澄清劑對(duì)消除玻璃液氣泡的機(jī)理研究

1、 收稿日期 2003208212作者簡(jiǎn)介 杜燕軍 (1963- , 男 , 安陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)編輯部編輯 。澄清劑對(duì)消除玻璃液氣泡的機(jī)理研究杜燕軍 1, 路有昌 2(11安陽師范學(xué)院 , 河南 安陽 455000;21安陽大學(xué) , 河南 安陽 455000 摘 要 用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方法分析了氣泡在玻璃中的成因及去除氣泡的機(jī)理 , 從傳統(tǒng)澄清劑與復(fù)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(guān)鍵詞 澄清機(jī)理 ; 澄清劑 ; 玻璃中圖分類號(hào) TQ171. 6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 167125330(2003 0520065202 玻璃液的澄清是獲得優(yōu)質(zhì)玻璃的重要環(huán)節(jié) ,

2、直接影響 著玻璃制品的質(zhì)量 。一般認(rèn)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(huì)溶解于玻璃中而降低制品玻璃的機(jī)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(xué)111 氣泡生成 、 生長(zhǎng)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(shí) , 該組分將

3、有向液相上方逸出的趨勢(shì) 。(2 考慮玻璃液是一復(fù)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(fù) 雜得多 , 因此氣泡的生成 、 長(zhǎng)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(huì)迅速長(zhǎng)大 。 付爾邁 (M w olner 對(duì)核泡 生成 、 成長(zhǎng)速度的研究表明 , 當(dāng)玻璃液中某組分的飽和度 和組分?jǐn)U散速度一定時(shí) , 一定粒徑以上的核泡可迅速長(zhǎng) 大 。 核泡生成速度 和氣泡成長(zhǎng)速度 與氣 -液系統(tǒng)關(guān) 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(duì)溫度 ;P -氣泡內(nèi)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(zhǎng)消耗能量小 , 生長(zhǎng)速度快 。112 氣體間轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)平衡 , 三者之間的轉(zhuǎn)換取決于氣體在各相中 的分壓 , 轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖 1 :圖 1氣體間轉(zhuǎn)化與平衡不僅與氣體在各相分壓有關(guān) , 還與 氣體種類 、 氣體在液相溶解度及溫度有關(guān) 。(1

5、A 氣體進(jìn)入 B 氣體氣泡中時(shí) , 氣泡總壓升高 ,B 氣 體分壓降低 , 促使液相中溶解的氣體進(jìn)入氣泡 , 使氣泡長(zhǎng) 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(jìn)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(xué)溶解 , 即氣體與玻璃 液組分形成化合物 , 同時(shí)還伴隨少量物質(zhì)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(xué)溶解 , 即與變價(jià)離子形成過氧化物或高價(jià)氧化物

6、 。物理溶解微 不足道 , 據(jù)統(tǒng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) 。(2 瓦爾金與梁波科娃認(rèn)為 , 玻璃液吸收 C O 2主要原 因在于化學(xué)結(jié)合與物理溶解 。 C O 2在玻璃液中的溶解與 K 、 Na 、 Ca 、 Mg 等結(jié)合以碳酸鹽形式存在 , 若爐氣中 C O 2分 壓高時(shí) , 玻璃液吸收 C O 2能力更強(qiáng) 。 其物理溶解也較高 。(3 C O 可與 O 2及高價(jià)氧化物作用生成 C O 2而溶解與玻璃液 , 當(dāng)爐氣中 C O 分壓高時(shí) ,C O 從玻璃表面開始吸收 , 逐步滲入玻璃下層 , 同時(shí)隨爐溫升高 C

7、O 吸收相應(yīng)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(shí) , 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(duì)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(guān)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(duì)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(dǎo)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(zhì) 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(jìn)一步氧化成過氧化物而進(jìn) 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(zhǎng)大 , 加速浮出 液面 。(4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(gè)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(jié)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(zhì)量要求 :根據(jù)玻璃行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 、 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求 氣泡的分布(2 環(huán)保要求 :根據(jù)國(guó)家對(duì)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(jì)性原則參考文獻(xiàn) 1王裕杰等 . 玻璃工藝學(xué) M.北京 :輕工業(yè)出版社 ,1982. 2林宗壽 . 無機(jī)非金屬材料工學(xué) M.武漢 :武漢工業(yè)大 學(xué)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