低碱硼铝硅酸盐乳浊玻璃的研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

乳浊玻璃指玻璃中含有大量高分散的微粒,这些微粒可能是非晶态也可能是晶态,由于其折射率与主体玻璃不同,光线照射后产生散射而呈乳浊。高分散的微粒可分为未熔透的砂粒、微小气泡、分相的液滴以及析出的晶粒。微粒尺寸大于入射光的波长时产生米氏散射,呈现乳白色;微粒尺寸小于入射光则产生瑞利散射,呈现蓝色的乳光。乳浊玻璃以其外观平滑光亮、色泽柔和典雅、质地通透明亮的特性,被广泛用于建筑装饰、瓶罐器皿、仿珠宝和工艺品的生产,另外一些玻璃仪器和量具的生产中也会用到乳浊玻璃带。

乳浊玻璃的种类众多,按乳浊剂的类型可分为氟化物乳浊玻璃、磷酸盐乳浊玻璃、氧化物乳浊玻璃、硫酸盐乳浊玻璃等。目前,我国的乳浊玻璃生产厂家大都以氟化物为乳浊剂,这是因为氟化物来源丰富,成本低廉,制造工艺简单,乳浊效果良好。同时氟化物乳浊剂也存在着一些缺点。在氟化物乳浊玻璃生产过程中存在着氟化物粉尘、挥发物的产生,这会对环境造成污染,危害人体健康。但相较于其他无氟乳浊剂在成本和生产上存在的问题,例如SnO2乳浊剂成本较高、磷酸盐的乳浊程度不稳定、分相乳浊会受到基础成分范围的极大限制等,氟化物乳浊剂依旧是当前生产乳浊玻璃的首选。为了减少氟挥发,生产氟化物乳浊玻璃的厂家采取了一系列防治氟污染的措施,例如用矿物原料萤石代替或部分代替含氟的化工原料、调整融化工艺参数、采用冷顶全电熔窑融化方式等,这些举措都在一定程度上减少了氟化物对环境的污染。

玻璃基础成分一定程度上决定了玻璃的性质。SiO2-B2O3-R2O体系,R2O含量低、SiO2含量高的低碱硼硅酸盐玻璃,其线膨胀系数小、色散小、强度高、化学稳定性好、热稳定性好,常用作仪器玻璃、耐热炊具、LCD基片等。其中应用最广泛的高硼硅玻璃,如美国Corning公司的派来克斯玻璃(Pyrex)、德国的Borofloat35、我国的九五料,因其线膨胀系数仅为(3.3±0.1)×10-6/K被人称之为“G3.3”,其优越的性能使其被广泛应用于低膨胀金属的焊接材料、太阳能热水器真空集热管的生产。

以SiO2和Al2O3为主要成分的铝硅酸盐玻璃,其具有较好的化学稳定性、电绝缘性、机械强度,较低的热膨胀系数,但同时其高温粘度大,熔制温度高。铝硅酸盐玻璃常用作飞机的透明装甲或挡风玻璃、炉灶面板、电脑手机屏幕等,著名的康宁大猩猩玻璃便是一种通过离子交换工艺进行深层化学钢化处理的铝硅酸盐玻璃。此外,SiO2-Al2O3-Li2O体系的铝硅酸盐玻璃常用来生产微晶玻璃,通过析出β-锂辉石和石英固溶体微晶得到低膨胀、低介电损耗、高热稳定性、高强度的微晶玻璃。

以SiO2、B2O3和Al2O3为主要成分的硼铝硅酸盐玻璃,具有较高的软化点和电绝缘性、低膨胀系数,用于集成电路基板、耐热无碱的电子器件基板、耐热灯管和耐热器皿。其中,无碱硼铝硅酸盐玻璃具有良好的力学性能和优异的耐腐蚀性等优良性能,为无碱玻璃纤维(E玻璃纤维)和TFT-LCD玻璃衬底提供了广泛的应用,但其高铝无碱的特性导致其熔化温度在1600 ℃以上。低碱硼铝硅酸盐玻璃具有较低的热膨胀系数、高应变点、硬度大、透过率高、良好的热稳定性和化学稳定性等诸多优点,常被应用于实验室玻璃器皿、医用生物制剂包装、化工工艺管道以及耐热厨具餐具。除此之外,这种玻璃由于电绝缘性好,介电损失小,在电力工业和电真空技术上也被广泛采用。本次实验,我们选用低碱硼铝硅酸盐玻璃作为基础玻璃,其各方面性能优良、融化温度适宜、原料成本较低,适合作为生产乳浊玻璃的基础玻璃。

乳浊玻璃的性质除了由基础成分决定之外,还会受到玻璃内分相液滴、析出晶粒数量和尺寸的影响,因此乳浊剂种类及含量对乳浊玻璃的制备甚是重要。本次实验我们选用乳浊效果良好的氟化物乳浊剂。常见的氟化物乳浊剂包括萤石(CaF2)、氟硅酸钠(Na2SiF6)、冰晶石(Na3AlF6)、氟化铝(AlF3)等。人们对氟化物乳浊剂的乳浊机理做了充足的研究:一些学者认为向硅酸盐玻璃中加入一定量的氟化物,反应生成的NaF会使硅氧键断裂,从而降低玻璃粘度,从动力学来讲,原先在高粘度中受阻的分相和成核结晶过程就易于进行;另外一些学者认为F离子能保护氧化物晶体和硅酸盐晶体生长,免受二次溶解,在遇到晶体停止生长时,可屏蔽处于晶体表面O2离子的剩余价键。目前,氟化物乳浊玻璃的生产工艺已经相当完备,氟化物乳浊剂的乳浊效果也得到了普遍的认可。本次实验我们将选用Na2SiF6作为乳浊剂来制备氟化物乳浊玻璃。

本研究的社会意义在于,通过低碱硼铝硅酸盐乳浊玻璃的研究得到高性能的乳浊玻璃材料,期望实现玻璃制品的减薄与减重。由此可以达到以下几方面的目的。①玻璃强度等性能的改善,可减少玻璃材料对原料、能源等资源的消耗,减少排放,保护环境;②玻璃减薄与减重后,可减轻、减少对使用者的伤害,起到对使用者健康、安全保护的目的;③玻璃减薄与减重后,单位质量的玻璃熔体可以制备的玻璃制品量可大幅度提高,单个制品的成本由此可以降低。

熔制100 g玻璃的成本见下表所示:






原料

(工业纯)

名称

单价(元/kg)

质量(g)

价格(元)

总价(元)

硅砂

0.85

60.20

0.051





0.36

氧化铝

11.00

16.16

0.178

硼酸

4.90

16.42

0.080

碳酸钙

0.50

18.03

0.009

氧化镁

10.00

2.04

0.020

纯碱

2.20

3.43

0.008

氟硅酸钠

3.45

3.64

0.013


200mL刚玉坩埚

单价(元/个)

数量(个)

价格(元)


35

35

1

35

电耗

24kW×10h×0.65 4kW×1h×0.65=158.6元

158.60

熔制100g玻璃的总成本

193.96

综上所述,本次实验我们选择低碱硼铝硅酸盐玻璃作为基础玻璃,Na2SiF6作为乳浊剂,意图将低碱硼铝硅酸盐玻璃良好的热学性能和力学性能,与乳浊玻璃的艺术装饰效果结合起来,生产出具有实际应用价值的高性能耐热乳浊玻璃,并运用现代测试技术研究乳浊剂含量和热处理过程对玻璃结构和性能的影响。

2. 研究的基本内容与方案

1. 基本内容

材料制备:查阅文献,选择合适的基础玻璃体系和乳浊剂种类,控制乳浊剂含量和实验条件变化,对玻璃材料进行熔制、成形和退火处理。

材料表征:对不同组分乳浊玻璃进行性能测试,分析乳浊剂含量和实验条件变化对性能的影响;运用现代测试技术手段分析结构和性能变化的关系。

2. 研究目标

1、选择合适的基础玻璃体系进行成分设计,选取乳浊剂的种类,对玻璃材料进行熔制。

2、研究乳浊剂含量变化和热处理条件变化,对低碱硼铝硅酸盐乳浊玻璃性能的影响。

3、利用现代测试技术手段,对比不同组分低碱铝硼硅酸盐乳浊玻璃变化情况进行研究。

3. 技术方案

1、玻璃材料的制备

通过查阅文献,拟定低碱硼铝硅酸盐玻璃的基础成分,选用Na2SiF6为乳浊剂。采用取代法改变Na2SiF6的含量,每改变增加或降低1 wt%的Na2SiF6,相应降低或增加1 wt%的SiO2的含量,并保持其余各组分含量不变,使玻璃组成总百分比保持100 wt%。设计的各组乳浊玻璃成分如下表所示。

编号

SiO2

B2O3

Al2O3

CaO

MgO

Na2O

Na2SiF6

1

59.00

8.00

16.00

10.00

2.00

2.00

3.00

2

58.00

8.00

16.00

10.00

2.00

2.00

4.00

3

57.00

8.00

16.00

10.00

2.00

2.00

5.00

4

56.00

8.00

16.00

10.00

2.00

2.00

6.00

5

55.00

8.00

16.00

10.00

2.00

2.00

7.00

结合实验室情况选用合适的原料,计算并称量各原料用量,混合研磨均化得到配合料,并用无水乙醇洗涤后干燥处理备用。

将干燥后的配合料装入坩埚中,在电炉中以5 ℃/min的升温速率升温至1500 ℃,期间需要在1300 ℃进行二次加料以获得更好的熔制效果。到达熔制温度后保温1.5 h,然后将玻璃液倒入磨具中成型,并放入退火炉中在600 ℃退火1 h,以消除内应力,然后关闭电源后随炉冷却至室温,获得玻璃样品。

选用上表中一组乳浊玻璃成分,按上述要求依次进行称料、混合研磨、洗涤干燥、熔制、成形、退火工序,并在到达熔制温度后控制保温时间分别为0.5 h、1 h、2 h、2.5 h,得到玻璃样品。

2、玻璃材料的性能测试

对烧成退火后的乳浊玻璃加工处理,然后进行热膨胀测试,得到不同组分乳浊玻璃的热膨胀曲线、热膨胀系数、玻璃转变温度、膨胀软化温度等数据;进行力学测试,得到抗弯强度、硬度等力学性质;进行光学性能测试,得到白度、透明度等数据。将数据汇总,绘图列表进行比较,从而得出乳浊剂含量以及热处理过程对玻璃性能的影响,并粗略分析乳浊玻璃性能变化的原因。

3、运用现代测试技术对玻璃材料进行测试

运用现代测试技术对玻璃试样进行测试分析:样品用扫描电镜拍照,观察晶粒的形状、尺寸和数量;采用红外吸收光谱测试,分析不同分子基团和化学键的变化;通过XRD测试,分析析晶相种类及含量。综合上述测试结果,结合乳浊玻璃性能变化,分析乳浊剂含量和热处理过程对乳浊玻璃结构的影响以及乳浊玻璃结构对性能的影响。


3. 研究计划与安排

第1-2周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第3-4周:选定合适的基础玻璃体体系,进行组分设计,选取乳浊剂的种类,对玻璃材料进行熔制。

第5-7周:对熔制退火后的乳浊玻璃进行性能测试,得到其热学、力学、光学性能,研究乳浊剂含量变化,不同的实验条件下,对低碱铝硼硅酸盐乳浊玻璃性能的影响

剩余内容已隐藏,您需要先支付后才能查看该篇文章全部内容!

4. 参考文献(12篇以上)

[1] 王承遇,陶瑛. 玻璃成分设计与调整[m].北京:化学工业出版社,2006:407-409.

[2] 王倩,应浩,韩高荣. 高硼硅玻璃的复合澄清剂研究[j].玻璃,2006(1):6-10.

[3]卢高,谢俊,韩建军,等. zro2对无碱铝硼硅酸盐玻璃结构与性能的影响[j].硅酸盐通报,2018(9):2782-2786.

剩余内容已隐藏,您需要先支付 5元 才能查看该篇文章全部内容!立即支付

该课题毕业论文、开题报告、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。