玻璃综合性设计实验

实验方案设计报告

玉石玻璃材料的制备及性能测定

班    级：无非0802

姓    名：

指导老师：

日    期：20##年11月10日

沈阳化工大学材料科学与工程学院

一、文献综述

普通的玻璃是用石英砂、纯碱和石灰石一起熔炼而成的。它是一种组成不固定的硅酸盐的混和物。人们最先制造出来的玻璃是一些透明度差，带有一些颜色的小玻璃片。它的颜色并不是人们有意识地加进去的，而是所用的原料不纯，混进了杂质的结果。那时的颜色玻璃只是用来做装饰品，要求不高，人们只是偶然生产出了颜色玻璃。

经过研究，人们发现如果在普通玻璃的配料中加入0.4～0.7％的着色剂，就能使玻璃带上了颜色。着色剂大多是金属的氧化物。每种金属元素都有它独特的“光谱特征”，所以不同的金属氧化物都能呈现出不同的颜色。如果在玻璃配料中加入这些氧化物就给玻璃着上了色。其实，玻璃的颜色不仅取决于加入的着色剂，人们还通过熔炼的温度及炉焰的性质来调节元素的化合价，使玻璃呈现不同的颜色。例如玻璃中的铜，如果以高价的氧化铜存在时玻璃显现蓝绿色；以低价的氧化亚铜存在时，玻璃呈红色。有时，烧熔一次还不能使玻璃显示出色来，再要进行第二次加热才能使玻璃显出颜色。名贵的金红玻璃就是这样，它是在普通的玻璃配料中加入微量的金子烧制成的。第一次烧熔后，金以原子形式分布在玻璃中，此时玻璃并不显颜色；当再次加热到接近软化的温度时，其中的金原子聚合成胶状颗粒，此时玻璃就显现出了美丽的红色。

　　目前，人们又用稀土元素的氧化物为着色剂制成了各种高级的颜色玻璃。掺有稀土元素的颜色玻璃，色调明净，有光亮的色泽，甚至还会在不同的光线下改变颜色。例如氧化钕玻璃中就有这种特性，它在日光下显紫红色，在荧光下显蓝紫色，十分美丽。有一种玻璃会随着光线的强弱而改变颜色，人们用它作眼镜的镜片和房屋的窗户玻璃。用这种玻璃作窗玻璃，室内可以保持一定的光亮度，再也用不着用窗帘子来遮阳，所以有人称它为“自动窗帘”。它又能阻挡阳光中的紫外线通过，图书馆藏书室和博物馆装上这种玻璃以后，可以保护书籍和文物不受紫外线的破坏。

　　除稀土元素外，在玻璃中直接添加钨和铂，也可以做成变色玻璃。

向玻璃原料中添加能够形成着色离子、化合物胶体及金属胶体粒子的物质，使之呈现不同颜色的工艺，按照着色机理可分四种类型：离子着色、化合物胶体粒子着色、金属胶体粒子着色、半导体着色。

颜色玻璃也被用于制成人工玉石。人工宝石包括合成宝石、人造玉石、拼合宝石和再造宝石。可见人造宝石只是人工宝石的一部分，故不能将人工宝石称为人造宝石。合成宝石与人造宝石的主要区分是：如果在自然界中有对应的天然宝石，且其物理和化学性质、矿物内部结构与对应的天然宝石相同，则称“合成宝石”，如合成水晶、合成祖母绿、合成立方氧化锆、合成红、蓝宝石、合成金红石等等；若在自然界中没有对应的天然宝石，只是外表的颜色、透明度、硬度等像某种天然宝石，但其物理和化学性质、矿物内部结构等都与这种天然宝石不一样，甚至它不像任何天然宝石，仅可作为宝石用，这些人工合成的宝石统称为人造宝石（有时人们把某些人造宝石叫仿宝石），如人造钇铝榴石（YAG）、人造钆镓榴石（GGG）、人造钛酸锶、人造夜光宝石、人造玻璃猫眼、仿金星石、仿绿松石、仿珊瑚、仿珍珠等等。

本次实验的研究对象是离子着色的玉石玻璃，实验目的是研究不同着色剂对玻璃颜色的影响。

本次实验的意义是：通过本次实验了解玻璃中得各氧化物在玻璃中得作用，各氧化物由何种原料引入，玻璃成分设计的依据，玻璃配方调整的方法，理解玻璃的熔制过程，以及颜色玻璃的着色机理，了解和掌握相关仪器设备的使用。

二、化学组成设计

（1）设计题目：离子着色的玉石玻璃组成

（2）性能要求：由于实验条件的限制，在满足玻璃所设计的玻璃组成能够形成玻璃的基础上，要求玻璃的熔制温度在1350℃以下，因此要引入能够降低玻璃熔点的物质，如钡化合物、氟化物等。为了缩短料性，使玻璃易于成型，还要适度减少钙的含量。因此，玻璃设计组成为：

（3）玻璃性能：

 ①玻璃的熔制温度：

   Ledererova计算式：

   式中：—常数  —计算系数  —玻璃成分百分含量

   因此，由上式知 

玻璃的退火温度：

 

  式中：x—Na2O%   y—CaO%   z—Al2O3%   A=-7.32  B=3.49  C=5.37  D=603.4

  因此，由上式知

 

 ②玻璃的密度

   Knapp法 

③玻璃的折射率

   Huggins法 

   式中：—玻璃密度  —折射率加和系数  —玻璃成分质量分数

   其中的系数=

                     =0.2258

       的系数=

                     =0.1294

   因此=1.45

④玻璃的热膨胀系数

   高桥法：      

               

                       

                        

          

0~400℃时

 

⑤玻璃的化学稳定性

     ：

   

    式中：B—玻璃耐水性，将2g玻璃粉末加入50ml蒸馏水中，加热到98℃并保持60mi以析出NaO mg数表示

P,P,P,P,P,P—分别代表NaO，KO，MgO，CaO，AlO，FeO

含量

因此

三、玻璃的原料

    本实验所选用的原料是：石英粉、（32~35%水分）、碳酸钙、、（）、

四、配方计算：100g玻璃为基准

①需NaSiF的量：，引入Na：3.05g   Si：1.85g

②需SiO的量：

③需CaCO的量：

④需BaCO的量：

⑤需KOH的量：

⑥需NaCO的量：，补充0.47g，共需14.68g

  需的量：g

⑦需Al的量：，又Al含32%~35%的水分，取33%得Al的量：

100g玻璃所需配料

五、实验方案设计

玻璃的熔制过程是将配合料经过高温加热，配合料发生一系列物理的，化学的，物理化学的现象和反应，最后使之成为符合要求的玻璃。这一过程是一个非常复杂的过程，一般把玻璃熔制过程分为五个阶段，即硅酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化和冷却。

由前面计算得：加料1000℃左右，澄清1339℃，成型1000℃左右。

本次实验共制作2种颜色玻璃，分别加入MnO和CuO+Cr2O3为着色剂，然后比较2种玻璃的差异。

六、实验仪器设备

①箱式电阻炉；

②茂福炉（型号：SM-2.8-12）；

③瓷坩埚若干、研钵；

④其他物品，如坩埚钳、石棉手套、氧化铝粉、坩埚套、炉铲、加料勺、搅拌棒、墨镜、石棉板、成型模具等。

七、实验步骤

①烘烤电炉

②预热坩埚：将坩埚放入马弗炉内预热。

③加料：将温度升到1000℃左右，向坩埚内加入配料1/3左右。炉温将有所下降。待温度升到加料温度保温15min左右，再根据融化情况分次加料，直至加完为止。

④融化和澄清：电炉在1000℃保温15min后，以5~10℃/min的升温速率至澄清温度1340℃，保温2h。

⑤搅拌和观察：在高温炉保温期间，可用不锈钢棒或包有白金的棒搅拌玻璃1~2次，同时取样观察，若已无密集小气泡仅仅有少量大气泡时，玻璃熔制结束，否则需适当延长澄清事件或提高澄清温度。

⑥玻璃的成型

⑦玻璃的退火

八、性能测试

本次实验所测试的玻璃性能为玻璃的密度和化学稳定性。