低成本微晶玻璃的研究與應用

李雪 趙輝

[摘要] 針對微晶玻璃的原料成本結(jié)構，以降成本、穩(wěn)性能為目標，對微晶玻璃的基礎配方進調(diào)整，同時摸索新基礎配方的燒成曲線。

[關鍵詞] 微晶玻璃； 低成本； 氧化鋅

[中圖分類號] TQ171.73+3；TQ171.6+12 [文獻標志碼] A[文章編號] 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)構中的作用著手研究，設計了低鋅微晶玻璃配方，降低了ZnO在配方中的比例，從而達到降低微晶玻璃原料成本的目的。

1 試驗

1.1 配比設計

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，促進析晶，且能增加玻璃折射率、光澤度和化學穩(wěn)定性，SrO除具有與BaO的類似作用外，對玻璃膨脹系數(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，且有促進析晶的作用，但添加量過多時，反而使玻璃液澄清困難，且析晶量增加，晶體過分長大，影響微晶玻璃的結(jié)構穩(wěn)定性；SrO添加過多會增加玻璃液的高溫粘度，導致水淬工藝難以操作。根據(jù)以上理論分析，最終確定了試驗的四個配比，其中0#配方是原基礎配方。

1.2 熔化、晶化試驗

1.2.1 基礎玻璃的熔制

按表1的配比計算其原料用量，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；熔制設備選用硅鉬棒電阻爐；溫度為1510℃；時間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

晶化曲線的設定：0-850℃，升溫速率20℃/min；到850℃時保溫0.5h；850℃-960℃，升溫速率20℃/min；到960℃時保溫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

通過對比，配方2的熔化、晶化效果優(yōu)于其他3個配方，故確定配方2為新基礎配方?；A配方變動，其具體晶化溫度點也必然變動，為更準確地掌握新配方的晶化溫度，摸索出對應的晶化曲線以指導生產(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，同時放入設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℃表面析晶目測達到80%，斷層顆粒界面至中心逐漸失透。

990-1050℃：表面析晶目測達到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，應該緩慢升溫；990℃-1050℃析晶階段，1050-1110℃是晶體長大階段，這兩過程基本同時進行。

2 結(jié)果分析

2.1微晶玻璃的XRD譜分析

通過到山東大學環(huán)境學院分析所對配方2試樣進行XRD譜分析，與X射線粉末衍射數(shù)據(jù)卡片中β-硅灰石的標準d值進行對照，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微晶玻璃的各項理化性能分析

將配方2晶化后試樣送到國土資源部濟南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進行物理性能檢測，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物理性能指標均滿足建筑用微晶玻璃的性能使用要求。

3 結(jié)論

（1）實驗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

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

[2]劉耘，周磊.無機及分析化學[M].濟南：山東大學出版社，2001.1.