文