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玻璃製造過程
原料  包括主要原料和輔助原料。前者指引入玻璃的形成網路結構的氧化物、中間體氧化物和網路外氧化物等原料;後者可以加速玻璃熔制,或使其獲得某種必要的性質。

 

主要原料  根據引入氧化物的性質,分為酸性氧化物原料、鹼金屬氧化物原料和鹼土金屬氧化物原料。

  ①酸性氧化物原料:有SiO2、B2O3、Al2O3等的原料。SiO2是矽酸鹽玻璃中玻璃結構的骨架。它賦予玻璃高強度、良好的化學穩定性、耐熱性和低膨脹性,但會使玻璃的熔融溫度增高,粘度增大。SiO2的引用原料是矽砂或砂岩、石英岩。玻璃中加B2O3,可降低玻璃的熱膨脹性,提高折射率、耐熱急變性和耐化學侵蝕性,在溫度較高時能降低玻璃粘度,溫度較低時提高玻璃粘度。B2O3的引用原料是硼砂或硼酸。玻璃中加 Al2O3能減小玻璃析晶傾向和增強化學穩定性,提高強度,增大玻璃粘度。其引用原料通常是伴含K2O或Na2O和SiO2的長石,也可以用工業氧化鋁等。

  ②鹼金屬氧化物原料:有Na2O、K2O的原料。玻璃中加Na2O和K2O成分可降低熔融溫度,減小粘度,但會使玻璃的化學穩定性變差。其引用原料是純鹼(Na2CO3)和鉀堿(K2CO3)。

  ③鹼土金屬氧化物原料:有CaO、MgO、BaO、ZnO、PbO的原料。玻璃中加 CaO和MgO能減弱鈉矽玻璃析晶傾向,增強化學穩定性,高溫時能降低玻璃粘度,促進玻璃熔化和澄清,但溫度降低時粘度增加很快,成型操作困難。其引用原料是石灰石(CaCO3)和菱苦土(MgCO3),或用同時含CaO和MgO的白雲石。玻璃中常加BaO和ZnO以調節玻璃的化學穩定性和折射率等性質,其引用原料常為工業ZnO和BaCO3、BaSO4或 Ba(NO3)2。玻璃中加PbO可顯著提高折射率和色散,使玻璃吸收短波長射線,同時,比重增大,熔融溫度降低,與金屬浸潤性好。PbO的引用原料是紅丹和黃丹或工業硝酸鉛。

  此外,碎玻璃也是一種主要原料,常稱為熟料,能夠在較低的溫度下熔融,有助於玻璃配合料的溶化。

  輔助原料  一般包括澄清劑、著色劑、脫色劑、乳濁劑、助熔劑等。

  ①澄清劑:在玻璃熔制時分解排放氣體,加速玻璃熔體排出氣泡。有白砒、氧化銻、硝酸鹽、銻酸鈉、芒硝等。

  ②著色劑:使玻璃具有各種不同顏色,通常是過渡金屬Co、Ni、Mn、Cr、Cu、Fe的化合物,CdS、CdSe及Se、Au、Ag的化合物等。

  ③脫色劑:脫色分化學脫色和物理脫色。化學脫色是加入氧化劑,將帶色化合物氧化成無色或淺色。物理脫色是根據互補色原理,加入著色劑以抵消FeO、Fe2O3、Cr2O3、TiO2等雜質呈現的顏色。如氧化鐵使玻璃呈青綠色,通常加入硝酸鹽、氧化鈰將鐵氧化成高價後,著色力減弱。還可加入Se、Co、Ni、Mn的化合物產生紅紫色,與Fe化合物的青綠色互補成無色,但降低了光透過率。

  ④乳濁劑:使玻璃冷卻時析出密佈晶體,對光線產生散射而不透明。常用水晶石、氟矽酸鈉等氟化物和磷酸鈣等磷酸鹽。

  生產過程  主要包括配合料製備、熔制、成型、退火和後加工等步驟。

  配合料製備  首先對原料進行預加工,包括對塊狀原料的粉碎、潮濕原料的預乾燥和含鐵原料的除鐵處理等。粉碎的顆細微性以0.25~0.5mm為宜,過粗的顆粒不易充分熔化,在玻璃中會形成殘留料粉結石或富矽節瘤;過細的顆粒容易飛揚或集聚成團。將具有一定顆細微性的原料按配方精確稱量,再用轉鼓式、槳葉式或盤式混合機進行混合。

  熔制  將玻璃配合料進行高溫熔化、澄清,形成均勻的無氣泡、無結石的玻璃液。玻璃配合料的熔制溫度隨成分不同而異,通常為1300~1600℃。配合料在高溫下發生一系列物理化學反應,逐步熔融完全。隨溫度的升高,粘度顯著減小,其中夾雜的大量空氣和原料分解產生的氣體從熔融液中上升並逸出,使熔體變得清澄。在高溫排除氣泡的同時,玻璃液的化學組成也趨向均勻,必要時,加機械外力攪動。澄清和均化完成後,降溫使玻璃液均勻一致地達到適合成型要求的粘度。

  熔制在玻璃熔窯中進行。大批量生產時在池窯中連續熔制。配合料在窯的一端加入,供成型的玻璃液在另一端排出。小量生產時在坩堝窯中間歇熔制。
離子交換:使玻璃製品與一定溫度下的無機鹽接觸,進行離子的相互置換和擴散,從而獲得特殊性質。如熔鹽大離子半徑的鉀離子與玻璃中鈉離子交換,使玻璃表層因擠壓效應產生了壓應力,形成化學鋼化玻璃;熔鹽鋰離子與玻璃中的鈉離子交換,形成表層適合微晶化的玻璃成分;銀鹽或銅鹽在一定溫度下擴散進入玻璃,使玻璃著色。

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