钠钙硅玻璃的制备

综合实验报告实验题目：钠钙硅玻璃的制备学院：材料科学与工程学院专业：无机非金属材料第一部分开题报告1.1本课题的目的意义硅酸盐玻璃是最为广泛应用的玻璃品种，如建筑玻璃、日用玻璃、玻璃纤维、部分光学玻璃、以及艺术玻璃等均属于硅酸盐玻璃。它们有一定的化学、热学稳定性和机械强度与硬度。其中钠钙硅酸盐玻璃的生产历史最为悠久，是当今产量最高、用途最广的一类玻璃。玻璃综合实验是一种玻璃设计性实验，是让学生自己设计玻璃的成分与性质，指定制备工艺制度，自己动手制备玻璃，确定要测试的性能和性能测试方法。主要目的有：1、打破目前实验项目简单罗列、条块分割、孤立进行的状况，调动和发挥学生的积极性，培养理论联系实际的能力。2、建立一种新型的实验教学形式和方法。3、使学生受到科学家和工程师的基本训练。4、加深对专业理论知识的理解掌握和记忆。5、培养学生独立思考、综合运用专业知识、独立分析解决问题的能力以及动手能力。1.2所制备（研究）材料的特点玻璃是呈现玻璃转变现象的非晶态固体，是一种在凝固时基本不结晶的无机熔融物，玻璃的通性是各向同性，介稳性，无固定熔点，性质变化的连续性和可逆行。玻璃性质与组成及结构密切相关。玻璃的不同性质之间有其共同特性，因此，可以把玻璃的各种性质分为两类。第一类性质，在玻璃组成和性质间存在简单的加和关系，而与玻璃中离子迁移有关，如电导、电阻、黏度、介电损耗、离子扩散速度、化学稳定性等。第二类性质，和玻璃组成间的关系比较简单，一般可以利用加合法进行推算，如玻璃折射率、分子体积、色散、弹性模量、硬度、热膨胀系数、介电常数等。1.3课题的国内外研究现状：我国玻璃工业随着改革开放政策的实施和行业结构的优化调整,近年来发生了很大变化。目前,已成为世界上生产规模最大的平板玻璃生产国,浮法技术主导了平板玻璃的发展。2004年平板玻璃总产量已达1500万吨以上,其中“浮法”产量已占总量的84%。加工玻璃发展也较快,我国现有加工玻璃企业约4000家,年加工生产能力2.4亿m2,深加工率已达25%,基本满足了建筑业和汽车业的需要。平板玻璃及加工玻璃工业已成为我国国民经济发展和提高人民生活水平不可或缺的重要材料工业。玻璃行业的发展与国民经济的许多行业都存在着联系，玻璃行业对推动整个国民经济的发展都起着积极作用。因此“十一五”规划中也对玻璃产业的发展提出了具体要求。也颁布了各项法律法规来规范玻璃行业的健康发展。在新的形势下，玻璃工业必须按照科学发展观的要求，转变增长方式，有效调整产业结构，才能促进行业健康发展。国内比较成熟的浮法玻璃生产企业以福建的福耀玻璃集团和安徽的蓝实玻璃集团为代表.

我国玻璃工业在发展运行过程中,有以下突出的特点:(一)平板玻璃产量快速增长,经济效益明显提高。(二)玻璃的供求格局和消费结构不断变化,加工玻璃发展迅速。(三)生产技术水平明显提高,新技术、新产品不断发展。(四)行业经济构成和“集中度”正在发生变化。(五)为提高企业竞争力,逐步向“规模化、优质化、差异化、延长产业链和实现清洁生产”的方向发展,同时带动了产业升级。(六)国内竞争逐步走向“国际化”。(七)平板玻璃新增能力较多,玻璃供需矛盾面临严峻挑战。1.4实验内容：1.配料计算：根据玻璃组成成分范围，设计自己喜欢的配合料成分，进行配料计算。2.确定升温制度：在实验室加热炉允许的范围内由自己确定升温速度和保温时间，并画出升温曲线。3.制备合格的配合料。为了保证配合料的准确性，首先必须将原料经过干燥或预选测定水分含量。根据自己设计的配合料单称取各种原料（精确到0.01克），将配合料中难熔原料如石英砂等先置于研钵中研磨，将其它原料加入混合均匀。4.熔制玻璃。混合料置于坩埚中，按自己设计的温度曲线熔制玻璃。5.把熔制好的玻璃按学生自己设计的模具制成自己喜欢的式样。6.玻璃性能的测试。根据所学的玻璃的性能，选择自己喜欢的一种性能进行测试。7.写综合实验报告。1.5实验方案及工作计划：1.查阅课题有关的文献资料（5篇以上）2.在参考文献资料的基础上结合所学的知识，写出开题报告。开题报告的内容包括：课题名称，课题的目的意义，所制备（研究）材料的特点，课题的国内外研究现状，实验内容，实验方案，工作计划与日程安排等。3.玻璃成分的设计。在明确玻璃中个氧化物的作用和玻璃组成设计原则和步骤的基础上，根据玻璃的性能，设计玻璃成分。4.原料的选择与制备。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。由学生根据自己的情况任意选择。5.坩埚的选择和使用。实验室常用的坩埚一般有耐火黏土质，刚玉质，莫来石质，熔石英，锆刚玉质和白金等。根据配合料熔制温度的要求，进一步考虑使用何种工艺，何种材质的坩埚。6.玻璃制备（研制）工艺技术路线的选择。7.配合料的计算。以制备100克玻璃为计算基准，根据所选坩埚的大小计算出料方。8.工艺制度的确定。影响熔制的温度的因素很多，可以综合以下三种方法来确定①用T值估算②用黏度（10Pa.s）计算③参考实际玻璃的熔制温度。9.拟定各项实验的顺序，熟悉各项实验的原理，步骤等。第二部分实验2.1原料选择硅酸盐玻璃主要是以SiO2为主的各种氧化物所组成，根据各种氧化物在玻璃结构中所起的作用不同可将它们分为玻璃形成体、玻璃中间体、玻璃调整体，这三类氧化物以不同的品种、比例，组成各具特色的种种玻璃。在实际生产中提供这三类氧化物的原料主要有硅砂、精砂、白云石、石灰石、芒硝、纯碱，以及碎玻璃等。各种原料的化学组成如下：原料硅砂精砂白云石石灰石芒硝纯碱SiO292.2198.973.033.37Al2O34.000.340.500.41CaO0.500.1931.0053.12MgO0.120.0920.890.800.05Fe2O30.210.130.110.12Na2O41.6256.91芒硝含率：3%纯碱挥散率：3.1%碎玻璃的百分含量：25%在明确玻璃中各氧化物的作用和玻璃组成设计原则和步骤的基础上，根据玻璃的性能，设计玻璃配合料成分的百分含量如下：组成SiO2Al2O3CaOMgOFe2O3Na2O合计百分含量731.58.44<0.13141002.2配料计算纯碱和芒硝用量设芒硝用量为Mg,根据芒硝含率得M*0.4162/14=3%M=（0.03*14）/0.4162=1.01Kg设纯碱的量为P=(14-0.4162*1.01)/5.691=23.86Kg②硅砂和精砂设硅砂用量为Xg,精砂为Yg.则0．9221X+0.9897Y=730.04X+0.0034Y=1.5由以上两个方程得X=33.92Y=42.16两者所引入的诸氧化物量为原料SiO2Al2O3Fe203Ca0Mg0硅砂28.6961.2450.0650.1560.037精砂42.2210.1450.1320.0810.038③设白云石和石灰石用量为Xg,Yg0.31X+0.5312Y=8.4-0.005*33.92-0.0019*42.16=8.150.2089X+0.008Y=4-0.0012*33.92-0.0009*42.16=3.92由以上两个方程得X=18.59Y=4.49两者所引入的诸氧化物为原料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO白云石0.5630.0930.0205.7633.883石灰石0.1510.0180.0052.3850.0359④校正硅砂，精砂0.9221X+0.9897Y=72-0.0303*18.59-0.0337*4.49=70.920.04X+0.0034Y=1.5-0.005*18.59-0.0041*4.49=1.39由以上两个方程得X=31.12Y=42.66两者所引入的诸氧化物为原料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO硅砂28.6961.2450.0650.1560.037精砂42.2210.1450.1320.0810.038把上述计算结汇总成原料用量表 原料硅砂精砂白云石石灰石芒硝纯碱合计数量g31.1242.6618.594.491.0123.86122.43碎玻璃掺入量XgX/(X+122.43)=25%得碎玻璃加入量为40g则配置240g玻璃液所需要称量的原料(g)碎玻璃40g白云石18.59*2=37.18g石灰石4.49*2=8.98g硅砂31.12*2=62.24g精砂43.66*2=85.32g芒硝1.01*2=2.02g纯碱23.86*2=47.72g碎玻璃40g2.3升温制度设定升温制度：段数0001020304050607080910温度T(℃)253003006006009009001200120015201520时间t（分）405405405405751400U值5050505050505050505050功率2530404550556070858585绘制温度曲线2.4配合料制备1、配合料称量本实验配合料均来自玻璃厂已加工完成混合之前的原料，其粒度等已达到实际生产需要，但作为实验室用原料可能会造成一定的误差，因此仍需将部分原料过筛。根据上述配料计算的配料单称取各种原料（精确到0.01），将其置于混料机中混合均匀。2、配合料熔制混合料置于坩埚中，按自己设计的温度曲线熔制玻璃。3、玻璃液成型把熔制好的玻璃液按自己设计的模具制成自己喜欢的样式。4、注意事项a高温操作时要戴防护用具。b操作时必须严肃认真，注意安全。c钳坩埚时要防止发生意外，注意坩埚钳与硅钼棒的距离。d坩埚放置要平稳，防止玻璃液溢出。2.5成分检测1）检测方法：1．标准溶液；0.1MEDTA标准溶液：滴定度：TCao=0.4703TMgo=0.338TAl2O3=0.42750.02M醋酸锌标准溶液K=0.82．普通浓度溶液；三乙醇胺0.1%酒石酸0.1%对硝基分1：1HCl1：1NH4OH10%NaOH1MHClPH=10铵缓冲液20%NaOH8%钼酸铵2%硼酸氢氟酸HT1：1H2SO412%KF20%六次甲基四胺10%盐酸3．指示剂钙指示剂抗坏血酸镁指示剂0.1%邻菲罗啉二甲酸橙4．标准曲线SiO2标准曲线Fe2O3标准曲线仪器：1600℃的高温炉分析天平722分光光度计烘干箱电炉水浴试样制备：将混合配合料放入瓷坩埚里在1560℃下熔解成玻璃液状态，拿出冷却玻璃熔块加热，用冷水取成碎块研成粉末，在105℃烘干待用。一、二氧化硅的测定：二氧化硅的测定：准确称取0.5g（预先经烘干冷却）试样与铂坩埚中，加少许无水碳酸钠混匀，再加入0.2g左右的碳酸钠盖上面，在1100℃高温炉中熔15分钟，取出冷却。扣入铂蒸发皿中，用浓盐酸和热水溶解熔快，将蒸发皿放在水浴中蒸发至干，冷却。加入盐酸润湿试样用5%盐酸溶液（热）热水过滤，将滤液和沉淀一起放入铂坩埚中，加入两滴硫酸溶液，低温灰化，在放高温炉中灼烧一小时，冷却称量，再加水润湿。加5—7mlHF在电炉上蒸发至干，再在1560℃高温炉中灼烧1小时，冷却称量。样重+皿重：1.2194皿重：0.7140样重：0.5009第一次灼烧后称量：24.9887第二次灼烧后称量：24.6324沉淀中二氧化硅含量为（24.9887-24.6324）÷0.5009×100%=71.13%将以上滤液稀释至250ml刻线摇匀，吸25ml于塑料杯中加入5M12%KF溶液放置15分钟。再加入5ml2%硼酸加2滴对硝基粉，放置15分钟后加15ml1:1HCl，加入抗坏血酸转移到100ml容量瓶中，用水稀释至刻度线，摇匀，1小时后用722分光光度计比色。比色值：SiO2-------0.602÷2查SiO2标准曲线值：0.355滤液中SiO2含量：0.355÷0.5009=0.71%试样中SiO2含量=71.13%+0.71%=71.84%二、铁铝钙镁的测定称0.5g左右试样于铂蒸发皿中加水润湿，加2ml1：1H2SO45~7mlHF于电炉上蒸发至干，冷却加入8mlHCl及适量水加热溶解，冷却后转于250ml容量瓶中，用水稀释至刻度线摇匀，待用。试样+皿重：1.2125g皿重：0.7142g试样重：0.4983g三氧化二铝的测定：吸2.5ml以上试液于250ml烧杯中，过量10mlEOTA(浓度为0.1M)标准溶液加100ml水加热60℃左右，加2滴二甲酚橙，用1：1NH4OH调成紫色，再用1：1HCl调成黄色。在电炉上加热煮沸3分钟冷却。加5ml20%六次甲基四胺。用醋酸锌标准溶液滴定。滴至溶液由黄色变为酒红色即为终点。消耗醋酸锌体积为：15.98=3%=1.35-0.13=1.22式中K=0.8V=10V0=10.52三氧化二铁测定吸25ml试液于100ml容量瓶中加5ml酒石酸，1滴对硝基粉，用NaOH调成黄色，用1：1HCl调成无色，加2ml盐酸羟胺、10ml邻菲罗啉。用水稀释至刻度线摇匀，20分钟后比色。比色值：Fe2O3-------0.116查Fe2O3标准曲线值：0.086Fe2O3%=（查Fe2O3标准曲线值/样重）×100%=0.17%注：样重为：0.5027g氧化钙测定：吸25ml试液于250ml烧杯中加3ml三乙醇胺，100ml水用20%NaOH调至pH=12,再过量2ml20%NaOH，加钙指示剂，用EDTA标准溶液滴至溶液由紫色变为亮兰色。消耗EDTA的体积：==8.95%氧化镁的测定：吸25ml试液于250ml烧杯中加3ml三乙醇胺，100ml水用1：1NH4OH调至pH=10，再加5mlpH=10的铵缓冲液，加镁指示剂，用EDTA标准溶液滴至溶液由紫红色变为兰绿色。==3.98%成分FeOSiO2样品同皿重1.21251.2149皿重0.71420.7140样品重0.49830.500924.988724.632471.13Fe2O3---0.078----0.076SiO2----0.321----0.175CaO---6.57MgO---10.99Al2O3—11.52（1.42-0.10=1.32）SiO2=0.35+71.45=71.80测定结果化学成份SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OB2O5Z.L71.801.320.158.334.022.6玻璃配合料均匀度的测定2.61实验仪器设备DDS-11A型电导率仪；天平；100mL量筒；蒸馏水；100mL烧杯若干个。2.62测定方法与步骤准确称量2g试样，分散在100mL蒸馏水中，经搅拌(不加热)而充分溶解，随即测定。测定方法：采用DDS-11A型电导率仪来测定这种导电能力，该仪器以两片电极浸入溶液，测定两极间的电阻R，而以电导率K表示(操作步骤参看电导仪的使用说明书)。2.63测试数据单位（*/㎝）0.2380.3020.2620.2220.2220.2490.2200.2390.2240.2352.64均匀度计算一般采用的有限次测定试样的标准离差，如下式所示：==0.241=0.025=(0.025/0.241)*100%=10.5%则均匀度：=100%-10.5%=89.5%2.7玻璃密度的测定2.71仪器设备测定设备主要包括恒温水浴、水银接触温度计，水银温度计，调压器，试管。实验装置如图3-1所示。图3-1浮沉法测定密度的装置1-玻璃水箱；2-钢加热旋管；3-试管夹；4-水银接触温度汁；5-水银温度计；6-搅拌器；7-测温管；8-测定管；9-台灯；10-刻度线；11-混合液面；12-水浴液面2.72实验过程1．试样制备取直径约3mm、长约10mm的玻璃棒，应没有气泡、条纹、结石和析晶等缺陷，并在应力仪上观察退火情况，要求没有应力存在。然后放在酒精或蒸馏水中洗净，用清洁的毛巾擦干，以备试验用。在操作过程中，用镊子夹取试样，勿用手取，以免沾污试样影响测定结果。2．标准试样的选择标准试样一般选择准确成分的均匀玻璃，标准试样与被测试样的密度最好差0.001～0.002g/mL(0.6～1.2℃)左右。通常为了区别于普通试样，我们总把标准试样截短一些。标准试样的密度可用排水法测定。3．重液的选择和准备选择：应选择密度不同的两种液体来配制混合液，其中一种液体的密度应小于玻璃的密度，而另一种液体的密度则应大于玻璃的密度，并且两种液体可以相互溶解。同时在选择制备混合液的液体时，应选择挥发性尽可能小，对人体无毒害的液体，一般Na2O-CaO-SiO2玻璃的的密度多在2.5～2.6g/mL左右，在浮降法中选用α-溴代荼(C10H7Br，D20/41.482-1.512)和四溴乙炔(CHBr2-CHBr2，D20/42.962-2.968)混合成重液。由于它对光、水蒸气、空气都很稳定，和玻璃不起作用所以比较适用。准备：先把四溴乙炔放在三角瓶内(或直接加到试管中)投入一小块试样飘浮其上，然后由滴管慢慢加入α-溴代荼，如果认为下沉温度低了，就再加四溴乙炔，直到完全适合为止，一般在略高于室温的温度下，使试样飘浮在重液的上面，升温至30～35℃左右时，试样下沉，这样便于读数。4．实验步骤(1)欲测的一组玻璃试样(一般为三个和相应的标准试样）放入已准备好的重液中，紧试管塞。(2)电加热恒温槽，电流为1.2A，通过搅拌器，使槽内温度均匀。在玻璃被测试样(或标准试样)下沉温度约2℃时，使恒温槽保温20～30min，这时以大约1A电流加热，这样的升温速度大约是0.1℃/min。(3)升温过程中，不时晃动试管，以免液面的表面张力影响试样自由下沉。(4)试样开始缓缓下沉后，注意观察，将每个样品上任一点到达试管上刻线时的温度逐一记录下来。取平均值(Tx)，同样也仔细记录标准试样下沉时的温度，取平均值(TS)，由水银接触温度计和普通水银温度计配合读数，准确至1/100℃。五、实验记录及结果将实验数据记录于表3-1中，并按式(3-2)计算试样的密度。表3