CN106396372B - 一种硼硅酸盐玻璃及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于玻璃制备技术领域，具体涉及一种硼硅酸盐玻璃及其制备方法。该硼硅酸盐玻璃按重量百分比计，主要成分包括：SiO2:50％‑60％，Al2O3:15％‑27％，B2O3:3％‑8％，CaO:13％‑28％，Fe2O3:0.2％‑0.45％，TiO2:0.1％‑0.5％，MgO:0.1％‑1.2％和碱金属R2O:0.1％‑1.2％。本申请提供的硼硅酸盐玻璃具有优异的力学性能、耐腐蚀性及突出的抗热性能；而且制备过程中环境污染小、能耗低。

Description

一种硼硅酸盐玻璃及其制备方法
技术领域
本发明属于玻璃制备技术领域，具体涉及一种硼硅酸盐玻璃及其制备方法。
背景技术
由于玻璃具有一系列可贵的品质：透明、较高的强度，较好的化学稳定性，一定的耐热性，可以用多种成型方法和加工方法制成各种形状和大小的制品。通过调整玻璃的化学组成及制备工艺可以制成各种形态的制品，如纱、毛纱、布、带、圆筒布、薄毡、毡、板、管壳等。由于采用的玻璃成分不同，可使其中某一方面的性能更为突出，所以玻璃制品在工业、农业、建筑及民用各方面均具有广泛的应用。如可作电绝缘材料，过滤材料，隔热、吸声材料，减震材料，防腐、防潮材料等；以及用它作为增强材料，与各种有机或无机材料制成复合材料，如玻纤增强热固性塑料(玻璃钢)、玻纤增强热塑性塑料和增强橡胶制品、玻璃纤维增强无机胶凝材料制品如增强石膏、水泥等；还可以采用有机被覆处理的方法提高其柔性，制作各种软制品如包装布、窗纱、窗帘、壁布、篷盖布、建筑膜材及特种防护用品等。
根据碱金属氧化物(一般指氧化钠、氧化钾等)含量的不同，玻璃可以分为无碱玻璃、中碱玻璃和高碱玻璃。碱金属氧化物作为普通玻璃的主要成分之一，其主要作用是降低玻璃的熔点，但玻璃中碱金属氧化物的含量愈高，它的化学稳定性、电绝缘性能和强度都会相应降低。
无碱E玻璃系指成分中碱金属含量小于0.8％的铝硼硅酸盐玻璃，主要含钙、铝、硅、镁、硼，可满足高软化点，高电阻率，高强度，低膨胀及耐水，耐化学腐蚀的需要。无碱E玻璃的基础成分是SiO2、Al2O3和CaO。
如中国专利200710090969.2《硼硅酸盐玻璃组成物》即公开了一种硼硅酸盐玻璃，该玻璃的主要成分为SiO2、Al2O3、Na2O、B2O3、CaO及其它玻璃添加成分。由该组成物制得的玻璃热膨胀系数低、玻璃转化温度高，具有较好的抗热性能。
中国专利申请200480005095.0《抗菌的硼硅酸盐玻璃》则公开了一种硼硅酸盐玻璃。其主要成分包括SiO2、Al2O3、Na2O、B2O3、CaO等。由该申请制得的玻璃具有良好抗菌性能，可用于口腔卫生、牙齿护理等领域。
但在上述玻璃的制备工艺中，玻璃成分中的氧化钙主要是由方解石粉在高温下分解生成氧化钙和二氧化碳引入。这一过程不仅能耗巨大且放出大量的温室气体二氧化碳，这明显不符合绿色生产的需要。而且，这一分解反应减弱了反应炉的熔化能力、增加了反应时间，增加废气排放量，同时会直接带走一部分热量，产生的二氧化碳还会增加池窑内泡沫层厚度从而影响玻璃液对热能的吸收。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本申请旨在提供一种硼硅酸盐玻璃，该玻璃能耗低、温室气体排放少、池窑的熔化能力高；同时具有优异的力学性能、抗热性和耐化学腐蚀性等优点。
为了实现上述发明目的，本申请提供了一种硼硅酸盐玻璃，按重量百分比计，其主要成分包括：SiO2：50％-60％，Al2O3：15％-27％，B2O3：3％-8％，CaO：13％-28％，Fe2O3：0.2％-0.45％，TiO2：0.1％-0.5％，MgO：0.1％-1.2％和碱金属R2O：0.1％-1.2％。
优选地，所述硼硅酸盐玻璃，按重量百分比计，其主要成分包括：SiO2：51.0％-55.0％，Al2O3：19.0％-27.0％，B2O3：5.0％-7.0％，CaO：16.0％-25.0％，Fe2O3：0.25％-0.35％，TiO2：0.1％-0.40％，MgO：0.1％-1.0％，碱金属R2O：0.1％-0.8％。
进一步优选地，所述碱金属为Na2O和K2O。
更进一步优选地，所述Na2O和K2O的重量比为(3-10)∶1。
其中，所述硼硅酸盐玻璃主要由以下各原料制成：叶蜡石、高岭土、生石灰、萤石、硼钙石、芒硝、纯碱和碳粉。
优选地，所述硼硅酸盐玻璃，主要由以下重量百分比的各原料制成：叶蜡石50％-60％，高岭土8％-15％，生石灰10％-17％，萤石1％-5％，硼钙石10％-17％，芒硝0.2％-0.8％，纯碱0.1％-0.5％，碳粉0.1％-0.5％，所述生石灰与硼钙石的重量比为1∶1。
进一步优选地，所述硼硅酸盐玻璃，主要由以下重量百分比的各原料制成：叶蜡石50％-58％，高岭土8％-13％，生石灰10％-16％，萤石1％-4％，硼钙石10％-16％，芒硝0.2％-7％，纯碱0.1％-0.4％，碳粉0.1％-0.4％，所述生石灰与硼钙石的重量比为1∶1。
更进一步优选地，所述硼硅酸盐玻璃，主要由以下重量百分比的各原料制成：叶蜡石53％-58％，高岭土10％-13％，生石灰14％-16％，萤石2％-4％，硼钙石14％-16％，芒硝0.3％-7％，纯碱0.12％-0.4％，碳粉0.12％-0.4％，所述生石灰与硼钙石的重量比为1∶1。
作为一种优选实施方式，所述硼硅酸盐玻璃，主要由以下重量百分比的各原料制成：叶蜡石53.8％，高岭土11.2％，生石灰15.4％，萤石2.9％，硼钙石15.4％，芒硝0.6％，纯碱0.4％，碳粉0.3％。
其中，制备所述硼硅酸盐玻璃的原料还包括方解石，方解石占各原料总量的10％-30％。
优选地，所述硼硅酸盐玻璃还包括BaO、ZrO2和Bi2O3中的至少一种；
进一步优选地，所述BaO与ZrO2的重量比为1∶(1-3)；
进一步优选地，所述BaO与Bi2O3的重量比为(1-4)∶1；
更进一步优选地，所述硼硅酸盐玻璃还包括BaO 0.5％-3％，ZrO2 0.8％-2.5％和Bi2O30.1％-3％。
本申请的另一个技术方案提供了一种制备上述硼硅酸盐玻璃的方法，其具体包括如下步骤：
1)按上述重量比称取各原料，混合均匀后干燥、粉碎，然后过200-400目筛得微粉原料；
2)将步骤1)所得微粉原料输入密闭的池窑中于1300-1400℃下熔融反应，形成可流动的玻璃液熔融体；
3)将上述玻璃液澄清、排泡、均化、冷却后制备成型得目标玻璃。
优选地，步骤2)所述的玻璃液的粘度为90-170Pa·s。
本申请步骤3)所述地澄清、排泡、均化、冷却及制备成型工艺中除以下参数外均可采用本领域技术人员的常规技术手段进行。
优选地，步骤3)所述的制备成型为拉管成型，具体为将步骤3)冷却后的玻璃液经拉管装置拉制成玻璃管成型，经退火、冷却，即可制得玻璃管，其中，所述玻璃管的直径为3-10cm，抗折强度为200-250Mpa。
优选地，步骤3)所述的制备成型为压制成型，具体为将步骤3)中冷却后的玻璃液分量或分切后，在模具中压制成型，经退火、冷却，即可制得所述玻璃板，所述玻璃的厚度为3-50mm，该玻璃的抗折强度为200-250Mpa。
优选地，步骤3)所述的制备成型为拉丝成型，具体为将步骤3)中冷却后的玻璃液经漏板流出，然后喷雾水冷却，最后用拉丝机以3000转/分的速度拉制成型，即制得玻璃纤维，其中，所述玻璃丝的长度为(1.2-2.5)×105m，直径为(3-10)μm；所述漏板的孔数为500-1000，漏板温度为1000-1400℃进一步优选为1100℃。
进一步优选地，冷却采用水冷法，冷却速率为5-8℃/min。
与现有技术相比，本申请提供的硼硅酸盐玻璃具有以下优点：
(1)玻璃液粘度适中，流动性好，易于加工成型。
(2)环境污染程度低，能耗小。直接加入氧化钙取代方解石以引入玻璃中的主要成分氧化钙，减少了温室气体二氧化碳的排放，降低了对环境的污染；当生石灰100％取代方解石时，每小时可降低能耗808KJ，综合可降低能耗10％；池窑的熔化能力提高5％。
(3)具有优异的力学性能及耐腐蚀性。由本申请实施例3提供的硼硅酸盐玻璃不仅具有较好的力学性能，其玻璃纤维单丝拉伸强度达4787MPa，弹性模量91.5GPa；还具有较好的耐化学腐蚀性能(在100℃水浴24h、10％HCl的失重率为0.11％，10％H2SO4的失重率为0.18％，10％NaOH的失重率仅为0.23％)。
(4)具有突出的抗热性能。测定结果显示，由本申请实施例1制得的玻璃的线热膨胀系数α为1.8×10-6/℃，玻璃转化温度Tg为560℃。
(5)具有较高的折射率。由本申请实施例3制得的玻璃的折射率可达1.592nD。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步阐述。这些实施例仅是出于解释说明的目的，而不限制本发明的范围和实质。如无特别说明，本申请所用强酸强碱溶液的浓度为质量浓度，如10％HCl即指盐酸的质量浓度为10％。
实施例1
一种硼硅酸盐玻璃，按重量百分比计，其主要成分包括：SiO2：54.3％、Al2O3：17％，B2O3：8％，CaO：20％，Fe2O3：0.2％，TiO2：0.1％，MgO：0.1％和Na2O：0.3％。
按重量百分比计，该硼硅酸盐玻璃主要由以下重量百分比的各原料制成：
所述硼硅酸盐玻璃，主要由以下重量百分比的各原料制成：叶蜡石52％，高岭土12％，生石灰10％，方解石14.5％，萤石1％，硼钙石10％，芒硝0.2％，纯碱0.1％，碳粉0.2％。
制备上述硼硅酸盐玻璃的方法，其具体包括如下步骤：
1)按上述重量比称取各原料，混合均匀后干燥、粉碎，然后过400目筛得微粉原料；
2)将步骤1)所得微粉原料输入密闭的池窑中于1300℃下熔融反应，形成可流动的玻璃液熔融体；
3)将上述熔融玻璃液于1200℃温度下分量或分切后，在模具中压制成型，经退火、冷却，即可制得所述玻璃，冷却后制备成型得目标玻璃。
其中，步骤3)所述退火的温度为780℃，退火保温时间为7h，冷却速度为10℃/min。
实施例2
一种硼硅酸盐玻璃，按重量百分比计，其主要成分包括：SiO2：53.85％，Al2O3：19.0％，B2O3：7.0％，CaO：18.02％，Fe2O3：0.23％，TiO2：0.3％，MgO：1.0％，Na2O：0.5％；K2O：0.1％。
该硼硅酸盐玻璃，主要由以下重量百分比的各原料制成：叶蜡石53.8％，高岭土11.2％，生石灰15.4％，萤石2.9％，硼钙石15.4％，芒硝0.6％，纯碱0.4％，碳粉0.3％。
上述硼硅酸盐玻璃的制备方法，具体包括如下步骤：
1)按上述重量比称取各原料，混合均匀后干燥、粉碎，然后过325目筛得微粉原料；
2)将步骤1)所得微粉原料输入密闭的池窑中于1400℃下熔融反应，形成可流动的玻璃液熔融体；
3)将上述玻璃液澄清、排泡、均化、冷却后制备成型得目标玻璃。
其中，步骤3)所述的制备成型为拉丝成型，具体为将步骤3)中冷却后的玻璃液经漏板(800孔)1100℃保温流出，然后喷雾水冷却，最后用拉丝机以3000转/分的速度拉制成型，即制得玻璃纤维，其中，所述玻璃丝的长度为2×105m，直径为5μm。
实施例3
一种硼硅酸盐玻璃，按重量百分比计，其主要成分包括：
SiO2：59.8％，Al2O3：21.3％，B2O3：3.3％，CaO：12.4％，Fe2O3：0.2％，TiO2：0.2％，MgO：0.6％，Na2O：0.2％，K2O：0.2％，BaO 0.8％和ZrO20.8％，Bi2O3 0.2％。
该硼硅酸盐玻璃，主要由以下重量百分比的各原料制成：叶蜡石56.2％，高岭土13％，生石灰9.4％，萤石4.5％，硼钙石10.1％，芒硝0.8％，纯碱1.3％，碳粉1.6％，碳酸钡矿1.7％，锆英石0.5％，铋华0.9％。
上述硼硅酸盐玻璃的制备方法，具体包括如下步骤：
1)按上述重量比称取各原料，混合均匀后干燥、粉碎，然后过200目筛得微粉原料；
2)将步骤1)所得微粉原料输入密闭的池窑中于1350℃下熔融反应，形成可流动的玻璃液熔融体；
3)将上述玻璃液澄清、排泡、均化、冷却后制备成型得目标玻璃。
其中，步骤3)所述的制备成型为拉丝成型，具体为将步骤3)中冷却后的玻璃液经拉丝机拉制成型，经退火、冷却，即可制得所述玻璃，其中，所述玻璃丝的长度为1.612×105m，直径为7μm；
所述退火的温度为750℃，退火保温时间为4h，冷却速度为7℃/min。
性能测试
1、力学性能测试
依据GB/T7690.3利用单丝拉伸强力试验机测试上述实施例2-3制得的玻璃纤维单丝的拉伸强度，测试结果如下表1。
表1由实施例2-3制得的玻璃纤维的力学性能测试结果
实施例2 实施例3
单丝拉伸强度/MPa 4743 4787
弹性模量/GPa 90 91.5
断裂伸长率％ 6.2 6.5
2、抗热性能
依据GB/T 16920-1997对实施例1制得的玻璃的抗热性能进行测定，结果显示，其线热膨胀系数α为1.8×10-6/℃，玻璃转化温度Tg为560℃。
3、耐化学腐蚀性能
将实施例1-3制得的玻璃粉碎后过400目筛，100℃条件下水浴加热24h。
以失重率表示玻璃的失重性能。其中，失重率＝(试验前玻璃粉重量-试验后玻璃粉重量)/试验前玻璃粉重量×100％。试验结果如下表2。
表2由实施例1-3制得的玻璃的耐腐蚀性能
由表2数据可以看出，本申请提供的硼硅酸盐玻璃具有优异的耐酸碱化学腐蚀性。
4、利用玻璃折射率测定仪对实施例1-3制得的玻璃的折射率进行测定，结果如下表3。
表3由实施例1-3制得的玻璃的折射率
折射率(nD)
实施例1 1.571
实施例2 1.583
实施例3 1.592
上述实施例仅作为解释本发明的目的，本发明的范围不受此限制。对本领域的技术人员来说所做的修改是显而易见的，本发明仅受所附权利要求范围的限制。

Claims (8)

1.一种硼硅酸盐玻璃，按重量百分比计，其主要成分包括：SiO2:51.0%-55.0%，Al2O3:19.0%-27.0%，B2O3:5.0%-7.0%，CaO:16.0%-25.0%，
Fe2O3:0.25%-0.35%，TiO2:0.1%-0.40%，MgO:0.1%-1.0%，碱金属R2O:0.1%-0.8%，还包括BaO 0.5%-3%，ZrO2 0.8%-2.5%和Bi2O30.1%-3%。
2.根据权利要求1所述的玻璃，所述碱金属为Na2O和K2O。
3.根据权利要求2所述的玻璃，所述Na2O和K2O的重量比为（3-10）:1。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的玻璃，其主要由以下各原料制成：叶蜡石、高岭土、生石灰、萤石、硼钙石、芒硝、纯碱和碳粉。
5.根据权利要求4所述的玻璃，主要由以下重量百分比的各原料制成：叶蜡石50%-60%，高岭土8%-15%，生石灰10%-17%，萤石1%-5%，硼钙石10%-17%，芒硝0.2%-0.8%，纯碱0.1%-0.5%，碳粉0.1%-0.5%，所述生石灰与硼钙石的重量比为1:1。
6.根据权利要求5所述的玻璃，主要由以下重量百分比的各原料制成：叶蜡石53.8%，高岭土11.2%，生石灰15.4%，萤石2.9%，硼钙石15.4%，芒硝0.6%，纯碱0.4%，碳粉0.3%。
7.一种制备如权利要求1-6中任一项所述的玻璃的方法，其具体包括如下步骤：
1）按上述重量比称取各原料，混合均匀后干燥、粉碎，然后过200-400目筛得微粉原料；
2）将步骤1）所得微粉原料输入密闭的池窑中于1300-1400oC下熔融反应，形成可流动的玻璃液熔融体；
3）将上述玻璃液澄清、排泡、均化、冷却后制备成型得目标玻璃。
8.根据权利要求7所述的方法，步骤3）所述的制备成型为拉丝成型，具体为将步骤3）中冷却后的玻璃液经漏板流出，然后喷雾水冷却，最后用拉丝机以3000转/分的速度拉制成型，即制得玻璃纤维，其中，所述玻璃丝的长度为(1.2-2.5)×105m，直径为(3-10) μm。
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