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1、玻璃工艺学玻璃原材玻璃工艺学玻璃原材料及废玻璃利用料及废玻璃利用本讲稿第一页，共二十三页玻璃的通性玻璃的通性一、各一、各 向向 同同 性性二、二、介稳性介稳性四、四、由熔融态向玻璃态转化时，物理、由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度变化的连续性化学性质随温度变化的连续性三、三、由熔融态向玻璃态转化的过程是可逆和渐变的由熔融态向玻璃态转化的过程是可逆和渐变的本讲稿第二页，共二十三页一、各向同性一、各向同性均质玻璃其各方向的性质如折射率、硬度、弹性均质玻璃其各方向的性质如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数、导热系数等都相同。模量、热膨胀系数、导热系数等都相同。玻璃的各向同性是其内部质点无序
2、排列而呈现玻璃的各向同性是其内部质点无序排列而呈现统计均质统计均质 结构的外在表现。结构的外在表现。本讲稿第三页，共二十三页二、二、介稳性介稳性熔体冷却成玻璃体时并没有处于能量最低的状熔体冷却成玻璃体时并没有处于能量最低的状态，仍然有自发转变为晶体的可能态，仍然有自发转变为晶体的可能热力学热力学介稳状态介稳状态，有析晶的趋势，有析晶的趋势动力学动力学高粘度，析晶不可能，长期保高粘度，析晶不可能，长期保 留高温时的结构而不变化。又留高温时的结构而不变化。又 是非常稳定的是非常稳定的本讲稿第四页，共二十三页由熔融态向玻璃态转变的过程是可逆的与渐变由熔融态向玻璃态转变的过程是可逆的与渐变的，这与熔体
3、的结晶过程有明显区别。的，这与熔体的结晶过程有明显区别。三、三、凝固的渐变性和可逆性凝固的渐变性和可逆性TgTM DCBAKFMEVQ 过冷液体过冷液体晶体晶体玻璃态玻璃态液体液体快冷快冷慢冷慢冷1）对晶体，内能和体积曲线均不连续）对晶体，内能和体积曲线均不连续 对玻璃，内能和体积曲线是连续对玻璃，内能和体积曲线是连续2）几个重要温度）几个重要温度TM(熔点熔点)：当熔体向固体转变时，若是析晶过程，当温度下降至TM时，由于出现新相，同时伴随体积、内能的突然下降与黏度的剧烈上升。TM即为熔点。Tg（玻璃形成温度，或称脆性温度）：（玻璃形成温度，或称脆性温度）：是玻璃出现脆性的最高温度.在这个温度
4、下可以消除玻璃制品因不均匀冷却而产生的内应力，也称为退火温度上限。本讲稿第五页，共二十三页三、三、凝固的渐变性和可逆性凝固的渐变性和可逆性TgTM DCBAKFMEVQ 过冷液体过冷液体晶体晶体玻璃态玻璃态液体液体快冷快冷慢冷慢冷 冷却速率会影响冷却速率会影响Tg大小，快冷时大小，快冷时Tg较慢冷时高，较慢冷时高，K点在点在F点前。点前。Fulda测出测出NaCaSi玻璃：玻璃：(a)加热速度加热速度(/min)0.5 1 5 9 Tg()468 479 493 499 (b)加热时与冷却时测定的加热时与冷却时测定的Tg温度应一致。温度应一致。实际测定表明玻璃化转变并不是在一个确定的实际测定表
5、明玻璃化转变并不是在一个确定的Tg点上，而是有一个转变温度范围，几十到几百度之点上，而是有一个转变温度范围，几十到几百度之间。间。结论：玻璃没有固定熔点，玻璃加热变为熔体结论：玻璃没有固定熔点，玻璃加热变为熔体过程也是渐变的、可逆的过程也是渐变的、可逆的。3）冷却速率与熔融温度范围）冷却速率与熔融温度范围本讲稿第六页，共二十三页 玻璃转变温度玻璃转变温度Tg是区分玻璃与其它非晶态固体的重要特征。是区分玻璃与其它非晶态固体的重要特征。传统玻璃：传统玻璃：TMTg 传统传统 玻璃熔体与玻璃体的转变是可逆的，玻璃熔体与玻璃体的转变是可逆的，渐变的。渐变的。无定形物质无定形物质：TMTg 二者的转变不
6、可逆。用气相沉积等方法二者的转变不可逆。用气相沉积等方法 制得的制得的Si、Ge、Bi等无定形薄膜在加热到等无定形薄膜在加热到Tg之前就会产生析晶相变，宏观特性之前就会产生析晶相变，宏观特性上也有一定差别。上也有一定差别。三、三、凝固的渐变性和可逆性凝固的渐变性和可逆性本讲稿第七页，共二十三页 第一类性质：玻璃的电导、比容等第一类性质：玻璃的电导、比容等 第二类性质：玻璃的热容、膨胀系数、折射率等第二类性质：玻璃的热容、膨胀系数、折射率等 第三类性质：玻璃的导热系数和弹性系数等第三类性质：玻璃的导热系数和弹性系数等第三类性质：玻璃的导热系数和弹性系数等第三类性质：玻璃的导热系数和弹性系数等四、
7、四、由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度变化的连续性由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度变化的连续性性质温度温度TgTfTf：软化温度软化温度。它是玻璃开始出现液体状态。它是玻璃开始出现液体状态典型性质的温度。典型性质的温度。本讲稿第八页，共二十三页四、四、由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度变化的连续性由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度变化的连续性性性质质温度温度TgTf1)性质温度曲线:a)Tg以下的低温段和Tf以上的高温段其变化几乎成直线关系。b)Tg以下为固体状态，Tf以上为熔体状态，它们随温度的变化分别按照固体和熔体的变化规律。c)在Tg和Tf温度范
8、围内是固态玻璃向玻璃熔体转变的区域，由于结构随温度急速的变化，因而性质随之突变。本讲稿第九页，共二十三页四、四、由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度变化的连续性由熔融态向玻璃态转化时，物理、化学性质随温度变化的连续性性性质质温度温度TgTf2）冷却速度不同，熔体达到Tg和Tf温度的时间不同，因此原子调整自己位置的机会不同，玻璃的结构不同。玻璃的性质与玻璃的结构是密切相关的。所以在研究玻璃的性质时，除玻璃的成分外，还要注意玻璃的热历史。本讲稿第十页，共二十三页2.1原料学习要点学习要点l主要原料和辅助原料所引入的组成，主要原料和辅助原料所引入的组成，组成对玻璃结构、性质，生产工艺组成对玻
9、璃结构、性质，生产工艺的影响。原料的选用、质量控制的影响。原料的选用、质量控制l碎玻璃的应用碎玻璃的应用结束结束本讲稿第十一页，共二十三页2.1.1原料的定义和分类原料的定义和分类2.1.1.1原料的定义原料的定义玻璃原料：玻璃原料：用于制备玻璃配合料的各种物质。用于制备玻璃配合料的各种物质。2.1.1.2原料的分类原料的分类结束结束1）玻璃原料）玻璃原料主要原料主要原料给玻璃引入各种组成的原料给玻璃引入各种组成的原料辅助原料辅助原料使玻璃获得某些必要的性质使玻璃获得某些必要的性质和加速熔制过程的原料和加速熔制过程的原料本讲稿第十二页，共二十三页2）主要原料的类别）主要原料的类别引入酸性氧化物
10、的原料：引入酸性氧化物的原料：引入引入SiO2、B2O3、Al2O3、P2O5原料原料引入碱金属氧化物的原料：引入碱金属氧化物的原料：引入引入Na2O、K2O、Li2O原料原料引入碱土金属氧化物和二价金属氧化物的原料：引入碱土金属氧化物和二价金属氧化物的原料：引引入入CaO、MgO、BaO、PbO原料原料引入多价金属氧化物的原料：引入多价金属氧化物的原料：引入引入TiO2（四价金属（四价金属氧化物）的原料氧化物）的原料结束结束本讲稿第十三页，共二十三页3）辅助原料的类别）辅助原料的类别结束结束澄清剂、乳浊剂、助熔剂、着色剂、脱色剂、澄清剂、乳浊剂、助熔剂、着色剂、脱色剂、氧化剂、还原剂氧化剂、
11、还原剂本讲稿第十四页，共二十三页2.1.2原料的选用原则结束结束原料的选用原则原料的选用原则:选用符合质量要求且稳定的原料选用符合质量要求且稳定的原料选用易于加工、成本低和能大量选用易于加工、成本低和能大量供应的原料供应的原料少用对人体和环境有害的原料少用对人体和环境有害的原料使用对耐火材料侵蚀小的原料使用对耐火材料侵蚀小的原料本讲稿第十五页，共二十三页2.1.3主要原料1引入SiO2、B2O3、Al2O3、P2O5原料引入引入SiO2原料原料:石英砂、砂岩、石英岩和石英石英砂、砂岩、石英岩和石英（在日用玻璃中的用量约占配合料重量的（在日用玻璃中的用量约占配合料重量的60%70%）结束结束引入
12、引入B2O3原料原料:硼酸、硼砂和含硼矿物（硼镁石、钠硼解石、硼酸、硼砂和含硼矿物（硼镁石、钠硼解石、硅钙硼石）硅钙硼石）引入引入Al2O3原料原料:长石、粘土、蜡石、氧化铝、氢氧化铝、含长石、粘土、蜡石、氧化铝、氢氧化铝、含Al2O3矿渣和废料、含长石的尾矿矿渣和废料、含长石的尾矿引入引入P2O5原料原料:磷酸铝、磷酸钠、磷酸二氢铵、磷酸钙和骨灰磷酸铝、磷酸钠、磷酸二氢铵、磷酸钙和骨灰等等本讲稿第十六页，共二十三页2引入Na2O、K2O、Li2O原料引入引入Na2O原料：纯碱和芒硝原料：纯碱和芒硝结束结束引入引入K2O原料：钾碱（原料：钾碱（K2CO3）和硝酸钾）和硝酸钾引入引入Li2O原料
13、：碳酸锂（原料：碳酸锂（Li2CO3）和天然含锂）和天然含锂矿物矿物锂云母锂云母（Li2O6%）、锂辉石、锂辉石（Li2O8%）透透锂长石锂长石（Li2O710%）等等本讲稿第十七页，共二十三页3引入二价和多价金属氧化物的原料引入引入CaO原料原料：方解石、石灰石、沉淀碳酸钙和白：方解石、石灰石、沉淀碳酸钙和白垩等垩等结束结束引入引入 MgO原料原料：白云石、菱镁矿等：白云石、菱镁矿等引入引入BaO原料：硫酸钡、碳酸钡、硝酸钡和氢氧化钡原料：硫酸钡、碳酸钡、硝酸钡和氢氧化钡引入引入PbO原料原料：铅丹、密陀僧和硅酸铅：铅丹、密陀僧和硅酸铅引入引入TiO2（四价金属氧化物）（四价金属氧化物）的原
14、料是由钛的原料是由钛铁矿和金红石制取的二氧化钛铁矿和金红石制取的二氧化钛本讲稿第十八页，共二十三页2.1.4辅助原料1）澄清剂：）澄清剂：在玻璃配合料或玻璃熔体中，加入在玻璃配合料或玻璃熔体中，加入一种高温时自身能气化或分解放出气体，一一种高温时自身能气化或分解放出气体，一促进排除玻璃中气泡的物质。促进排除玻璃中气泡的物质。2）乳浊剂：）乳浊剂：使玻璃产生不透明的乳白色的物质。使玻璃产生不透明的乳白色的物质。3）助熔剂：）助熔剂：能促使玻璃熔制过程加速的原料。能促使玻璃熔制过程加速的原料。结束结束本讲稿第十九页，共二十三页2.1.4辅助原料结束结束l4）着色剂：）着色剂：使玻璃显色而加入的物质
15、使玻璃显色而加入的物质l5）脱色剂：）脱色剂：消除影响玻璃质量的着色而加入消除影响玻璃质量的着色而加入的物质的物质l6）氧化剂：）氧化剂：在玻璃的熔制过程中，能放出氧在玻璃的熔制过程中，能放出氧形成氧化气氛的原料形成氧化气氛的原料l7）还原剂：）还原剂：在玻璃的熔制过程中，能夺取氧在玻璃的熔制过程中，能夺取氧形成还原气氛的原料形成还原气氛的原料本讲稿第二十页，共二十三页2.1.5碎玻璃碎玻璃结束结束使用碎玻璃的好处：减低玻璃的生产成本、使用碎玻璃的好处：减低玻璃的生产成本、增加产量和降低环境污染增加产量和降低环境污染原因：原因：一是使用碎玻璃可以实现废物利用和一是使用碎玻璃可以实现废物利用和回
16、收，二是合理使用碎玻璃可以加速玻璃的回收，二是合理使用碎玻璃可以加速玻璃的熔制过程，降低玻璃熔制热量消耗。熔制过程，降低玻璃熔制热量消耗。本讲稿第二十一页，共二十三页2.1.5碎玻璃碎玻璃结束结束碎玻璃的来源碎玻璃的来源:生产过程中产生的次品生产过程中产生的次品和破碎的玻璃、社会上回收的玻璃制品和破碎的玻璃、社会上回收的玻璃制品以及将玻璃液在水中骤冷得到的玻璃碎以及将玻璃液在水中骤冷得到的玻璃碎块。块。碎玻璃使用注意问题：碎玻璃使用注意问题：碎玻璃的用量与玻璃成分碎玻璃的用量与玻璃成分使用碎玻璃时粒度、用量、加入方法和合使用碎玻璃时粒度、用量、加入方法和合理熔制制度的控制理熔制制度的控制本讲稿第二十二页，共二十三页碎玻璃的利用碎玻璃的利用熔制玻璃制品熔制玻璃制品生产实心玻璃微珠生产实心玻璃微珠生产玻璃装饰板生产玻璃装饰板生产玻璃花岗岩石板生产玻璃花岗岩石板生产彩色玻璃马赛克生产彩色玻璃马赛克生产彩色玻璃球生产彩色玻璃球生产泡沫玻璃生产泡沫玻璃用作道路面层材料用作道路面层材料用于其他方面用于其他方面本讲稿第二十三页，共二十三页