毕业设计（论文）-铁对玻璃光谱性能和白度的影响.doc

洛阳理工学院毕业论文铁对玻璃光谱性能和白度的影响摘 要本课题主要探究铁对玻璃光谱性能和白度的影响，通过改变NaNO3、碳粉、铁和KMnO4四种物质来熔制玻璃样品，然后对玻璃样品的光谱性能和色度指标进行测定。该实验采用熔融法，将配好的原料放在在智能高温电阻炉中按一定的升温程序加热熔融，后经保温、退火处理得到玻璃样片。实验设置四个方向进行对比研究：(1) 铁含量一定，加入不同含量的NaNO3对含铁玻璃光谱性能和色度指标的影响；(2) 铁含量一定，加入不同含量的碳粉对含铁玻璃光谱性能和色度指标的影响；(3) 碳粉一定，改变铁的含量对玻璃光谱性能和色度的影响；(4) 铁含量一定，加入脱色剂KMnO4，由于其含量的变化，对含铁玻璃光谱性能和色度的影响。本实验在保证钠钙硅氧化物比例合理的情况下，决定配合料中各原料的配比。实验结果表明：熔制氧化还原气氛及KMnO4用量对含铁玻璃的光谱性能和色度有很大的影响，氧化气氛更有利于提高含铁玻璃的透光率；KMnO4对提高含铁玻璃的透光率作用不是很理想。关键词：玻璃，光谱性能，色度指标，铁 Effect of Iron on Glass Spectral Properties and WhitenessABSTRACTThis paper is to explore the effect of iron on the spectral properties of glass and whiteness, By changing NaNO3, toner, and KMnO4 three substances to melting glass samples, Then the spectral properties and color glass samples were measured indicators. The test melting method, The material was then placed in a smart with a good temperature resistance furnace heated at a certain temperature program molten, After the glass samples obtained by thermal and annealing treatment. Experimental set up a comparative study in four directions: (1) The iron content must, at a fixed gradient, due to the different amount of influence on the spectral properties of the iron-containing glass and color indicators; (2) certain iron content, adding the effects of different carbon content of the iron-containing glass spectral properties and color indicators; (3) Toner constant changes affect the iron content of the glass spectral properties and chroma; (4) The iron content must be added to bleaching agents, due to changes in the content, effects on spectral properties of glass and iron chroma. Under this experiment to ensure a reasonable proportion of sodium, calcium, silicon oxide situation, The ratio of the raw materials determines the batch. The results show: Melting oxidation-reduction atmosphere and amount of KMnO4 have a great influence on the spectral properties and chroma iron glass, Oxidizing atmosphere more conducive to improving transmittance iron glass; KMnO4 improve iron glass light transmittance effect is not ideal.KEY WORDS: Glass，Spectral properties，Color index，Iron8目录前言1第1章 绪 论21.1 玻璃行业的发展概况及发展前景21.1.1 玻璃的发展概况21.1.2 玻璃的发展前景21.2 颜色玻璃的发展及着色理论31.2.1 颜色玻璃的发展31.2.2 颜色的分类及着色机理41.2.3 颜色的表示方法51.3 玻璃的脱色理论51.3.1 脱色的分类及脱色机理51.3.2 脱色技术在超白玻璃生产中的应用61.4 超白玻璃的发展与应用61.4.1 超白玻璃的发展概述61.4.2 超白玻璃的应用61.5 铁对玻璃生产的影响71.6 本课题研究的目的及意义8第2章 实验方法与理论基础92.1 玻璃原料的选择及成分要求92.1.1 玻璃原料的选取原则92.1.2 玻璃原料的成分92.2 样品制备102.2.1 配料方案102.1.2 实验原料112.1.3 实验仪器122.1.4 玻璃熔制过程142.2 玻璃光谱性能的测定152.2.1 玻璃的光学性质152.2.2 光谱性能的测定172.3 玻璃色度指标的测定182.3.1 玻璃的色度182.3.2 色度指标的测定18第3章 含铁玻璃的光谱性能研究213.1 铁离子着色的概况213.2 熔制气氛对含铁玻璃光谱曲线的影响213.2.1 NaNO3用量（铁不变）对光谱性能的影响213.2.2 碳粉用量(铁不变)对光谱性能的影响253.2.3 铁用量(C不变)对光谱性能的影响273.2.4 三种情况的对比分析303.3 物理脱色剂高锰酸钾对含铁玻璃光谱曲线的影响30第4章 铁着色玻璃色度指标的分析38结 论41谢 辞43参考文献44外文资料翻译47前言玻璃是一种古老的材料，如今赋予了现代的元素，随着科学技术的进步，玻璃的应用越来越广泛，为科学技术的发展做出了巨大贡献。当今世界正面临着能源和全球气候变暖问题，为了实现能源替代和低碳生活，发展绿色能源具有重要意义。现在最方便的绿色能源就是太阳能，而利用太阳能就离不开玻璃(超白玻璃)。能够利用太阳能的玻璃是一种低铁高透玻璃，也就是人们常说的超白玻璃。它是近年来开发的新方向，其生产技术主要为超白压延技术和超白浮法技术。利用压延技术生产的低铁压延玻璃，透光率达91.6%以上，具有高透过率、低吸收率、低反射率、强度高等优异性能1。超白玻璃其具有的高档品质和高附加值优势使其被广泛关注，越来越多的玻璃生产企业开始将新产品方向放在超白玻璃的研发和生产。生产超白玻璃的前提就是要研究怎样减少铁对玻璃光谱性能和白度的影响。而在生产超白玻璃的过程中会遇到很多问题，其中最主要的问题之一就是控制铁的含量。在玻璃生产中，由于它对玻璃的透光度有很大影响影响，一般被视做一种不好的成分，在能减少的前提下尽量减少。但是，玻璃的原料来源于各种矿石原料，而它们都会含有一些量的铁，所以玻璃生产中就会存在难以避免的铁，虽然多年来人们一直在研究如何更有效的降低玻璃中的铁含量，如从选矿，加工和运输等过程中采取一系列除铁措施，但都很难达到完全消除2。因此，我们必须探究铁对玻璃生产的影响，以达到更好的利用它。本课题主要研究铁对玻璃光谱性能和白度的影响，通过本课题的研究，可以更加清楚的知道铁对玻璃光谱性能和白度是如何影响的。本试验通过改变铁的含量、熔制气氛和添加脱色剂，单一变量法来分析在什么情况下玻璃的白度最好。从而使其更好的应用于生产中，提高超白玻璃的产量和品质。 第1章 绪 论1.1 玻璃行业的发展概况及发展前景1.1.1 玻璃的发展概况玻璃是一种具有许多优良性能的材料。在日常生活中，玻璃是最常用的材料之一。它具有良好的透明性和化学稳定性，并且硬度大、不易磨损；在加热条件下具有良好的可塑性；还可以通过玻璃着色剂产生各种各样的颜色。而且其原料来源丰富、价格低廉，产品需求量大。20世纪以来，玻璃材料的需求量越来越大，玻璃生产技术也得到了高速发展，玻璃工艺也越来越受人们重视。20世纪初，由于玻璃瓶罐的需求量激增，逐渐出现了各式各样的自动制瓶机以代替工人的手工操作，实现了玻璃瓶的机械化生产。1905年，英国欧文斯发明了第一台玻璃瓶自动成形机。1925年又继续出现了第一台行列式制瓶机。19世纪末出现了把玻璃拉成空心圆筒的机器。后来比利时发明家弗克设计出一种拉板机，经过几十年改进，发展为引上机。经过近30年的研究，英国皮尔金顿公司在1959年成功采用浮法技术生产平板玻璃。浮法技术的出现，是世界玻璃生产史上一次巨大的飞跃。近半个世纪以来，国际上玻璃的科学技术有了很大发展。由于吸引了许多物理和化学方面的科学家，使用了各种新的微观结构分析方法，对玻璃材料中的微观机构观察的更加清晰，从而使形成玻璃态物质的系统不断扩大，从这些新的系统中发现了很多新的物理和化学特性，从而扩大了玻璃态物质的应用范围；此外，人们还采用了新的制备工艺和技术。因此新的玻璃制品和玻璃工艺不断被发现。很肯定的说，当前玻璃科学是固态物理和固态化学的前沿，玻璃态物质是高技术发展中的重要材料。1.1.2 玻璃的发展前景随着科学技术的提高，市场竞争越来越大，玻璃为了适应市场，就必须与其它材料竞争，在各种性质方面需要不断地改进和提高。1997年，美国若干家公司的技术专家聚集在一起对未来玻璃工艺的发展进行了看法，在未来玻璃的工业的发展取决于生产效率、能耗、环保和再循环问题以及玻璃的新用途四个方面。因此现在玻璃新技术正在向节能、环保、生物等领域发展。在材料方向，主要指玻璃原片的生产向大片、薄片、厚片、白片四个方向发展3。在研发新技术方面，通过对玻璃产品进行表面和内在改性处理，使其更具备强度、节能、隔热、耐火、安全、隔声、自洁、环保等优异性能3。新型玻璃是指在组成、生产工艺、加工技术的一个或几个方面实现了对传统玻璃革新，使传统玻璃具备更优异的性能，从而扩展了玻璃的应用领域，并满足人类社会发展新的需求。表1-1 常用新型玻璃新型玻璃种类应用领域电子信息显示玻璃TFT-LCD 基板玻璃发光型平板显示器、液晶显示器（LCD）、触摸屏等高铝高强盖板玻璃ITO 导电玻璃超白玻璃超白压延玻璃晶体硅光伏发电、薄膜光伏发电、太阳能热发电、建筑装饰等超白浮法玻璃低辐射玻璃Low-E 玻璃节能窗玻璃材料、民用住宅装饰市场等Sun-E 玻璃随着科学技术的发展，新型玻璃越来越多，除了以上三种之外，还有光致变色玻璃、自洁净玻璃、SUNERGY硬镀膜多功能玻璃、计算机硬盘用玻璃基板、折光玻璃、防静电和抗电磁波干扰玻璃、天线玻璃、蓄光玻璃及防盗玻璃等新品种。1.2 颜色玻璃的发展及着色理论1.2.1 颜色玻璃的发展颜色玻璃也称为着色玻璃，颜色玻璃主要以本体着色颜色玻璃为主，其着色剂为镍、钴、铁、硒等金属或其氧化物，玻璃的颜色主要有蓝色、绿色、灰色、茶色等。1973年，上海耀华玻璃厂采用单元窑试制本体着色颜色玻璃获得成功，属国内首创。1974年3月建成彩色玻璃单机无槽窑，当年生产蓝色玻璃4.29万标箱。以后经多次技术改造，年产量达到15万重量箱以上，并形成蓝、灰、茶色玻璃系列产品。1985年6月，经过上海科学技术委员会技术鉴定，认为该系列产品质量稳定，光学性能先进，工艺可行，产品质量接近国际同类产品水平，经济效益显著，并为国家节约大量外汇，填补了国内空白。1986 年，彩色玻璃获上海市科学技术进步一等奖，1987年获上海市优质产品证书。1994 年2月 17日国家建筑材料工业局发布了建材行业标准Jc/T 536-94吸热玻璃。2002年4月9日国家质量监督检验检疫总局批准发布了国家标准GB/T18701-2002 着色玻璃，替代JC/T 536-94吸热玻璃。该标准 自2002年10月1日实施，适用于本体着色的浮法玻璃和普通平板玻璃。2013年，在我国308条浮法玻璃生产线中有27条生产颜色玻璃，生产品种主要是翡翠绿、F绿、茶玻和蓝玻，颜色玻璃的生产能力约8538万重量箱/年，约占当年浮法玻璃总产能的8.01；2013年实际生产颜色玻璃6424.92万重量箱，出口824.52万重量箱，进口42.26万重量箱，表观消费量6542.66万重量箱。目前，我国本体着色颜色玻璃生产主要为浮法工艺，一般每年保持在2735条浮法玻璃生产线生产。1.2.2 颜色的分类及着色机理根据着色机理的特点，颜色玻璃大致可以分为离子着色、硫硒化物着色和金属胶体着色三大类。离子着色：铁、锰、钴、铜、钕、钒、铬等过渡金属，在玻璃中以离子状态存在时，它们的价电子在不同能级间跃迁，由此引起对可见光的选择性吸收，导致玻璃着色5。玻璃的光谱特性和颜色主要取决于离子的价态及其配位体的电场强度和对称性。硫、硒及其化合物的着色：硫、硒化物着色机理各有不同，如硫-碳化物，硫-碳着色的棕色基因是由铁氧四面体中的一个氧离子为硫离子所取代而形成的。玻璃中Fe2+与Fe3+、S2-与SO42-的含量比对玻璃的着色情况有重要影响。一般来说Fe3+与S2-含量越高，着色越深；反之，着色越淡。因此Fe3+与S2-之积是衡量色心浓度的标志。金属胶体着色：金属胶体着色是由于不同胶体粒子对各种单色光具有不同程度的选择性吸收(选择性吸收是由于胶态金属粒子对光的散射而引起的)能力，因而使玻璃着色(玻璃被看作是着色剂的胶体溶液)5。1.2.3 颜色的表示方法在颜色玻璃的生产和实际应用中，通过仪器来测试玻璃的光谱曲线和色度指标，以表示玻璃的光谱特性和颜色特点。然而，光谱曲线只是表示不同波长和透过(或吸收)的函授关系，不能全面反应颜色的特性。因为物体的颜色与照射的光源和人眼对颜色的敏感程度密切相关，同一种物质在不同光源的照射下，会显示出不同的颜色。为了科学的表征颜色特点，保证商品玻璃颜色的一致性，国际照明委员会创立了CIE系统，用以表示玻璃颜色。它对颜色的测量数据、测试原理和色度的计算都做了非常详细的讲解。目前国内外常用的是标准基色量系统(即X.Y.Z系统)中的x-y颜色图。使任一颜色的玻璃都能都可在x-y颜色图中找到其相对应的位置，从而可以判定其颜色的纯度、总透过率与主波长值。1.3 玻璃的脱色理论1.3.1 脱色的分类及脱色机理在玻璃生产中，铁总是无法完全除去，从而降低玻璃的透过率，影响玻璃产品的质量。为此在制造高级艺术玻璃和器皿玻璃时，必须对玻璃进行脱色。实际上玻璃的脱色就是减弱或中和铁的着色作用。玻璃脱色分为化学脱色和物理脱色两种。化学脱色一般是在配料中加入氧化剂，使着色较强的Fe2+转变为着色较弱的Fe3+。而物理脱色是通过颜色互补来消除玻璃的颜色，使玻璃变为白色或灰色。由于物理脱色是通过颜色互补来实现的，使整个可见光区的各波段达到全面地按比例均匀吸收，这就会造成玻璃的透明度下降，因此当玻璃中的铁含量大于0.2%时，效果就不太好，一般铁含量在0.06%0.07%以下，使用物理脱色效果最好。1.3.2 脱色技术在超白玻璃生产中的应用进入21世纪，玻璃发展突飞猛进。玻璃新品种也越来越多(如超白玻璃)。超白玻璃要求其透过率达到91%以上，而普通浮法玻璃的透光率一般为86%。要达到这个目标，就必须把铁的含量降到最低，而由于种种原因总是有少量的铁进入玻璃原料中，所以在生产中为了达到要求，就必须对玻璃进行脱色。如铁在玻璃中主要产生黄绿色，与它互补的颜色为蓝色和紫色，因此能产生蓝色和紫色的物质都是含铁玻璃的脱色剂如硒、钴、锰、铷等都是含铁玻璃的脱色剂。通过脱色剂的作用可以减轻铁的着色。对于普通钠钙硅超白玻璃，最常用的就是硒-钴脱色。1.4 超白玻璃的发展与应用1.4.1 超白玻璃的发展概述全球变暖让人们认识到危机正在来临，发展低碳经济成为其解决危机的方法之一。低碳经济的发展离不开新能源的发展，而太阳能正是新能源中的一种，它作为一种新的洁净能源受到人们的高度重视，世界各国都正致力于太阳能等新能源的开发和利用。而太阳能的利用离不开玻璃，因此光伏低铁玻璃(超白玻璃)成为太阳能开发与利用中不可缺少的重要材料。超白玻璃产品可广泛应用于高档建筑的内外装修、薄膜太阳能电池基片、建筑装饰和高档家具等领域。其所具有的高档品质和高附加值优势已引起玻璃行业的广泛关注，越来越多的玻璃企业开始涉足超白玻璃的生产。1913年，英国人最早将平板玻璃应用于太阳能集热器。随后，德国最早开发出透明平板玻璃在太阳能电池上的应用，加快了西方发达国家对太阳能电池用玻璃的开发应用步伐。1980年，全球太阳能光伏电池产量仅为3MW，到2006年增长到2158MW。我国从2006年才开始介入太阳能电池玻璃的生产领域，目前我国太阳能电池玻璃产能已经跃居世界第一位。1.4.2 超白玻璃的应用1. 高档建筑的内外装修：其高透光性使建筑物具有自然、通透的艺术效果，更符合现代设计风格。在装修中可以用其隔断作为玻璃墙，也可以制成节能窗和光伏幕墙等。比如北京国家大剧院，上海歌剧院等。表1-2 近年我国公共建筑竣工面积及超白玻璃使用情况（万m2）2005年2006年2007年2008年2009年2010年房屋建筑竣工面积159406179673185966202704229576259979主要公共建筑竣工面积291313220132009370434242246134超白玻璃用量5.0185.2339.4576.72. 高档陈列橱柜：可作为博物馆、展览馆、珠宝商店的陈列橱柜，可以让人感受到展品的真实色彩。3. 温室采光天棚等高档园艺建筑(需要高透光率要求的园艺建筑)：能够使室内获得充足的自然光照射，同时又具有美观的视觉感受。 4. 高档玻璃家具、太阳能玻璃板家电用品、卫浴用品及各类高档工艺品(灯具、镜片等)：如无色水晶般晶莹剔透，高雅秀美，给人以美好的视觉体验。5. 太阳能电池基片：表面经加工处理后，对太阳光具有更高的透过率和更低的反射率，可作为光电转换系统的基片或光热转换系统的面板等。如太阳能路灯、太阳能热水器、太阳能发电面板等。表1-3 近年我国太阳能光伏电池的超白玻璃消耗量(万m2)2005年2006年2007年2008年2009年2010年超白压延玻璃123.6293.1649.41422.43512.84700.7超白浮法玻璃0.019.146.373.3184.9434.9合计123.6312.2695.71495.73697.75135.61.5 铁对玻璃生产的影响在玻璃生产中，特别是在超白玻璃生产中，当铁含量过多时，会在玻璃整体上有所体现，主要表现在下几个方面： (1) 玻璃颜色发生变化，当加入铁元素时，玻璃会产生浅蓝色、浅黄绿色或黄色；(2) 玻璃密度发生变化，随着玻璃中铁含量的上升，密度是逐渐增加的；(3) 玻璃透光度发生变化，随着玻璃中铁含量增加，玻璃的透光率会显著降低；(4) 熔窑玻璃液内部温度发生变化，随着玻璃中铁含量的下降，池底温度明显升高。由于含铁量高的玻璃液，具有较差的透热性能，因此随着玻璃液中铁含量的上升，窑池内玻璃液表面和底层之间的温差加大。玻璃液表面的温度是基本稳定的，因此底层玻璃液温度相应下降。铁在这方面的影响对玻璃生产是有利的，在生产中，很多玻璃厂利用这一方面，来控制玻璃液温度的稳定和延长熔窑使用寿命。1.6 本课题研究的目的及意义在我们的日常生活中已经离不开玻璃，玻璃的发展促进了人类社会的进步，人类社会的进步见证了玻璃的发展。随着科学技术的飞跃，玻璃的发展也进入快车道。全球气候变暖促进了新能源的开发，太阳能就是人们最看好的新能源之一。利用太阳能就必须使用超白低铁玻璃，超白玻璃透光率达到91.6%以上，具有高太阳能透过率、低吸收率、低反射率等优质性能。发展超白玻璃是一个无法阻挡的趋势，而影响超白玻璃生产最主要的因素之一就是怎样减少铁的含量。针对以上情况，企业开始重视铁在玻璃生产中的影响，加大了对铁控制的探究。可以肯定以下几点，其一：铁是影响超白玻璃发展的一个主要因素，减少铁的含量对超白玻璃的发展起着重大作用；其二：鉴于超白玻璃材料在科技和国民经济方面潜在的诸多重要应用前景，对其进行广泛深入的研究具有重要的意义；其三：减少铁的含量，就会增加成本，本课题研究可以通过实验分析出，在铁的含量降到一定量时，可以尝试采用合适的脱色剂增加透过率，从而降低生产成本。所以研究此课题对玻璃的应用与发展有很大的意义。洛阳理工学院毕业论文第2章 实验方法与理论基础2.1 玻璃原料的选择及成分要求2.1.1 玻璃原料的选取原则 1. 原料的质量必须符合要求，而且稳定； 2. 易于加工处理； 3. 成本低，能大量供应； 4. 少用过轻和对人体健康、环境有害的原料；5. 对耐火材料的侵蚀要小11。2.1.2 玻璃原料的成分用于制备玻璃配合料的各种物质，统称为玻璃原料11。根据它们的用量和作用不同，可以分为主要原料和辅助原料两类。 主要原料，指提供玻璃组成主要成分的基础原料，如石英砂、石灰石、长石、纯碱等；辅助原料，指能够使玻璃获得一些必要的性质和加速熔制过程的原料，在生产中加入很少的量，但是它们对玻璃产品的质量影响很大11。下面介绍的三种原料为实验所用原料：二氧化硅：它是重要的玻璃形成氧化物，以SiO4结构组元形成不规则的连续网络，成为玻璃的骨架。单纯的SiO2可以在1800以上的高温下，熔制形成石英玻璃。在钠钙硅玻璃中它能降低BL的膨胀系数，提高BL的热稳定性、化学稳定性、软化温度、硬度、机械强度、粘度和透紫外光性。但二氧化硅使用量过高时，需用过高的熔制温度，而且可能导致析晶11。引入SiO2的原料石英砂、硅砂、石英岩和石英。本次试验主要使用硅砂。氧化钠原料：它是玻璃网络外体氧化物。Na2O能提供游离氧是玻璃结构中的O/Si比值增大，发生断键，因此可以降低玻璃的粘度，是玻璃易于融化，是玻璃的良好的助熔剂11。Na2O增加玻璃的膨胀系数，降低玻璃的化学稳定性和机械强度，降低玻璃的热稳定性，所以不能引入太多，一般不超过18%11。引入Na2O的原料主要纯碱和芒硝。本次试验主要用纯碱试剂。氧化钙的原料：它是二价的网络外体氧化物，在玻璃中的主要作用是稳定剂，增加玻璃的化学稳定性、机械强度，但是含量过高时，能使玻璃的结晶倾向增大，而且是玻璃发脆。在高温时，能降低玻璃的粘度，促进玻璃的熔化和澄清；但当温度降低时，粘度增加很快，是成型困难，适应于高机速生产，含CaO高的玻璃成型后退火速度要快，否则易于爆裂11。引入氧化钙的原料主要为：方解石、石灰石、碳酸钙。本次试验主要用碳酸钙化学试剂。2.2 样品制备2.2.1 配料方案本实验考察气氛的变化及加入脱色剂对铁着色玻璃的光谱性能和白度的影响，采用单因素变量法。故确定该实验配料为：主要原料Na2O用量8g保持不变，CaO用量6g保持不变，基础成分氧化物总量40g保持不变，碎玻璃10g保持不变。通过单一变量法设计了四组实验。设计其百分含量如下表2-1，2-2，2-3，2-4：表2-1 不同NaNO3含量时的配料方案样品编号Na2O（%）CaO（%）SiO2（%）NaNO3（%）Fe2O3（%）1201564.700.32201563.710.33201562.720.3表2-2 不同C含量时的配料方案样品编号Na2O（%）CaO（%）SiO2（%）C（%）Fe2O3（%）1201564.700.34201564.60.10.35201564.50.20.3表2-3 不同Fe2O3含量时的配料方案样品编号Na2O（%）CaO（%）SiO2（%）C（%）Fe2O3（%）6201564.750.10.154201564.60.10.37201564.450.10.45表2-4不同KMnO4含量时的配料方案样品编号Na2O (%)CaO (%)SiO2 (%)KMnO4 (%)Fe2O3（%）8201564.690.010.39201564.680.020.310201564.660.040.311201564.620.080.312201564.500.20.32.1.2 实验原料本次实验玻璃制品为钠钙硅体系，为了减少原料杂质，主要使用纯化学试剂作为实验原料。实验原料有：硅砂、碳酸钙、碳酸钠、三氧化二铁、高锰酸钾、硝酸钠、碳粉。表2-5实验原料类型原料名称纯度（%）分子量（g/mol）生产厂家主要原料硅砂99.060河南省登封市碳酸钙99.0100山西省富平县碳酸钠99.0106天津市化学试剂三厂三氧化二铁99.0160天津市化学试剂三厂辅助原料高锰酸钾99.0158天津市凯通化学试剂有限公司硝酸钠99.085天津市化学试剂三厂碳粉99.012天津市化学试剂三厂2.1.3 实验仪器 1. 人工智能箱式电阻炉的使用本试验使用的人工智能箱式电阻炉为SGM型号产品。本产品适用于各类大专院校实验室、工矿企业化验室，供化学分析、物理测定以及玻璃实验样品的熔制。此仪器的特点：30段以上可编程控制，满足30个时段连续控温及恒温要求，实现自动程序升温，具有超温报警功能；控温精度高，冲温小，具备PID参数自整定功能；显示精度为1，温度均匀性为6，升温速度为520/分钟。 图2-1 设备铭牌在使用人工智能箱式电阻炉时，先熟悉注意事项，在使用前检查仪器设备，确保电源线、插头和开关容量与设备功率是否相匹配，确保电源进线与接线柱必须接紧，防止发热。在检查之后开始使用，将电源打开，检查一下炉子是否正常，然后关闭电源，放入坩埚关好炉门，打开电源，编入升温程序，编号程序后就可以启动工作了，在取出样品之前一定要先关闭电源。炉门里面放置的耐火砖门受碰撞易破损，操作时要小心取放耐火砖，然后小心开关炉门，存取坩埚时应轻放，防止碰撞电阻棒；高温灼烧时，炉门打开后，取出坩埚后应立即关上炉门，尽量避免炉门在高温下长时间敞开，防止高温遇冷引起炉膛断裂。在初次使用或超过15天以上不用，再次使用时应进行空炉升温进行烘炉。图2-2 人工智能箱式电阻炉2. 万用电炉的使用万用电阻炉适用于工业、农业、工矿、医疗卫生、科研单位、实验室、家庭的加热。在本次试验中主要用万用电炉对玻璃样品进行保温，降低内应力。此产品特点：外壳采用优质冷轧板表面静电喷塑，具有抗腐性能强，坚固耐用；采用电子调温装置，具备无极调温电源的双相功能及开关，加温范围广，可以适应用户的不同加热温度的需要；此电炉具有造型美观，操作简便，安全可靠，使用效果好。 图2-3 万用电炉3. JP-A型架盘天平的使用 JP-A架盘天平是用来称量配合料质量的仪器，如石灰石、硅砂、碳酸钠等，按照所给定的实验数据，称取物料。架盘天平遵循左物右码的原则，在放置砝码和物料之前，左右的天平托盘上各放置一张滤纸，并进行平衡调节。使用天平时，始终保证指针处于中间位置，在每次称取物料前都应进行此步骤，以保证称料的准确性。在称取玻璃的配合料时，将基础原料与辅助原料(着色剂、氧化剂等)应该用不同的干净滤纸称量。图 2-4 托盘天平4. 刚玉坩埚的使用 刚玉坩埚是盛放配合料的器皿，它可在炉膛内加热并使配合料熔融成为玻璃液。配合料倒入坩埚内时，要求配料填充坩埚容量的3/4位置，这样既可保证熔融玻璃液的定量，又可防止玻璃液外溢对坩埚的侵损。在进行一组实验时，为了避免上组实验残留的玻璃液对下一组实验的影响，应用配好的物料40g左右对坩埚进行清洗。 图 2-5 坩埚2.1.4 玻璃熔制过程1. 检查电源线路2. 将配好的料加入坩埚里面，为防止坩埚意外破裂造成电炉损坏，可以在炉内耐火砖上面撒一些纯硅砂，再将坩埚放入炉内。3. 关闭炉门，开始输入升温程序，以46/min升至900，再以3/min升至1300，本试验的熔制温度在13001450之内，保温12h,使玻璃液完成均化和澄清过程。在升温的过程中打开万用电炉，对玻璃成型模具进行加热。4. 保温结束后，关闭电源，带上防火手套，用钳子将坩埚拿出，并迅速的将玻璃液倒入模子里面，进行退火保温。图2-6 玻璃成型保温模子5. 退火保温1h左右，开始逐渐对玻璃样品进行降温，直至将至室温。图2-7 升温曲线2.2 玻璃光谱性能的测定2.2.1 玻璃的光学性质当光线通过玻璃时也像通过任何透明介质一样，发生光能的减少。光能之所以减少，部分是由于玻璃表面的反射，部分是由于光被玻璃本身所吸收，只剩下一部分光透过玻璃。玻璃对光的反射、吸收和透过可用反射率R、吸收率A和透过率T来衡量，这三个性质可用百分数表示，若以入射光的强度为100%，则R%+A%+T%=100%。1. 反射根据反射表面的不同特征，光的反射可分为“直反射”和“漫反射”两种。光从平整光滑的表面反射时为直反射；从粗糙的表面反射为漫反射。从玻璃表面反射出去的光强与入射光强之比称之为反射率R，它取决于表面的光滑程度、光的入射角、玻璃的折射率和入射光的频率等。如果光学仪器需要提高玻璃表面的反射光，可以在表面涂覆其折射率较玻璃折射率大一些的物质。2. 散射由于玻璃中存在着某些折射率的微小偏差而产生光的散射。散射现象是由于介质中密度不均匀的破坏而引起的。一般玻璃中的散射特别小，除乳白玻璃和光通讯纤维玻璃等特殊玻璃以外，实际上都可以不予考虑。光的散射服从瑞利散射定律，其公式为：I.=（d-d)2d2(1+cos)MV24r23. 吸收和透过当光线透过玻璃时，玻璃将吸收一部分光的能量，光强度I碎玻璃的厚度l而减弱，并存在下述关系：I=I0e-al。如果玻璃对可见光谱内各波长的光吸收是相等的，则光线通过玻璃后，光谱组成不发生变化，白光仍为白光，只是它的强度减弱而已。如果对可见光谱内各波长的光吸收不均匀，而是选择性的，则光线通过玻璃后必然要改变原来光谱的成分，而是玻璃产生颜色。在可见光谱范围内，不同波长的辐射会引起人不同颜色感觉，某些颜色和波长的关系如下表：表2-1 颜色与波长的关系颜色波长（mm）范围（mm）红700640750橙620600640黄580550600绿510480550蓝470450480紫4204004502.2.2 光谱性能的测定SP-1920分光光度计的一些工作参数如下： (1) 光学系统：双光束、垂直式检测光路。 (2) 波长显示范围：190-1100nm，波长准确度：0.3nm，波长重复性：0.2nm。 (3) 光谱带宽：1nm；杂散光：0.05%T；光度显示范围：0200.0%T，-0.0973A，09999C(09999F)；光度准确度：0.5%T；光度重复性：0.2%T(0100T)；漂移：0.001A/h(500nm处，预热1h)；噪声：0.004A基线平直度；数据输出接口：RS-232C接口；电源要求：220VAC，10%50/60HZ。 图2-8 分光光度计仪器主要由光源、单色器、样品室、检测器、信号处理器和显示与存储系统组成。该仪器的工作原理：由钨丝灯发射出的白色光，通过透镜成为平行光，进入棱镜色散后得到单色光，经狭缝选择某一波长的光，照射入盛被测溶液的比色杯上，(强度减弱后的)透射光经过检流计将光电流转化为电信号，最后记录吸光度结果。样品的吸光值与样品的浓度成正比。性能测定过程如下图所示： 基线校准 联机准备 开机自检 放入样片 开始测试 保存图样 图 2-9 光谱性能测试流程 2.3 玻璃色度指标的测定2.3.1 玻璃的色度光是属于一定波长范围内的一种电磁辐射，电磁辐射的波长范围很广，而只有380780nm波长的电磁辐射才能引起人的视觉，这段波长叫可见光普。在可见光谱范围内，不同波长的辐射会引起认得不同颜色感觉，某些颜色和波长的关系如下表： 一般来说，颜色可分为彩色和非彩色两类。彩色是指黑白系列以外的各种颜色。目前一般用明度、色相(色泽、色调)、彩度(艳度、饱和度)来描述颜色的特性。为了使颜色的标志更加严密和准确，国际照明委员会(CIE)提出了一整套对颜色的测量原理、数据和计算方法，它是用匹配某一颜色的比例来规定这一颜色的。而色彩分析仪就是根据“CIE”的标准制造的一种分析物体颜色的高精度测试仪器16。根据国际标准，首先，系统测试计算出给定物体的反射率及透射率，然后根据反射值和透射值，计算出光谱三基色刺激值。2.3.2 色度指标的测定 图 2-10 色彩分析仪该仪器的系统简介：此系统由JFY-PS色彩分析仪、微型计算机、打印机、CE-515P以及相关的各种物体反射、透射的测色软件等组成。其测试数据符合国际照明委员会(CIE)制订的一系列颜色测量标准。此系统具有设计新颖，长期稳定性好、微机配连兼容范围广，软件配置灵活等显著特点，可广泛用于建筑材料、涂料、石油化工、生物化学、资源勘测等工业生产和科研领域16。该仪器光学系统工作原理如下图所示：关键光学器件采用法国凹面光栅(1800线/毫米)，见图2-11：由光源发出的复色光经过入射狭缝S1投射到平面反射镜M1后再反射到凹面光栅G上，经光栅汇聚并分光后形成不同波长的单色光，经平面反射镜M2反射聚焦于出射狭缝S2。当旋转光栅G时，不同波长的单色光束逐一通过出射狭缝S2。因为入射狭缝S1和出射狭缝S2的位置是固定的，S1的成像始终聚集为S2上，所以只要旋转光栅G，即可实现波长扫描。图 2-11 色彩分析仪原理图光电转换图如下：图 2-12 色彩分析仪光电转换图色度指标数据分析：Lab颜色空间(也称为CIE Lab)是当前最通用的测量物体颜色的色空间之一，可广泛应用于所有领域。它是均匀色空间之一，是由CIE在1976年制定的。在这一色空间中，L是亮度，a和b是色度指标。图2-13 LAB色空间第3章 含铁玻璃的光谱性能研究3.1 铁离子着色的概况铁在玻璃中Fe3+和Fe2+离子形式存在，这两者之间一般存在着一种平衡关系，玻璃的颜色就主要取决于二者之间的平衡状态。着色强度则取决于铁的含量。Fe2+能使玻璃产生浅蓝色，而Fe3+的3d轨道呈半充满状态，故着色很弱，使玻璃产生浅黄绿色或黄色。前者在可见光谱区的吸收能力约为Fe3+的10倍。Fe3+和Fe2+均能强烈吸收紫外线，Fe3+的吸收带在225nm，Fe2+的吸收带在200nm。Fe3+的吸收系数要比Fe2+的几乎大一倍，它们的紫外吸收带常延伸至可见光区。Fe3+分别在380nm、420nm、435nm处有三个弱吸收带。Fe2+在1050nm处有一吸收带，故吸收红外线。图1-1所示为铁在钠钙硅玻璃中的光谱特性。在磷酸盐玻璃中，在还原条件下，铁有可能完全处于Fe2+状态，它是著名的吸热玻璃，其特点是吸热性好，可见光透过率高。为提高化学稳定性必须加入适当的稳定剂如Al2O3、MgO及ZnO。根据铁离子的紫外和红外吸收特征，常用来生产太阳眼镜和电焊片玻璃。3.2 熔制气氛对含铁玻璃光谱曲线的影响本实验主要就玻璃的熔制气氛的变化对玻璃光谱曲线的影响作探究。利用NaNO3和碳粉来调节熔制气氛。其中NaNO3具有强氧化性，用其含量的变化来控制和调节氧化气氛；碳粉具有强还原性，用其掺加量的变化来控制和调节还原气氛。3.2.1 NaNO3用量（铁不变）对光谱性能的影响图3-1 1号样品图3-2 1号样品的光谱曲线1号样品不含NaNO3，NaNO3含量为零，相当于在中性气氛下熔制。该样品熔制最高温度为1450，保温时间为150min，粘度较为适宜，对坩埚腐蚀性不大，一次性熔制成功。1号样品为浅蓝绿色，样品颜色均匀，有少量气泡，无结石，熔制较为完全。如图3-2所示为1号样品的光谱曲线，有一条吸收带，透过峰位置在525nm处，各处透过率71%。透过峰较宽，峰头较平，在绿色部分有较多透过，在紫色部分有较大的吸收。 图3-3 2号样品图3-4 2号样品的光谱曲线2号样品NaNO3含量为1%，该样品熔制最高温度为1450，保温时间为150min，粘度较为适宜，对坩埚的腐蚀性较小，一次性熔制成功。2号样品呈较为均匀的浅蓝绿色，样片颜色均匀，有少量气泡，无结石，熔制较为完全，形状规则。如图3-4所示为2号样品的光谱曲线，在可见光380nm到780nm之间只有一个透过峰，透过峰位置(在不考虑玻璃反射的情况下，透过峰位置即透过率值最高处)在525nm处，所对应的透过率为72%。透过峰较平，在紫色部分有较大的吸收，在绿色部分有较高的透过。在透过峰位置有轻微波动。图3-5 3号样片图 3-6 3号样片的光谱曲线3号样品NaNO3含量最多，其中NaNO3所占百分含量为2%。该样品熔制最高温度为1450，保温时间为150min，粘度较为适宜，对坩埚的腐蚀性较小，一次性熔制成功。3号样品呈较为均匀的浅蓝绿色(更浅一些)，样片颜色均匀，无气泡，无结石，熔制较为完全，形状规则。如图3-6所示为3号样品的光谱曲线，在可见光380nm到780nm之间只有一个透过带，透过峰位置(在不考虑玻璃反射的情况下，吸收峰位置即透过率值最高处)在525nm处，所对应的透过率为78%。吸收带较宽，在紫色部分有较大的吸收，在绿色部分有较高的透过。在透过峰位置有轻微波动。图3-7不同NaNO3含量时含铁玻璃的光谱曲线如图3-7所示为不同NaNO3含量的三个样片的光谱曲线图。由图知，随着NaNO3含量的增加，透过峰区域向上移动，透过率越来越大，透过峰形状基本上没有多大变化，有一个透过峰，最高透过率位置为525nm。另外由实验数据可知，在透过峰位置，有轻微波动。通过此光谱曲线可以看出NaNO3对含铁玻璃的透光率影响很大，而NaNO3具有强氧化性，所以可以得出氧化气氛有利于提高玻璃的透光率。燃烧气氛一方面可以通过测量燃烧废气中的氧含量来判断，另一方面可通过氧化还原程度的系数来判断，一般以FeO的量占Fe2O3总量的百分比表示，百分比越小，T值越大，相反百分比越大，T值越低。3.2.2 碳粉用量(铁不变)对光谱性能的影响图3-8 4号样品 图3-9 4号样品的光谱曲线4号样品C含量较少，其中C所占百分含量为0.1%。该样品熔制最高温度为1450，保温时间为150min，粘度较为适宜，对坩埚的腐蚀性较小，一次性熔制成功。4号样品呈较为均匀的浅蓝色，样片颜色均匀，有少量气泡，无结石，熔制较为完全。如图3-9所示为4号样品的光谱曲线，在可见光380nm到780nm之间只有一个吸收带，透过峰位置(在不考虑玻璃反射的情况下，透过峰位置即透过率值最高处)在515nm处，所对应的透过率为66.5%。透过带较宽，在紫色部分有较大的吸收，在绿色部分有较高的透过。在透过峰位置有轻微波动。图3-10 5号样品图3-11 5号样品的光谱曲线5号样品C含量最多，其中C所占百分含量为0.2%。该样品熔制最高温度为1450，保温时间为150min，粘度较为适宜，对坩埚的腐蚀性较小，一次性熔制成功。5号样品呈较为均匀的浅蓝绿色，样片颜色均匀，有少量气泡，无结石，熔制较为完全，形状规则。如图3-11所示为5号样品的光谱曲线，在可见光380nm到780nm之间只有一个吸收带，透过峰位置在520nm处，所对应的透过率为63.51%。吸收带较宽，在紫色部分有较大的吸收，在绿色部分有较高的透过。在透过峰位置有轻微波动。 图3-12 不同C含量时含铁玻璃的光谱曲线如图3-12所示为不同C含量的三个样片的光谱曲线图。由图知，随着C含量的增加，透过率区域向下移动，透过率越来越低，透过峰形状基本上没有多大变化，只有一个透过峰，最高透过率位置在525nm处。另外从图中可以看到，在透过峰位置，波峰较宽，并有轻微波动。通