实验三玻璃配方计算和配合料制备
1 目的意义
1.1 意义
配方计算是根据原料化学成分和所制备的玻璃成分等计算各种原料的需要料。
配合料制备就是按照配方配制并加工原料，使之符合材料高温烧制要求。
配方计算和配合料制备是玻璃乃至各种无机非金属材料新品种研制和生产必不可少的工艺过程。
配方计算也是对后续玻璃熔制工艺参数的预测，配合料制备则直接影响玻璃的熔制效果和成品性能。
1.2 目的
(1)进一步掌握配方计算的方法；
(2)初步掌握配合料的制备方法和步骤；
(3)了解影响配合料均一性的因素。
2 实验原理
2.1 玻璃成分的设计
首先，要确定玻璃的物理化学性质及工艺性能，并依此选择能形成玻璃的氧化物系统，确定决定玻璃主要性质的氧化物，然后确定各氧化物的含量。
玻璃系统一般为三组分或四组分，其主要氧化物的总量往往要达到90％(质量)。
此外，为了改善玻璃某些性能还要适当加人一些既不使玻璃的主要性质变坏而同时使玻璃具有其他必要性质的氧化物。
因此，大部分工业玻璃都是五六个组分以上。
相图和玻璃形成区域图可作为确定玻璃成分的依据或参考。
在应用相图时，如果查阅三元相图，为使玻璃有较小的析晶倾向，或使玻璃的熔制温度降低，成分上就应当趋向于取多组分，应选取的成分应尽量接近相图的共熔点或相界线。
在应用玻璃形成区域图时，应当选择离开析晶区与玻璃形成区分界线较远的组成点，使成分具有较低的析晶倾向。
为使设计的玻璃成分能在工艺实践中实施，即能进行熔制、成型等工序，必须要加入一定量的促进熔制，调整料性的氧化物。
这些氧化物用量不多，但工艺上却不可少。
同时还要考虑选用适当的澄清剂。
在制造有色玻璃时，还须考虑基础玻璃对着色的影响。
以上各点是相互联系的，设计时要综合考虑。
当然，要确定一种优良配方不是一件简单的工作，实际上，为成功地设计一种具有实用意义，符合预定物化性质和工艺性能的玻璃成分，必须经过多次熔制实践和性能测定，对成分进行多次校正。
表2-1给出两种易熔的Na2O-CaO-SiO2系统玻璃配方，可根据自己的要求进行修改。
表3-1易熔玻璃的成分示例
配方编号SiO
CaO MgO A12O3Na2O 备注
2
l 71.5 5.5 1 3 19 氧化物质量百
2 69.5 9.5
3 3 15 分比
2.2 熔制温度的估计
玻璃成分确定后，为了选择合适的高温炉和便于观察熔制现象。
应当估计一下熔制温度。
对于玻璃形成到砂粒消失这一阶段的熔制温度，可按M.Volf 提出的熔化速度常数公式进行估算，即：
PbO
3
1O B 21O K O Na O Al SiO
32223
22
++++=
τ
根据，与熔化温度的关系(表2-2)，可大致确定该玻璃的熔制温度。
表2-2熔化速度常数，与熔化温度的关系
τ 6.0 5.5 4.3 4.2 t ／℃
1450-1460
1420
1380-1400
1320-1340
2.3 玻璃原料的选择
在玻璃生产中选择原料是一件重要的工作，不同玻璃制品对原料的要求不尽相同，但有些共同原则。
① 原料质量应符合技术要求，原料的晶位高、化学成分稳定、水分稳定、颗粒组
成均匀、着色矿物(主要是Fe 2O 3)和难熔矿物(主要是铬铁矿物)要少，便于调整玻璃成分。
② 适于熔化和澄清。
③ 对耐火材料的侵蚀小。
玻璃熔制实验所需的原料一般分为工业矿物原料和化工原料。
在研制一种新玻璃品种
时，为了排除原料中的杂质对玻璃成分波动的影响，尽快找到合适的配方，一般都采用化工原料(化学纯或分析纯，也有用光谱纯)来做实验。
本实验选用化工原料。
2.4 配料计算
根据玻璃成分和所用原料的化学成分(表2-3为示例)就可以进行配合料的计算。
在计算时，应认为原料中的气体物质在加热过程中全部分解逸出，而其分解后的氧化物全部转入玻璃成分中。
此外，还须考虑各种因素对玻璃成分的影响。
如某些氧化物的挥发、飞损等。
由于计算每批原料量时，要根据坩埚大小或欲制得玻璃的量(考虑各性能测试所需娄量)来确定，本实验以制得l00g 玻璃液来计算各种原料的用量，在计算每种原料的用量时要求计算到小数点后二位。
表3-3原料(假设成分)成分表
例：欲熔制得100g玻璃液所需碳酸镁的净用料量，根据表2-1、表2-2的数据：MgCO3→MgO+CO2↑
②40.32
X1 1
X1=84.32×1÷40.32=2.09(g)
实际用量
X=2.09÷99.5％=2.1(g)
用类似方法可算出其他原料的用量，然后按下列格式列出配料单，
原料名称石英砂碳酸钙碳酸镁氢氧化铝纯碱合计配合料1
配合料2
2.5 配合料的制备
按配方称量原料，粉碎、混合均匀即可。
3 实验器材
③研钵一个；料勺若干(每种原料一把)
④天平(千分之一天平即可)
⑤化工原料或化学试剂：如石英砂(SiO2)，纯碱(NaNO3)，碳酸钙(CaCO3)，碳酸
镁(MgCO3)，氢氧化铝[A1(OH)3]等。
4 实验步骤
4.1 计算熔制温度
根据给定配方计算熔制温度。
4.2 配料计算
根据给定配方和原料成分计算配方。
4.3 配合料制备
⑥为保证配料的准确性，首先将实验用原料干燥或预先测定含水量。
②根据配料单称取各种原料(精确到0.01g)。
⑦将粉状原料充分混合成均匀的配合料是保证熔融玻璃液质量的先决条件。
为了
使混合容易均匀及防止配合料分层和飞料，先将配合料中难熔原料如石英砂等
先置人研钵中(配料量大时使用球磨罐)，建议先加入4％的水分喷湿砂子，然
后加助熔的纯碱等，预混合10-15min，再将其他原料加入混合均匀。
如能将配
合料粒化后再熔化，效果更好。
由于本实验为小型实验，配合料量甚小，只能在研钵中研磨混合，所以不考虑加水混合。
5 思考题
(1)在原料中含有在高温下挥发的组分时(如B2O3)应如何计算配方？
(2)影响配合料均一性的因素有哪些？应如何避免？。