低成本微晶玻璃的研究與應(yīng)用

李雪 趙輝

[摘要] 針對(duì)微晶玻璃的原料成本結(jié)構(gòu)，以降成本、穩(wěn)性能為目標(biāo)，對(duì)微晶玻璃的基礎(chǔ)配方進(jìn)調(diào)整，同時(shí)摸索新基礎(chǔ)配方的燒成曲線。

[關(guān)鍵詞] 微晶玻璃； 低成本； 氧化鋅

[中圖分類號(hào)] TQ171.73+3；TQ171.6+12 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A[文章編號(hào)] 1003-1324（2012）-04-0075-02

建筑用微晶玻璃是以β-硅灰石為主晶相的CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃。它的主要成分為SiO2、Al2O3、CaO、ZnO、BaO、Na2O，其中ZnO起著助熔、降低體系膨脹系數(shù)、促進(jìn)析晶、增加板面光澤度等作用，用量在7%左右，成本卻占總原料成本的70%。我們從ZnO在微晶玻璃微觀結(jié)構(gòu)中的作用著手研究，設(shè)計(jì)了低鋅微晶玻璃配方，降低了ZnO在配方中的比例，從而達(dá)到降低微晶玻璃原料成本的目的。

1 試驗(yàn)

1.1 配比設(shè)計(jì)

以β-硅灰石為主晶相的CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃[1]的主要成分為SiO2、Al2O3、CaO、ZnO、BaO、Na2O，氧化鋅在其中起著助熔、降低體系膨脹系數(shù)、促進(jìn)析晶、增加板面光澤度等作用。鑒于氧化鋅的以上作用，考慮用同它具有近似作用的氧化物等量替代。

經(jīng)過在元素周期表中的篩選，確定了兩種替代氧化物——BaO和SrO[2]：BaO能加速玻璃熔化，促進(jìn)析晶，且能增加玻璃折射率、光澤度和化學(xué)穩(wěn)定性，SrO除具有與BaO的類似作用外，對(duì)玻璃膨脹系數(shù)的影響介于ZnO 與BaO之間，能緩解BaO增加量對(duì)玻璃體系膨脹系數(shù)的影響。BaO、SrO添加量的選擇：少量的BaO能加速玻璃的熔化，且有促進(jìn)析晶的作用，但添加量過多時(shí)，反而使玻璃液澄清困難，且析晶量增加，晶體過分長(zhǎng)大，影響微晶玻璃的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；SrO添加過多會(huì)增加玻璃液的高溫粘度，導(dǎo)致水淬工藝難以操作。根據(jù)以上理論分析，最終確定了試驗(yàn)的四個(gè)配比，其中0#配方是原基礎(chǔ)配方。

1.2 熔化、晶化試驗(yàn)

1.2.1 基礎(chǔ)玻璃的熔制

按表1的配比計(jì)算其原料用量，各配方稱量配合料600克，充分混合均勻，分別裝入500毫升的高鋁坩堝中；熔制設(shè)備選用硅鉬棒電阻爐；溫度為1510℃；時(shí)間5h。熔制好的玻璃液在室溫（20℃）下水淬成0-5mm玻璃顆粒；各配比的熔化效果見表2。將制得的玻璃顆粒烘干，過篩后取1-2mm粒度料，每25克裝入小瓷舟若干，待晶化。

1.2.2晶化處理

晶化曲線的設(shè)定：0-850℃，升溫速率20℃/min；到850℃時(shí)保溫0.5h；850℃-960℃，升溫速率20℃/min；到960℃時(shí)保溫1h；960℃-1100℃，升溫速率20℃/min；1100℃，保溫1h。各配比的晶化效果見表3。

1.2.3精確晶化參數(shù)的確定

通過對(duì)比，配方2的熔化、晶化效果優(yōu)于其他3個(gè)配方，故確定配方2為新基礎(chǔ)配方。基礎(chǔ)配方變動(dòng)，其具體晶化溫度點(diǎn)也必然變動(dòng)，為更準(zhǔn)確地掌握新配方的晶化溫度，摸索出對(duì)應(yīng)的晶化曲線以指導(dǎo)生產(chǎn)，用配方2做晶化曲線摸索，具體步驟如下。

① 將配方2水淬后的玻璃料裝入若干小瓷舟中，同時(shí)放入設(shè)置好溫度程序的梯度爐內(nèi)；

② 以20℃/min為升溫速度，從750℃開始每隔10℃保溫1h；從850℃起每隔20℃保溫1h；每次保溫結(jié)束后取出一個(gè)小瓷舟急冷，觀察玻璃體的表面玻璃料顆粒形狀、粘結(jié)情況、透明狀況，流平情況。

③ 觀察小舟情況發(fā)現(xiàn)：

760℃：玻璃料粒棱角變圓始粘結(jié)。

840℃：玻璃料表面成半圓狀，體積收縮變大，整個(gè)玻璃料塊清澈透明，基本無析晶現(xiàn)象。

850-890℃：表面始失透，目測(cè)約10%左右，斷層顆粒界面初析晶，顆粒中心透明。

890-970℃：表面失透開始明顯增多，至970℃表面析晶目測(cè)達(dá)到80%，斷層顆粒界面至中心逐漸失透。

990-1050℃：表面析晶目測(cè)達(dá)到100%，基本無差異，斷層顆粒界面至中心逐漸失透至界面完全消失，與中心顏色一致。

1050-1090℃：表面、斷層均完全析晶，基本無差異。

1110℃：表面始失透。

④ 結(jié)論：870℃為核化溫度，需要短暫保溫使核化完全；870℃-990℃充分核化階段，應(yīng)該緩慢升溫；990℃-1050℃析晶階段，1050-1110℃是晶體長(zhǎng)大階段，這兩過程基本同時(shí)進(jìn)行。

2 結(jié)果分析

2.1微晶玻璃的XRD譜分析

通過到山東大學(xué)環(huán)境學(xué)院分析所對(duì)配方2試樣進(jìn)行XRD譜分析，與X射線粉末衍射數(shù)據(jù)卡片中β-硅灰石的標(biāo)準(zhǔn)d值進(jìn)行對(duì)照，可以判斷低成本配方微晶玻璃試樣析出的晶體是β-硅灰石，與現(xiàn)生產(chǎn)微晶玻璃析出晶體相一致。根據(jù)報(bào)告結(jié)果顯示，配方2微晶玻璃析出的晶體含量稍高，為50%左右（原配方為40%左右）。

2.2微晶玻璃的各項(xiàng)理化性能分析

將配方2晶化后試樣送到國土資源部濟(jì)南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行物理性能檢測(cè)，結(jié)果如表4。

由表4可見，低成本配方微晶玻璃試樣的各項(xiàng)物理性能指標(biāo)均滿足建筑用微晶玻璃的性能使用要求。

3 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)證明低鋅配方微晶玻璃是可行的，通過成本核算，每平方微晶玻璃生產(chǎn)成本降低15元左右。

（2）低鋅配方投產(chǎn)后，其生產(chǎn)情況與中試試驗(yàn)情況相符，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

（3）低鋅配方的正常生產(chǎn)為下一步無鋅配方微晶玻璃的生產(chǎn)提供了一種可能性思路。

參考文獻(xiàn)

[1]程金樹，李宏，湯李纓等.微晶玻璃[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.1.

[2]劉耘，周磊.無機(jī)及分析化學(xué)[M].濟(jì)南：山東大學(xué)出版社，2001.1.