澄清劑對消除玻璃液氣泡的機理研究

1、 收稿日期 2003208212作者簡介 杜燕軍 (1963- , 男 , 安陽師范學院學報編輯部編輯 。澄清劑對消除玻璃液氣泡的機理研究杜燕軍 1, 路有昌 2(11安陽師范學院 , 河南 安陽 455000;21安陽大學 , 河南 安陽 455000 摘 要 用熱力學和動力學方法分析了氣泡在玻璃中的成因及去除氣泡的機理 , 從傳統(tǒng)澄清劑與復合澄清劑澄清 效果比較 , 提出了玻璃生產(chǎn)選擇澄清劑的基本要求 。關鍵詞 澄清機理 ; 澄清劑 ; 玻璃中圖分類號 TQ171. 6 文獻標識碼 A 文章編號 167125330(2003 0520065202 玻璃液的澄清是獲得優(yōu)質玻璃的重要環(huán)節(jié) ,

2、直接影響 著玻璃制品的質量 。一般認為 , 在玻璃形成的硅酸鹽階 段 , 配合料發(fā)生高溫分解 , 產(chǎn)生大量的 C O 2、 O 2、 H 2O 、 C O 、 S O 2、 N 2等氣體 。大部分氣體將揮發(fā)于爐氣中排出 , 少量 殘余將會溶解于玻璃中而降低制品玻璃的機械性能 、 光性 能 、 電性能及熱穩(wěn)定性等特性 。 常用的建材玻璃 、 光玻璃 、 電子玻璃等均采用配合料中加澄清劑的方法 , 在玻璃最終 形成之前 , 加快排除殘存氣體量 。1 玻璃液澄清熱力學111 氣泡生成 、 生長與氣 , , 液相中 , 根據(jù)氣 -(1 若玻璃液面上方某組分氣相分壓小于液相中該組 分分壓時 , 該組分將

3、有向液相上方逸出的趨勢 。(2 考慮玻璃液是一復雜金屬氧化物和非金屬氧化物 的混合物系 , 且其粘度 、 密度 、 表面張力等均較普通溶液復 雜得多 , 因此氣泡的生成 、 長大 、 浮出液面存在諸多困難 。(3 玻璃液中氣泡包括核泡 、 小氣泡 , 在一定的條件 下 , 核泡生成快 , 且會迅速長大 。 付爾邁 (M w olner 對核泡 生成 、 成長速度的研究表明 , 當玻璃液中某組分的飽和度 和組分擴散速度一定時 , 一定粒徑以上的核泡可迅速長 大 。 核泡生成速度 和氣泡成長速度 與氣 -液系統(tǒng)關 系如下 :=K exp-RT (33P 2lnC/C 0=K exp-RT (Pln

4、C/C 0 式中 K 與 K -常數(shù) ;R -氣體常數(shù) ;T -絕對溫度 ;P -氣泡內壓 ;C/C 0-過飽和度 ;C 0-氣體的飽和濃度 ;C -氣體的過飽和濃度 ;-表面張力 ; -氣體的厚度 ; -玻璃 粘度 。上式表明在相同條件下 , 核泡生成較困難 , 生成速度 小 , 而氣泡生長消耗能量小 , 生長速度快 。112 氣體間轉化與平衡在高溫澄清段 , 爐氣 、 氣泡中氣體及液相中氣體三者 之間存在動態(tài)平衡 , 三者之間的轉換取決于氣體在各相中 的分壓 , 轉換關系如圖 1 :圖 1氣體間轉化與平衡不僅與氣體在各相分壓有關 , 還與 氣體種類 、 氣體在液相溶解度及溫度有關 。(1

5、A 氣體進入 B 氣體氣泡中時 , 氣泡總壓升高 ,B 氣 體分壓降低 , 促使液相中溶解的氣體進入氣泡 , 使氣泡長 大 。(2 熔制系統(tǒng)溫度越高 , 氣體在液相中溶解度越低 , 液 相中氣體越易進入氣泡而上升 。113 氣體與玻璃液間的作用澄清過程中 , 氣體與玻璃液間的作用表現(xiàn)為兩種情 況 。 一類是物理溶解 , 另一類是化學溶解 , 即氣體與玻璃 液組分形成化合物 , 同時還伴隨少量物質溶解 。 爐氣中主 要組分 O 2、 C O 2、 C O 、 H 2O 、 N 2等在玻璃中溶解情況 :(1 O 2在玻璃液中 , 主要是較低溫度下的化學溶解 , 即與變價離子形成過氧化物或高價氧化物

6、 。物理溶解微 不足道 , 據(jù)統(tǒng)計玻璃態(tài)二氧化硅在 1000 所溶解的 O 2量 不大于 0. 003Ncm 3/cm 3(N -標準狀態(tài) 。(2 瓦爾金與梁波科娃認為 , 玻璃液吸收 C O 2主要原 因在于化學結合與物理溶解 。 C O 2在玻璃液中的溶解與 K 、 Na 、 Ca 、 Mg 等結合以碳酸鹽形式存在 , 若爐氣中 C O 2分 壓高時 , 玻璃液吸收 C O 2能力更強 。 其物理溶解也較高 。(3 C O 可與 O 2及高價氧化物作用生成 C O 2而溶解與玻璃液 , 當爐氣中 C O 分壓高時 ,C O 從玻璃表面開始吸收 , 逐步滲入玻璃下層 , 同時隨爐溫升高 C

7、O 吸收相應增多 。 (4 H 2、 H 2O (g 、 N 2惰性組分主要以物理方式溶解 , 在 高溫下溶解度均很低 。114 氣泡在玻璃中上升速度為了使玻璃液中溶解的氣體組分排出 , 液面上方氣體 組分分壓要小一些 , 使得在澄清階段 , 氣泡易于浮出液面 破裂消失 , 直至液相中組分分壓與上方組分分壓成平衡 時 , 組分以化合物形式均勻溶入液相 , 被吸收不再形成核 泡 。 根據(jù)斯托克斯對溶化過程研究 , 氣泡上升速度與氣泡 半徑玻璃的粘度 、 密度有如下關系 := 9 2-氣泡上升速度 ;r -氣泡半徑 ; ( -玻璃 (氣泡 密度 ; -玻璃粘度上式表明隨著氣泡由底上升到高處 , 上

8、升速度越來越 快 。 由此造成表層以下一定深度玻璃液澄清良好 , 而在下 部小氣泡密集 。此式子對工業(yè)過程中澄清階段氣氛 、 溫 度 、 澄清劑的選擇及玻璃液取用有重要的指導意義 。 2 澄清劑的作用及選擇211 澄清劑的作用在玻璃澄清階段氣泡排除程度 , 決定了玻璃液的質 量 , 在原料中引入高溫易分解成分 , , 業(yè)生產(chǎn)中往往引入 As 2O 3、 Sb 2O 、 、 鈉等做澄清劑 ,(1 , ( 放出氧氣 , 而 As 2、 3被進一步氧化成過氧化物而進 入玻璃液As 2O 3+O 2As 2O 5Sb 2O 3+O 2Sb 2O 5(2 澄清階段 , (>1400 玻璃液中氧氣分

9、壓減少 , 過 氧化物又放出氧氣S 2O 52O 3+O 2Sb 2O 5Sb 2O 3+O 2(3 釋出的氧被核泡或小氣泡吸收而長大 , 加速浮出 液面 。(4 實驗結果統(tǒng)計數(shù)據(jù)見下表 , 其分量占配合料量的 0. 1%。表 1澄清劑種類、 溫度澄清效果表澄清劑 澄清溫度1450 保持 45分鐘情況45分 鐘 后 情 況白砒 14001450池 底 層 0. 51mm 較高氣泡變化平緩氧化銻 14001450底層 有 >1mm氣泡及較高氣泡14001450>1mm 氣泡一個0. 35015氣 泡澄 清 速 率 較 集中14001450保持 20分 鐘、 即無明顯氣泡澄 清 速 率

10、 充 分 集 中 在 1450 狀態(tài)14001450<0125mm 灰 泡若干 ,60分鐘消失212 結果分析通過綜合比較 , 焦銻酸鈉 、清劑具有較大優(yōu)越性, , 在 。3(1 玻璃質量要求 :根據(jù)玻璃行業(yè)標準 、 國際標準要求 氣泡的分布(2 環(huán)保要求 :根據(jù)國家對煙氣排放砷 、 銻 、 硫等要求(3 玻璃高溫特性 :玻璃熱狀態(tài)下的穩(wěn)定性要求(4 玻璃生產(chǎn)的經(jīng)濟性原則參考文獻 1王裕杰等 . 玻璃工藝學 M.北京 :輕工業(yè)出版社 ,1982. 2林宗壽 . 無機非金屬材料工學 M.武漢 :武漢工業(yè)大 學出版社 ,1999.3袁怡松 . 玻璃與搪瓷 J.1992, (2 :44-47.

11、Study on Mechanism of Clarification and Clarificant of the Liquified G lass DU Y an 2jun 1,LU Y ou 2chang 2(11Anyang T eachers C ollege ,Anyang 455000,China ;21Anyang University ,Anyang 455000,China Abstrict :reas on for yielding bubble in glass and the mechanism of expelling bubble have been introduced in this pa 2 per. C om paring with the effect of classica