王明忠 刘红刚 蒋江 袁伟 梁其尤 魏猛
摘 要：铝硅酸盐玻璃具有良好的耐磨、耐划伤、抗冲击、光通透性，目前广泛应用于高层建筑、汽车、高铁和电子信息等领域，然而因铝硅酸盐玻璃中铝含量高，其所需的熔化温度高、玻璃粘度和表面张力大、以致存在玻璃澄清困难、气泡难以排除的问题。本文研究了一种铝硅酸盐玻璃的高效复合澄清剂并通过设计试验对该澄清剂的使用效果及作用机理进行了对比分析总结，希望能为提高玻璃澄清效率、改善高铝硅酸盐玻璃品质提供指导性作用。
关键词：铝硅酸盐玻璃 澄清困难 高效复合澄清剂
中图分类号：TQ17 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（a）-0096-03
Abstract：Aluminum silicate glass has good abrasion resistance， scratch resistance， impact resistance， light permeability， and be widely used in high-rise buildings， cars， high-speed and electronic information fields. However，because of Al2O3 content is higher in aluminum silicate glass， it needs high melting temperature， large glass viscosity and surface tension， so that the glass clarify difficulties， bubble is difficult to rule out the problem. The efficient composite clarifier of aluminum silicate glass was studied in this paper， using effect and mechanism were analyzed and summarized through the design experiment， hoping to providing guidance for improving the efficiency of refining glass and the quality of high aluminum silicate glass.
Key Words：Aluminum silicate glass；Refining difficulty；High efficiency composite clarifier
铝硅酸盐玻璃一般是指以SiO2和Al2O3为主要含量，SiO2≥50%，Al2O3≥12%，利用Al2O3获得良好的物理和化学性能的玻璃。依据玻璃网络结构学说：随着玻璃组成中Al2O3含量的增加，玻璃的析晶倾向及热膨胀系数会得到有效的降低，玻璃的机械强度、化学稳定性、热稳定性等都会得到提高。
在铝硅酸盐玻璃熔制过程中，其熔化溫度、玻璃液粘度、表面张力都会因Al2O3含量的增加增大，从而对玻璃的熔化、澄清、均化等工艺技术带来困难，玻璃澄清困难、澄清质量不佳、气泡缺陷增多等问题更为突出，进而给玻璃性能和品质带来严重不利影响。
目前最常见消除玻璃中可见气泡的措施就是升高熔化温度和澄清温度，但这样不仅能耗高，还会降低窑炉耐材的寿命。因此，在玻璃生产过程中，有必要加入澄清剂，以消除玻璃中的可见气泡，然而针对高铝玻璃的特性，单一的澄清剂并不能满足其良好的澄清要求，所以往往需要综合各类澄清剂的优点，以研制出一种高效的复合澄清剂来达到高铝硅酸盐玻璃的澄清要求。
1 试验过程
1.1 试验材料及设备
本试验所需的原料包括：石英砂、Na2CO3、CaCO3、KNO3、K2CO3、NaNO3、MgO、Al2O3、锆英砂和TiO2；复合澄清剂：NH4NO3、Na2SO4、CeO2和SnO2，在使用时，可以将硝酸盐、硫酸钠（Na2SO4）、氧化铈（CeO2）和氧化锡（SnO2）按配比混合后再使用，也可以在制备玻璃时，按配比称取硝酸盐、硫酸钠（Na2SO4）、氧化铈（CeO2）和氧化锡（SnO2）直接与原料混合物混合，使用方便。
试验设备：（1）气泡用外观缺陷检测仪（效力王）及显微镜（尼康A1共聚焦激光显微镜）进行观察统计；（2）软化温度及转变温度是利用耐驰热膨胀仪（耐驰DIL402PC）进行测试，将样品做成50mm左右的条状试样，从室温以速率5℃/min升温至测试完毕；（3）表面应力和离子交换深度利用表面应力测试仪（FSM-6000LE）进行测试；（4）1700℃硅钼棒高温电炉。
1.2 试验方法
第一步：将所需的原料混合均匀，然后再与玻璃澄清剂进行充分混合得到配合料，将所制配合料于1400℃～1520℃下熔融1h，然后升温至1550℃～1620℃进行澄清，澄清时间1h，得到玻璃液。原料混合物和玻璃澄清剂的质量比控制为（90.5～98.78）∶（1.22～9.5），复合澄清剂：硝酸盐、硫酸钠、氧化铈和氧化锡，它们质量比控制范围为：（0.2～3.0）∶（1.0～3.0）∶（0.01～2.0）∶（0.01～1.5）。
第二步：采用了浮法方式成型，制备得到玻璃后，然后将玻璃于300℃下保温30min进行预处理。预处理完后进行钢化，钢化玻璃的具体步骤为：将玻璃放入温度为380℃～450℃的硝酸钾熔融液中处理0.5～8h，得到钢化玻璃。最后以5℃/min降温速率降温至100℃，并于100℃下保温30min。经过钢化处理，钢化玻璃的离子交换深度可以达到24?m以上，表面应力达到600MPa以上。
2 试验结果及分析endprint
试验中设计了A1～A10共10组种不同成分铝硅酸盐玻璃，将其原料混合物和玻璃澄清剂按要求进行混合，同时也设计了对比组A0，该组的玻璃澄清剂只由CeO2和SnO2组成，且CeO2和SnO2的质量比为3∶4，其余组成与A1一致。将设计的11组不同配方按上述的试验方法进行混合、熔化、澄清、成型及钢化，得到的试验数据及结果如表1及表2。
由表2可看出，A0～A10铝硅酸盐玻璃的气泡缺陷较少，每平米玻璃大于0.02 mm气泡数最高仅为两个，气泡数少于对比例组A0。钢化性能优良，DOL能够达到24?m以上，CS在600MPa以上，这说明该复合澄清剂能满足硅酸盐玻璃的性能要求。在化学组成相同的情况下，采用复合澄清剂的A1比A0的熔制温度和澄清温度均低40℃，这说明该复合澄清剂不仅能大幅度降低澄清温度，提高澄清效率，还降低玻璃熔制温度，起助熔作用。另外保证气泡要求的条件下， A1-A10铝硅酸盐玻璃澄清温度1575℃～1620℃，熔融温度1470℃～1520℃，相比A0低25℃～70℃，这也再次说明了该复合澄清剂具有很好的澄清和助熔作用。
原因及机理分析：（1）该铝硅酸盐玻璃复合澄清剂包括合适配比的硝酸盐、硫酸钠（Na2SO4）、氧化铈（CeO2）和氧化锡（SnO2），硝酸盐的强氧化作用使Sn、Ce在熔融阶段以四价的形式稳定下来，避免过早的释放出氧气。在澄清阶段，大部分的SnO2及CeO2分解为SnO及Ce2O3并释放出氧气气泡，溶解在玻璃液中的气体扩散到这些氧气气泡中，从而带动气泡上升，没有上升的小气泡在澄清阶段结束时再被吸收，在吸收过程中SnO及Ce2O3再被氧化成SnO2及CeO2，使玻璃的气泡含量极少。Na2SO4在高温下分解成Na2O和SO3，SO3气体形成气泡融合玻璃液中的其他气体，气泡进一步长大后浮到玻璃液表面释放到环境中，进一步减少玻璃的气泡含量。因此，上述玻璃澄清剂无毒无害且澄清效果较好。
（2）该玻璃澄清剂可以实现不同温度阶段的连续的澄清作用。硝酸盐分解温度110℃～600℃，Na2SO4的热分解温度为1120℃～1220℃，CeO2分解温度为1300℃～1400℃，SnO2分解温度在1500℃以上，所以通過使用上述玻璃澄清剂可以保证玻璃液在不同的温度阶段能持续排出气泡，从而得到澄清效果更佳的产品，每平方米气泡（>0.02mm）数量不高于两个。
另外上述铝硅酸盐玻璃澄清剂不含有As2O3、Sb2O3等有毒有害物质，无毒无害、安全环保，该玻璃澄清剂的澄清效果较好，澄清温度较低，使用该玻璃澄清剂制备的玻璃的气泡缺陷较少，玻璃质量较高，也有利于减少能耗降低成本并提高窑炉耐材的寿命。
3 结语
通过试验探讨研究了一种铝硅酸盐高效复合澄清剂，分析总结了该复合澄清剂的作用机理，相信对铝硅酸盐玻璃生产及品质的改善提升具有一定的指导意义。
（1）铝硅酸盐玻璃化学组成相同的情况下，采用该高效复合澄清剂能使玻璃熔制温度和澄清温度均降低40℃。
（2）在保证气泡要求的条件下，该复合澄清剂可以降低铝硅酸盐玻璃的澄清及熔融温度25℃～70℃，起到很好的澄清和助熔作用。
（3）该种高效复合澄清剂不含有As2O3、Sb2O3等有毒有害物质，绿色环保。另外因其具有不同温度阶段的连续澄清作用，澄清效果好，制得的玻璃质量高，同时也降低了能耗，提高了窑龄。
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