玻璃及其加工工艺

玻璃及其加工工艺陈杰简介陈杰：女，1967年10月生，硕士，副教授。1989年7月毕业于华东理工大学无机非金属材料专业。研究方向：无机纳米材料的微波合成；绿色材料在研主持项目：陕西省教育厅专项项目2项（05JK254,08JK347）；神木气化煤集团企业联合项目1项（16万）；西安科技大学精品课程。玻璃的发现玻璃是一种具有无规则结构的非晶态固体。它没有固定的熔点，在物理和力学性能上表现为均质的各向同性。大多数玻璃都是由矿物原料和化工原料经高温熔融，然后急剧冷却而形成的。在形成的过程中，如加入某些辅助原料，如助熔剂、着色剂等可以改善玻璃的某些性能。玻璃的概念和组成玻璃与特种玻璃：普通玻璃：平板玻璃、夹层玻璃、热反射玻璃、热吸收玻璃、建材微晶玻璃、中空玻璃、汽车玻璃、钢化玻璃、眼镜玻璃、瓶罐玻璃、热水瓶玻璃、餐具玻璃、微晶玻璃餐具、耐热玻璃餐具、光学玻璃、玻璃纤维、增强用玻璃纤维、电子玻璃（电真空玻璃）、显象管玻璃、封接玻璃、光掩模玻璃、理化玻璃、医用玻璃、温度计玻璃、颜色玻璃、发泡玻璃、装饰玻璃和工艺玻璃等。特种玻璃：通讯用玻璃光纤、激光玻璃、激光核聚变玻璃、电子器件用玻璃、法拉第旋转玻璃、石英玻璃、放射性核废料固化玻璃、云母微晶玻璃、多孔玻璃、生物玻璃、生化玻璃、氧氮玻璃、凝胶玻璃、水合玻璃、偏振玻璃、镀膜玻璃、天然玻璃（黑曜石）等。玻璃的一般制备方法——熔化冷却法“熔化”也称“熔炼”，是钢、铁、铝等金属材料；玻璃、铸石、熔铸耐火材料、人工晶体等无机非金属材料材料的主要工艺过程。在实验室条件下，玻璃熔化实验的过程（玻璃的主要制备工艺）是：玻璃熔制的五个阶段①硅酸盐形成：主要的固相反应结束，配合料变成由硅酸盐和二氧化硅组成的不透明烧结物。800～900℃。②玻璃的形成：硅酸盐烧结物和二氧化硅熔融、溶解、扩散，使不透明的半熔融烧结物变为透明的玻璃液，不再含有未反应的配合料颗粒。1200～1400℃。③澄清：排除可见气泡。1200～1400℃。玻璃液粘度10Pa·S。④玻璃液的均化：消除条纹和其他不均体，使玻璃各部分在化学组成上达到预期的均匀一致。⑤玻璃液的冷却：让玻璃液的粘度增高至成形所需的范围。通常温度降低200～300℃。室温800～900oC1200~1400oC1200~1400oC300~500oC一种是将玻璃液通过垂直引上或平拉、延压等方法而成，称为普通平板玻璃。一种是将玻璃液漂浮在金属液(如锡液)面上，让其自由摊平，经牵引逐渐降温退火而成，称为浮法玻璃。一平板玻璃平板玻璃是板状玻璃的统称。成分多属于钠—钙—硅酸盐．平板玻璃具有透光、透视．隔热、隔声、耐磨、耐候等特性，并且通过着色、表面处理、强化、复合等方法制成彩色玻璃、镀膜玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃等特殊制品。热弯玻璃防弹玻璃垂直引上法是利用拉引机械从玻璃溶液表面垂直向上引拉玻璃带，经冷却变硬而成玻璃平板的方法。根据引上设备不同，又分为有槽引上、无槽引上和对辊引上等方法。其特点是成型容易控制，可同时生产不同宽度和厚度的玻璃，但宽度和厚度也受到成型设备的限制，产品质量也不是很高，易产生波筋、线道、表面不平整等缺陷。平板玻璃的生产方法垂直引上法有槽引上法成型示意图无槽引上法成型示意图浮法玻璃的生产过程是将熔融的玻璃液经过流槽砖进入盛有熔融锡液的锡槽中，由于玻璃液的密度较锡液小，玻璃液便浮在锡液表面上，在其本身的重力及表面张力的作用下，能均匀地摊平在锡液表面上，同时玻璃的上表面受到高温区的抛光作用，从而使玻璃的两个表面均很平整。然后经过定型、冷却后，进入退火窑退火、冷却，最后经切割成为原片。浮法玻璃工艺示意如图所示。浮法浮法玻璃工艺示意图重油燃烧气氛保护锡槽熔窑熔融玻璃熔融锡牵引辊玻璃带浮法玻璃的制造过程示意图浮法玻璃按用途可分为制镜级、汽车级、建筑级。浮法玻璃按厚度分为以下几种规格：2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、15mm和19mm。浮法玻璃的分类及规格常用玻璃材料(1)磨砂玻璃磨砂玻璃又叫毛玻璃或暗玻璃，采用喷砂或研磨等机械方法，或者用氢氟酸溶液磨蚀等化学方法将玻璃表面处理成均匀毛面。其表面呈精细凹凸，可使光线产生漫射，只有透光性而不能透视，具有均匀柔和的效果。常用于建筑物中要求透光而不透像的门窗，以及玻璃黑板、照相屏板等。(2)磨光玻璃磨光玻璃又称镜面玻璃，采用平板玻璃抛光而得。分为单面磨光和双面磨光两种。磨光玻璃表面平整光滑，有光泽，透光率达84％，物象透过玻璃不变形。磨光玻璃主要用于安装大型门窗，制作镜子等。常用玻璃材料(3)夹层玻璃夹层玻璃是利用透明、粘接力强的塑料膜片将两块或两块以上的平板玻璃在高温高压作用之下粘接起来的玻璃。粘接用的塑料膜片常为聚乙烯醇缩丁醛树脂和聚碳酸酯树脂。夹层玻璃的强度高，有优异的抗冲击和抗穿透性能，破碎时玻璃碎片被塑料膜片粘结，不易脱离飞散．主要用作汽车、飞机的风挡玻璃，防弹玻璃，也用于有特殊安全要求的建筑物门窗、幕墙及展示陈列等方面。(4)钢化玻璃钢化玻璃又称强化玻璃。钢化玻璃弹性好，抗冲击强度高(普通平板玻璃的4-6倍)，抗弯强度高(普通平板玻璃的3倍)。强化处理方式有：物理方式，如风淬火、油淬火和熔融淬火；化学方式，如表面离子交换、表面晶化、酸处理等。通常，钢化玻璃多指经风淬火处理的玻璃．钢化玻璃破碎后裂成圆钝的小碎片，碎片不带尖锐棱角，可减少对人的伤害。钢化玻璃不能进行机械切割，钻孔等加工。多用于交通运瑜车辆的车窗和建筑门窗，隔墙等。常用玻璃材料凡通过物理钢化(淬火)和化学钢化处理的玻璃称为钢化玻璃。(1)物理钢化玻璃物理钢化又称淬火钢化，是将普通平板玻璃在加热炉中加热到接近软化点温度(650℃左右)，使之通过本身的形变来消除内部应力，然后移出加热炉，立即用多头喷嘴向玻璃两面喷吹冷空气，使之迅速且均匀地冷却。钢化玻璃应力状态见图。钢化玻璃的处理方法与原理图钢化玻璃应力状态（a）普通玻璃受弯作用截面应力分布；（b）钢化玻璃截面预应内力分布；（c）钢化玻璃受弯作用截面应力分布(2)化学钢化玻璃化学钢化玻璃采用离子交换法进行钢化，其方法是将含碱金属离子钠(Na＋)或钾(K+)的硅酸盐玻璃浸入熔融状态的锂(Li＋)盐中，使钠或钾离子在表面层发生离子交换，使表面层形成锂离子的交换层。当冷却到常温后，玻璃便处于内层受拉应力、外层受压应力的状态，其效果与物理钢化相似，因此提高了应用强度。(5)夹丝玻璃夹丝玻璃又称防碎玻璃和钢丝玻璃。它是把普通平板玻璃加热到红热软化状态，将预热处理的金属丝或金属网压入玻璃中间而制成的。下图为玻璃的夹丝形式。由于金属丝或金属网的嵌入，夹丝玻璃在遭受冲击或温度剧变时破而不缺，裂而不散，具有较好的安全性和防火性。央丝玻璃的颜色可以是无色的或彩色的，表面可以是压花的或磨光的。常用于建筑物的门窗、走廊、天井等处。常用玻璃材料常用玻璃材料(6)彩色玻璃彩色玻璃是对通过的可见光具有一定的选择性吸收的玻璃。根据着色工艺，可分为本体着色和表面着色两种．本体着色是在玻璃原料中加入金属氧化物，熔融后能产生的颜色有茶色、兰色、灰色、绿色等。表面着色则是在玻璃表面覆敷一层金属的、金属氧化物或有机物的颜色涂层，使玻璃呈色。彩色玻璃分透明和不透明两种，其色泽有多种，可拼成各种花纹图案，产生独特的装饰效果。(7)釉面玻璃在玻璃表面涂敷一层彩色易熔性色釉，然后加热到彩釉的熔融温度，使釉层与玻璃牢固结合在一起，经退火或钢化等不同热处理方式而制成。常用玻璃材料(8)花纹玻璃将玻璃依设计图案加以雕刻、印刻等无彩色处理，使表面呈现透明与不透明的花纹图案，具有良好的艺术装饰效果．根据加工方法分为：压花玻璃、喷花玻璃和刻花玻璃。压花玻璃又称琅花玻璃．是熔融玻璃经刻有花纹图案的压延辊而制成，分单面压花和双面压花玻璃．压花玻璃由于花纹凸凹不平使光线漫射，失去透视性，并降低透光率(透光率为60％--70％)常用作建阅物门窗或室内隔墙等。喷花玻璃又称胶花玻璃，是在玻璃表面贴以刻有花纹图案的纸型作为保护层，通过喷砂处理而成。刻花玻璃是由平板玻璃经涂覆，雕刻、围腊，酸蚀、研磨而成。常用玻璃材料(9)中空玻璃中空玻璃又杯隔热玻璃，是在两块或多块平板玻璃之间充以干噪气体，四周边缘用胶接、焊接或熔接的方法密封而成的玻璃制品，图为中空玻璃结构示意图。具有优良的保温、隔热、隔声及防结露等性能。可用彩色玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃、镀膜玻璃等作外层原片，以改善性能和装饰效果。广泛用干铁路车辆、建筑物、冷藏库、冷藏橱柜等处。常用玻璃材料(10)热反射玻璃热反射玻璃又称镀履玻璃，是在平板玻璃表面涂敷金属或金属氧化物涂层的玻璃。具有良好的隔热性能和遮光性，并有单向透像性，对太阳辐射热有较高的反射能力，可节约室内空凋的能量。镀膜玻璃外观具有多种色彩及镜面效果，增加建筑物的美观，用作建筑物门窗、幕墙等。生产这种镀膜玻璃的方法有热分解法、喷涂法、浸涂法、金属离子迁移法、真空镀膜、真空磁控溅射法、化学浸渍法等。但热反射玻璃幕墙使用不恰当或使用面积过大会造成光污染和建筑物周围温度升高，影响环境的和谐。常用玻璃材料(11)光栅玻璃光栅玻璃又称镭射玻璃．以玻璃为基材，用特殊材料或特殊工艺使玻璃表面形成全息光栅或几何光栅的玻璃。在光源照射下，光栅玻璃发生物理衍射现象产生七彩光。按结构可分为单层光栅玻璃，普通夹层光栅玻璃和钢化夹层光栅玻璃。品种有透明光栅玻璃、印刷图案光栅玻璃、半透明半反射光栅玻璃和金属质感光栅玻璃，主要用作建筑物的装饰材料及轻工产品的外观装饰材料。(12)光致变色玻璃随光线强弱而变色的玻璃，又称光色玻璃。在玻璃中引入卤化银等光敏剂而得。光照的玻璃颜色随光线增强而渐渐变暗，照射停止后．玻璃又恢复到原来的颜色。可用于变色眼镜、防光材料显示装置的制作及全息存储等。常用玻璃材料这是一种用于制造日用器皿、艺术品和装饰品的玻璃。用这种玻璃制成的器皿应有很好的透明度和白度(日光下呈无色或很弱的蓝色)，或具有鲜艳的颜色和清晰美观的图案，表面洁净有一定光泽，有较好的热抗震性、化学稳定性、机械强度。器皿玻璃分为一般器皿玻璃和晶质玻璃，主要用于制作茶具、餐具、炊具、艺术制品等。二器皿玻璃玻璃的成型玻璃的成型是将熔融的玻璃液加工成具有一定形状和尺寸的玻璃制品的工艺过程。常见的玻璃成型方法有：压制成型、吹制成型和拉制成型。(1)压制成型压制成型是在模具中加入玻璃熔料加压成形，多用于玻璃盘碟、玻璃砖。图为玻璃压制成型示意图。(2)吹制成型吹制成型是先将玻璃粘料压制成雏形型块，再将压缩气体吹入处于热熔态的玻璃型块中，使之吹胀成为中空制品。吹制成型可分为机械吹制成型和人工吹制成型，用采制造瓶、罐、器皿、灯泡等。图9—4为机械吹制法成型广口瓶的示意图，图9—5为人工吹杯示意图。(3)拉制成型拉制成型是利用机械拉引力将玻璃熔体制成制品，分为垂直拉制和水平拉制，主要用来生产平板玻璃。玻璃管、玻璃纤维等。(4)压延成型压延成型是用金属辊将玻璃熔体压成板状制品，主要用来生产压花玻璃、夹丝玻璃等，该成型分为平面压延与辊间压延成型。图9—8为压延成型的示意图。泡沫玻璃又称多孔玻璃，是一种气孔率在80％以上，由均匀气孔组成的玻璃。将玻璃粉与发泡剂混合并置于模具中加热。发泡剂受热产生大量气体使软化的玻璃膨胀成型，冷却后脱模再退火而得。根据配料与生成工艺的不同，其气孔可分为封闭的非连通孔。连通孔和部分连通孔。气孔封闭的泡沫玻璃机械强度高、不透气、不燃、导热系数小，不变形，经久耐用，可进行锯、钻、钉等加工，是一种良好的保温绝热材料。气孔相连或部分相连的泡沫玻璃具有较大的吸声系数，多作吸声材料。泡沫玻璃还可制成各种不同颜色，且永不褪色．是良好的装饰材料。三泡沫玻璃微晶玻璃又称玻璃陶瓷、将含有晶核生成剂的玻璃在一定条件下进行热处理，玻璃相中析出大量微晶体相，形成由晶体相和玻璃相构成的复合体。微晶玻璃的结构、性能及生成方法与玻璃、陶瓷有所不同．兼具了两者的性能，具有优良的机械强度、化学稳定性、热稳定性及机械加工性．适当地选择晶核生成剂段晶化条件、可获