超白玻璃色度控制技術

梁其尤 袁偉

摘 要：超白玻璃具有良好的光通透性及視覺效果，目前廣泛應用于高檔建筑、電子信息等領域。下游客戶對超白玻璃產品色度要求高，生產過程中易受工藝影響而產生色差問題。本文對超白玻璃著色機理及色度控制技術進行探討，希望能為改善玻璃色度，提高超白玻璃品質提供指導性作用。

關鍵詞：超白玻璃 色度控制 REDOX

中圖分類號：TQ17 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0089-02

Abstract： Ultra Clear Glass has good optical permeability and visual effects， and is widely used in high-end buildings， electronic information and other fields. The downstream customers have high color requirements for Ultra Clear Glass products， and the color difference is caused by the process of production. This paper discusses the color mechanism and color control technology of Ultra Clear Glass. The hope can improve glass color and improve the quality of Ultra Clear Glass.

Key Words： Ultra clear glass；Color control；REDOX

超白玻璃是近年來新興的高檔建筑材料，在高端建筑、電子信息等領域應用廣泛，因其具有較高產品附加值，諸多廠家進入這一生產領域。超白玻璃用戶對產品視覺效果要求高，因此對玻璃本體色度有較高要求，本文對玻璃色度產生機理和色度控制進行初步探討。

1 玻璃顏色產生機理

顏色具有三屬性，分別為色相、明度、飽和度，玻璃的顏色同樣具有這三種屬性。色相取決于玻璃透過或反射的主波長，主波長是光束中產生基本色調的主要波長值，如綠色、黃色等；明度指顏色的深淺差異，人眼對黃綠色最為敏感；飽和度指色彩濃淡程度或鮮艷程度。

玻璃的著色其主要原因在于對光的吸收和光的散射，以光的吸收最為常見。當白光投射在不透明物體上時，一部分波長的光被物體所吸收，另一部分波長的光則從物體表面反射回來，因而呈現出各種不同的顏色。玻璃從著色的機理區(qū)分，可分為離子著色、金屬膠體著色和硫硒化物著色三大類。超白玻璃主要涉及離子與硫硒化物著色兩類，色度控制技術也由此引申討論。

1.1 離子著色

鐵、釩、鉻、錳、鈷等過渡金屬，在玻璃中以離子狀態(tài)存在時，它們的價電子在不同能級間躍遷，由此引起對可見光的選擇性吸收，導致玻璃著色。實際玻璃生產中玻璃的組成、熔制溫度、時間、氣氛等對離子的著色均有重要影響。 常見離子著色為鐵、鈷、鉻等的著色。超白玻璃生產中，以鐵的著色為主，鐵在玻璃中以Fe3+和Fe2+存在，玻璃的顏色主要取決于二者之間的平衡狀態(tài)（Fe2+/Fe3+，即REDOX值），著色強度則取決于鐵的含量。Fe2+能使玻璃產生藍色、藍綠色，而Fe3+的3d軌道呈半充滿狀態(tài)，故著色能力很弱，使玻璃產生淺黃綠色或黃色，前者在可見光區(qū)的吸收能力約為后者的10倍。

1.2 硫、硒及其化合物的著色

硫、硒屬于典型的非金屬元素，它們可能有-2、0、+4、+6等價態(tài)，隨玻璃組成、熔制溫度和氧化還原條件的變化而發(fā)生改變，硫和硒在中性和弱氧化氣氛中都能使玻璃著色，單質硫可使玻璃呈現淡黃色，單質硒在中性條件下使玻璃呈現淡紫色。

超白玻璃不含金、銀、銅等元素，會有微量的鐵、硫等元素，因此玻璃著色以離子著色為主，生產過程中主要圍繞如何減輕鐵等雜質的著色展開。

2 色度控制技術

2.1 降低玻璃中鐵的含量

因玻璃顏色主要由鐵產生，降低玻璃中鐵含量是色度改善的基礎。玻璃中鐵的來源主要有原料和系統(tǒng)帶鐵兩部分。普通平板玻璃對色度要求不高，原料中鐵含量高，而超白玻璃對色度要求高，總鐵含量不宜高于130ppm，因此對原料中鐵含量要求較高，為達到總鐵要求，主要原料如硅砂須選用低鐵硅砂，據統(tǒng)計，硅砂鐵每降低1ppm，則可減少引入鐵約0.5ppm，建議硅砂鐵含量應低于90ppm，優(yōu)選低于80ppm，其他各成分應盡可能引入低鐵原料。

除了通過降低原料中鐵含量之外，還應采取各種措施降低原料輸送及配料系統(tǒng)引入的雜質鐵，如在輸送、儲存、混合等工序設備表面使用耐磨材料和高分子材料，適當增加除鐵器，增加除鐵器清理頻次等。原料系統(tǒng)鐵應低于25ppm。

除了原料中引入鐵之外，玻璃熔制過程中，因耐火材料本身含有雜質鐵，被侵蝕過程也可能引入鐵，因此窯爐耐火材料應選擇抗侵蝕、含鐵量較低的產品。

2.2 調整鐵的價態(tài)

不同價態(tài)的鐵著色能力不同，呈現的色度及透過率也有很大差異，Fe3+呈現黃色、黃綠色，吸收光帶極大值在380、420、425nm，Fe2+呈藍色、藍綠色，吸收光帶極大值為1050nm。

因Fe2+著色能力為Fe3+的10倍，根據這一特點，一種思路是先提高Fe3+比例，可在配方中加入硝酸鈉、硝酸鉀、氧化鈰等氧化劑，使Fe2+轉化為Fe3+，以減弱鐵的著色，在此基礎上，適當添加其他微量著色劑以中和現有顏色，使玻璃中形成互補色，使玻璃中可見光的各個波段全面均勻地吸收，最終得到很淺的白色，當然這種方法因加入其他微量著色劑，會損失一定的透過率。

另外一種思路則根據超白玻璃客戶往往喜歡相對偏藍顏色特點，因此可采取措施提高Fe2+比例，使玻璃顏色往偏藍方向發(fā)展，REDOX值合理時，玻璃會呈現較自然的白而偏藍、通透的色度效果。

總體而言，改變玻璃中鐵的價態(tài)，需從原料配方、熔制溫度、熔制氣氛、熔制熱歷史等各方面進行綜合調整。

2.2.1 調整玻璃酸堿度

玻璃中堿金屬或堿土金屬氧化物含量越多，或同等氧化物含量條件下，堿金屬或堿土金屬離子半徑越大，給出游離氧的能力越大，游離氧增加，則有利于著色離子向高價態(tài)發(fā)展，如Fe2+會向Fe3+變化。

2.2.2 調整熔制溫度

根據研究及實踐經驗，升高熔制溫度后，Fe2+比例會升高，當熔制溫度1400℃時，FeO比例為14.1%，溫度升至1500℃，則FeO會升至31.1%。因升高熔制溫度會導致窯爐耐火材料侵蝕加劇等問題，因此需合理把握調整幅度。

2.2.3 調整熔制氣氛

熔制氣氛對玻璃中離子價態(tài)具有重要影響，一般為提高REDOX值，會將氣氛往還原方向調整，反之則往氧化方向調整，助燃風調整幅度為3%～8%。因氣氛調整會明顯影響燃燒效率，對能耗有一定負面影響，亦需綜合把握調整。

2.3 物理脫色

通過加入某種微量著色物質，中和原有的顏色，如玻璃原來偏綠，則可增加一些著成紅色的物質，使綠色減少，如偏黃，則可增加一些著成藍色的物質，使黃色減少，常用的物理脫色劑有硒、鈷、鎳、釹等，加入何種物質及加入量需要進行試驗后才能最終確定。脫色劑往往存在不同價態(tài)和配位數，其脫色效果不同，調整時需綜合配方及熔制工藝考慮。

鈷，加入鈷可使玻璃著成稍帶紅的藍色，鈷產生的藍色可中和玻璃原本的黃色，鈷的著色能力非常強，玻璃中鈷含量達到0.5ppm即有明顯作用，一般鈷與硒共同使用。

硒，在中性或弱氧化氣氛中，加入硒可使玻璃著成玫瑰紅色，中和玻璃中的綠色調。但硒的使用有很多限制，在強氧化性氣氛中，硒會受到氧化還原平衡影響，硒會變成無色的硒酸鹽，導致脫色失敗，在強還原氣氛中，可能會與鐵化合成硒化物而產生棕色。因此在使用硒時，需嚴格控制熔制氣氛，原料配方，避免脫色失敗。

一般超白玻璃將硒、鈷配合使用，以同時脫去玻璃本體中的黃、綠色。因硒、鈷摻入量很少，為使混合均勻，保證著色效果，要求先將硒、鈷與硅砂、純堿等物料先預混，然后再與其他物料混合。

2.4 減少硫碳著色

超白玻璃多使用芒硝作為澄清劑，碳粉作為還原劑，為提高Fe2+比例，往往會加入大量碳粉，當碳粉加入量超過配合料的0.2%時，可能會生成FeS，產生難看的黃綠色或棕色。為了減少這種影響，需對配方進行優(yōu)化，減少芒硝、碳粉等用量，同時熔制氣氛不能過于還原，尤其是前區(qū)氣氛，保持在相對中性或偏氧化程度。

3 結論

本文從超白玻璃著色機理出發(fā)，并結合生產實踐，對超白玻璃色度提出相應控制措施。

（1）降低玻璃中鐵含量，超白玻璃著色主要為鐵著色，玻璃總含鐵量不宜超過130ppm。

（2）調整鐵的價態(tài)，鐵的不同價態(tài)其著色能力及顏色有明顯差異，要根據色度要求調整鐵的價態(tài)。

（3）添加物理脫色劑，以中和原玻璃基礎色調。

（4）優(yōu)化減少硫碳著色，調整玻璃的氧化還原性，減少硫碳著色產生條件，以改善玻璃色度。

參考文獻

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