实验二 玻璃熔制讲义

玻璃熔制实验一、实验目的在玻璃科学研究和生产中，研制一种新型玻璃或新产品，改善玻璃的性质，改革玻璃的熔制工艺，探讨各种因素对玻璃性能的影响等都需要进行熔制实验。

玻璃熔制实验是进行生产质量控制、新产品开发和材料研究的重要方法。

本实验的目的：1．掌握玻璃组成的设计方法和配方的计算方法。

2．了解玻璃熔制的原理和过程以及影响玻璃熔制的各种因素。

3．针对生产工艺上出现的问题提出解决的方法。

4．熟悉高温炉和退火炉的使用方法和玻璃熔制的操作技能。

5．掌握玻璃熔制制度的确定方法。

二、实验原理根据玻璃制品的性能要求，设计玻璃的化学组成，并以此为主要依据，进行配料，制备好的配合料在高温下加热，将发生一系列的物理的、化学的、物理化学的变化，变化的结果使各种原料的机械混合物变成了复杂的熔融物，即没有气泡、结石、均匀的玻璃液，然后均匀地降温以供成型需要。

这个过程大致分为五个阶段：硅酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化和冷却。

三、仪器设备硅钼棒电炉（使用上限温度为1 600℃）一台、控温仪一台、马弗炉一台、天平（感量0．001 g）、坩埚、不锈钢挑料棒、500 mm以上坩埚钳、加料勺、护目镜、石棉手套、成型模具等。

四、实验步骤1．配料熔制玻璃采用多种原料进行配料，配料与玻璃成分、原料有关。

配料是根据设计的玻璃成分和选择的原料的化学组成来计算的，为得到指定性能的玻璃，在实验室熔制玻璃要反复多次熔制，多次修改玻璃成分，以达到合乎要求的玻璃性能和其他条件，因此要反复改变料方，改变原料和它们的质量配合比。

配料时应注意原料中所含的水分变动，要确切地掌握原料的化学成分，然后可按所要求的玻璃成分，根据各种原料的化学成分来计算料方。

计算时有些原料（如碳粉）并不引入玻璃成分中，则应根据需要另行计算。

配料时必须准确称量各种原料，注意适当的气体比，配合料应含有适当的水分，必须重视均匀混合，并防止飞尘和结块，粉料的化学成分和玻璃制品的化学成分是不完全相同的，在计算料方时可加以调整。

2．熔制料配好后，即将粉料加到经在炉内预热到指定温度的坩埚里，然后放入炉内（为防止坩埚意外破裂造成电炉损坏，可将坩埚放入浅的耐火匣钵中，坩埚底部垫Al2O3粉）进行熔化。

粉料入炉前的准备工作：首先把熔炉升温，在升温同时，必须将料配好，且把坩埚准备好，升温的控制是根据化什么料而定，因为不同的玻璃加料温度不同。

因此，必须事先拟订一个熔制的温度制度，即从加料开始，经过澄清，直至出料为止的温度和时间的曲线。

温度制度主要根据玻璃成分来制定。

但常常加入一些澄清剂或其他原料后，就能改变温度曲线。

在实际上这是一个复杂的问题，不通过实践是不能解决的，不能单靠理论推算，因为影响熔制的因素很多。

即使确定了合理的温度制度，还不一定能熔制好玻璃，除了严格控制温度条件外，还涉及到耐火材料坩埚的质量，侵蚀性不同的玻璃，对坩埚也有相应的要求。

特别熔制光学玻璃，则坩埚的质量是关键。

在实验室里常采用白金坩埚，白金坩埚也有老化问题，白金坩埚被侵蚀后会影响玻璃的质量。

此外，原料本身的纯度、颗粒度、水分以及配合料的均匀性、含水量、料形等以及炉内的气氛、压力都与熔化有关。

总之，粉料入炉前的准备有以下几项：1．起始电压则为工作电压的 l／4到 l／3，大约采用 15min的起始电压，然后很快转换到下一挡，在 30 min内可转到全工作电压。

以后，一般以 300－400℃／h的速度升温。

对于硼酸酐等含有高温下产气物质的配合料，则升温速度要降低，以防物料溢出。

（2）准备好坩埚，耐火材料坩埚必须预热，尤其是新坩埚，要防止开裂。

（3）配好合格的粉料。

（4）拟订好温度制度。

准备工作做好后，坩埚在炉内达到加料温度时，即可开始加料。

当然有些料也可在加料温度前投入坩埚。

加料一般都要分几次，因为熔化时有大量气体逸出，翻腾很剧烈，所以第一次加料不能加满，在第二次加料时，坩埚的料粉基本上已经熔化，这样就可以稍满些。

加料的次数、数量和相隔时间，就要看玻璃熔化的实际情况，加料可在炉外加，这就需要加得快，尽可能减少飞尘。

加料时间太长，会使炉内温度波动大大。

料加完后，主要是玻璃熔化阶段，实际上这个时间较短。

在高温下配合料很快转化为玻璃液，在实验室熔制玻璃时，加料温度相当于玻璃熔化温度，加料的过程处于玻璃熔化的过程中。

粉料熔化后，玻璃还需澄清，即去除玻璃液内可见的气泡，这样较复杂，常采取提高温度，并保持相当长的时间（一般2－3h）。

此时使玻璃液不但去除一些小气泡，同时也使玻璃液更均匀。

也有在提高温度后，再适当降低些温度，更有利于消除气泡，还需采用机械搅拌。

搅拌的快慢、位置和方向等都直接影响到玻璃熔制的质量和速度，搅拌浆的材料和结构也很重要。

所以熔制光学玻璃尚需拟订搅拌制度，即转速和时间的曲线，一般控制在30一60 r／min。

在坩埚里熔制玻璃，加料、熔化、澄清、均化虽可分成先后阶段，而实际上是交错进行的。

加料时玻璃已在熔化，澄清主要去除小气泡，但大量气泡逸出是在熔化时，澄清时亦难免还有些原料尚未完全熔化，因此又是玻璃熔化的继续。

根据玻璃成分不同，决定澄清的温度和时间。

常常加些澄清剂，主要目的为了去除气泡，并缩短澄清时间。

玻璃液去除气泡对玻璃液均化亦有利。

但有时亦不一致，如升高温度降低玻璃液粘度有利于气泡逸出，但由于增加了对耐火材料的侵蚀而产生不均匀，甚至相反发生更多的气泡，这就取决于耐火材料的质量。

玻璃液保持一定时间澄清后，挑出的料如果无砂粒、条纹和大气泡，并且透亮均匀，即可开始冷却，在冷却过程中，亦对气泡的均匀性有关，因此需要适当的冷却速度。

冷却的终点即达出料温度。

3．出料冷却到一定温度即可出料。

在实验室中，玻璃的成型一般采取模型浇注法或“破埚法”。

前者把坩埚从炉内取出，倒在预热的模子里成型（块或棒），然后送入退火炉，根据规定的温度（一般500－600℃）进行退火，当冷却到接近室温时，即可从退火炉取出玻璃制品。

应注意的是成型时玻璃液倒入模子时，不使气泡和条纹再产生，并防止开裂。

特别应注意退火温度制度的控制。

后者是在完成熔制后，连同坩埚一起冷却并退火，冷却后再除去坩埚，得到所需要的试样。

五、实验记录和实验结果在熔制实验过程中，要详细记录观察到的现象。

熔制实验完成后，可按下表填写实验结果。

六、注意事项1．高温操作时要戴防护用具。

2．操作时必须严肃认真。

3．钳坩埚时要防止发生意外事故。

七、思考题1．在设计玻璃组成时应注意哪些原则？2．在配方计算时应注意哪些事项？3．配合料的混合均匀度与哪些因素有关？4．影响熔制过程的因素有哪些？5．如何选用坩埚？6．如何判断玻璃的熔制质量？固相反应法制备硅酸盐长余辉发光粉一、实验目的1．掌握固相合成法的基本原理和方法2．了解硅酸盐长余辉发光粉的发光机理3．掌握高温炉和荧光灯的使用方法二、仪器和药品1．仪器：玛瑙研钵，高温炉，荧光分析仪，X一射线衍射仪，坩埚，电子天平。

2．药品：SiO2，SrCO3，（MgCO3）4·Mg（OH）2，Eu203和Dy2 03，H3BO3，无水乙醇等，它们的纯度均为分析纯；粒状活性碳。

三、实验原理固体合成是材料研究和生产中最重要的方法之一，其特点是流程短，速度快，无污染等优点，缺点是能耗较大。

由于固体混合的接触面积小，固体颗粒大小一般在几个微米，因而必须用提高温度来加快反应速度；高温使反应物的接触界面部分熔融而反应，然后向体相中扩散，最后成为单一物相而反应完全。

固体反应是指原料在其熔化前至少是主要原料未熔化前进行的反应。

若熔化后进行的反应则与普通液体反应没有差别。

固体反应是非常复杂的，尤其在原料组成复杂时，往往很难进行得彻底，甚至得不到所要的产物，这与局部浓度和传质有关系。

一般来说影响固体合成的因素主要有样品混合的均匀程度和温度。

样品不均匀容易使得到的产物含有杂相，有时甚至得不到所需要的产物。

样品的均匀性可以通过长时间研磨、合成前驱体（溶胶一凝胶法、共沉淀法、配合物法等）等方法来改善，长时间研磨只能有限地改善样品的均匀性，一般可以使粉末颗粒达到数微米，更进一步磨细事实上不太可能；合成前驱体法比研磨法有效得多，如共沉淀法可以达到反应物分子水平的均一混合。

原料颗粒越小，混合越均匀，反应所需要的温度就越低，故前驱作法往往可以使固体反应温度下降200～500度，但缺点是周期长，合成前驱体之前有溶剂污染。

反应温度往往是材料合成中最重要的，过高和过低的温度都是应该避免的，过高的温度会导致产物熔化损坏坩埚，甚至使目的产物分解，而过低的温度则导致反应不完全，出现杂相，反应时间过长的缺点。

最佳温度一般需要通过实验来确定，但一般估计是反应物中最低熔点的三分之二左右便能使反应有效进行，若辅以助熔剂，则反应温度还可以进一步降低。

助熔剂在固体合成中经常用到，正象水溶液中合成水所起的作用一样，助熔剂往往起到媒介和降低温度作用，故助熔剂的熔点往往比各种反应物的熔点低。

助熔剂的选择原则除了熔点低外，还需要考虑反应过程中对产物纯度和性能方面的影响或反应过程中容易除去。

助熔剂的用量往往很少。

反应物原料的选择对固体合成也很重要，如无定形体反应物比晶形反应物的反应活性高得多，而新分解得到的中间反应物也比晶形反应物的活性高，高活性的原料也会使反应所需的温度降低，故原料的选择上将优先考虑无定形体和易分解成活性反应物的一类。

如常用碳酸盐、硝酸盐、草酸盐或其它有机酸盐作原料以使反应更易进行。

具体使用何种盐类有时还需要考虑这些盐分解所产生的气氛，硝酸盐分解得到氧化性气氛（NO2，O2），草酸盐和其它有机酸盐分解得到还原性气氛（CO），而碳酸盐分解产生的气氛既无氧化性又无还原性（CO2）污染也最小，因而碳酸盐是常用原料之一。

要得到碱性氧化物可以用硝酸盐、碳酸盐、草酸盐等一类阴离子易分解成气体的原料，而要得到酸性氧化物可以用铵盐或酸性氧化物的水合物这一类阳离子部分易分解成气体的原料。

固体合成通常在高温炉（马福炉）中进行。

高温炉通常根据设计温度来使用加热炉丝和耐火保温材料。

常见的高温炉有普通电阻丝作加热元件的高温炉，碳硅棒作加热元件的高温炉和硅钼棒作加热元件的高温炉。

普通电阻丝高温炉只能提供常温到1000℃的温度，碳硅棒作加热元件的高温炉则可提供从常温到1300℃的温度，而硅钢棒作加热元件的高温炉则可以提供从800℃到1700℃的温度（一般不在1000℃以下使用）。

可根据需要选用不同的高温炉。

长余辉发光材料又称为“夜光粉”，是指在光源激发下能吸收光能并将能量储存起来，在激光停止后又以光的形式将能量慢慢的释放出来的一类光致储能功能材料。

它可制成发光涂料、发光油墨、发光水泥、发光塑料、发光纤维、发光纸、发光陶瓷、工艺美术品、夜光钟表和夜光仪表等，广泛应用于建筑装饰、交通运输、弱光照明、应急指示、军事、工艺美术、防伪标志等领域，近年来又逐渐拓展到信息存储、高能射线探测等应用领域。