玻璃的化学成分与制造工艺详解

玻璃的化学成分与制造工艺详解

玻璃是一种常见的无机非金属材料，广泛应用于建筑、容器、光学仪器等领域。本文将从化学成分、生产原料和制造过程等方面，详细介绍玻璃的科学原理和制造工艺。

来源：MotionElements

玻璃通常是以石英砂、纯碱、长石及石灰石为主要原料，在高温炉内熔融，发生复杂的物理变化、化学反应后，形成无机氧化物的熔融混合物，如氧化硅、氧化铝、氧化钾/氧化钠、氧化硼等。高溫熔化成氧化物的连续网络结构，冷却过程中黏度逐渐增大并硬化形成非晶态硅酸盐类的无机非金属材料。它们并没有特有的固定的组成，非晶态是其区别于陶瓷、水泥材料最显著的结构特征。

不同种类的玻璃，其化学成分各不相同，但含量最高的还是非晶二氧化硅，一般为50%～80%，在石英玻璃中更高达98%以上。SiO2在玻璃中构成骨架，赋予玻璃良好的化学稳定性、热稳定性、透明性、较高的软化温度、硬度和机械强度。但含量增大时，熔融温度升高，玻璃液黏度增大。SiO44-四面体结构为其基本构建单元。普通玻璃还含有氧化钾/氧化钠、氧化钙等其他氧化物。

玻璃生产的主要原料分为玻璃形成体、玻璃调整物和玻璃中间体，其余为辅助原料。主要原料指引入玻璃形成网络的氧化物、中间体氧化物和网络外氧化物；辅助原料包括澄清剂、助熔剂、乳浊剂、着色剂、脱色剂、氧化剂和还原剂等。

主要原料具体包括：(1) 富含SiO2的各种矿物（硅砂、岩砂等）；(2) 用以引入Al2O3的长石、黏土等矿物；(3) 用以引入Na2O / K2O组分的纯碱、芒硝、钾碱等；(4) 用以引入B2O3组分的硼酸、硼砂及硼矿物；(5) 用以引入CaO、MgO的其他矿物等。

玻璃的熔制是一个非常复杂的过程，它包含一系列的物理过程（配合料加熱、配合料脱水、熔化、晶相转变、挥发等）、化学过程（固相反应、化合物分解、硅酸盐的形成等）和物理化学过程（共熔体的生成、固溶、液体间溶解、玻璃液与炉气和气泡间的作用、玻璃液与耐火材料间的作用等）。根据原料在过程中的不同变化可以将玻璃的熔制过程分为硅酸盐形成、玻璃形成、玻璃液澄清、玻璃液均化和玻璃液冷却等五个阶段。

硅酸盐的生成一般在熔制过程的初期加热阶段 (800～900 ℃) 进行。配合料入窑后，在高温下迅速发生一系列的变化过程，包括脱水、盐类分解、气体逸出、多晶转变、复盐生成、硅酸盐生成等，最终得到有硅酸盐和剩余二氧化硅组成的不透明烧结物。形成硅酸盐的主要化学反应如下：

• Na2CO3+ SiO2→ Na2SiO3+ CO2(1500 ℃)
• Na2SiO3+ xSiO2→(Na2O)(SiO2)(x+1)(Na2SO4)

脱色处理是玻璃生产中重要的一环，脱色主要是指减弱铁化合物对玻璃着色的影响，以提高玻璃的透明度。在玻璃中，Fe2+使玻璃著成藍綠色，Fe3+使玻璃著成黃綠色。從可見光譜範圍內 (400～700 nm) 單位吸收指數看，Fe2+為0.079，Fe3+為0.007，FeO的著色能力要比Fe2O3高10倍左右。實際上，在玻璃中同時存在上述兩種氧化物，其著色強度與Fe2+/ Fe3+比值有關。根據脫色機制，鐵化合物的脫色可分為化學脫色和物理脫色兩類。

化学脱色剂——能在低温或高温下放出氧气，使低价铁氧化成高价铁的物质。常用的化学脱色剂有硝酸盐、软锰矿、氧化铈等。最常用的是硝酸钠，但其分解温度低 (380 ℃)，大部分在玻璃形成前已逸出，影响了脱色效果。较合理的方法是同时引入硝酸盐与As2O3。或Sb2O3，这样低温时硝酸盐放出的氧可将它们氧化成As2O5或US”>Sb2O5，高温时As2O5或Sb2O5将放出氧气使FeO氧化成Fe2O3。

物理脱色剂——化学脱色的作用是使有色离子的着色强度减弱，但不能使之消除。物理脱色则是基于引入适当的着色剂，来中和原来的色调。如铁离子使玻璃呈黄绿色，当引入能产生蓝紫色的氧化亚钴、氧化亚镍、氧化锰和氧化钕时，由于蓝紫色与黄绿色互为补色，因此能起到明显的脱色效果。物理脱色的缺点是光吸收增大，光的总透过率下降。因而，当玻璃中氧化铁含量较低时（通常在0.06％～0.07％以下），物理脱色的效果较好。