CN110563332A - 一种高性能高硼硅玻璃材料的制备方法 - Google Patents

一种高性能高硼硅玻璃材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能高硼硅玻璃材料的制备方法，该制备方法通过制备工艺方法的改进及各混合料的优化配比，特别是通过对高硼硅混合料的多孔化处理以及在混合料中加入改性碱性金属氧化物，获得低膨胀系数的高硼硅玻璃材料体，同时显著提高了耐水、耐酸、耐碱、软化点等理化性能，本技术使用碎玻璃重新回炉再利用，故生产过程中无废水、废液、废气、废渣污染。

Description

一种高性能高硼硅玻璃材料的制备方法
技术领域
本发明属于化工玻璃管材料生产技术领域，尤其设计一种高性能高硼硅玻璃材料的制备方法。
背景技术
随着世界各国工业和科学技术的飞速发展，我国民族工业及新一代技术工艺水平也有了长足的进步，某些方面且已处于世界领先地位。然而，我们也应该看到，在许多领域，我们与先进国家相比，还有很大差距。尤其是在基础材料工业方面，从规模、质量及其发展速度上差距还不小，比如，玻璃制品基础材料行业的发展状况就充分显现出这一点。由于这方面的研究滞后，现在我国化工行业普遍采用的管道，是昂贵的金属管道，产品成本过高，且不透明，难以检测化工产品形成的过程，难以竞争世界市场；农业领域普遍使用塑料采光摄取热量，采光率低，白色污染严重，难以走上高效率、低污染发展的路子；日用生活领域，很多饮食用具有相当一部分为塑料制品，对人体健康危害较大等。即便有的行业或部门采用了玻璃材料，但是最被广泛应用的玻璃材质一般为钠钙玻璃，其缺陷是不耐酸碱、透光性差、机械性能弱等。这种材质的玻璃，严重阻碍了应用领域的进一步拓宽，各行各业迫切呼唤一种机械性能好、耐冲击、抗腐蚀、透光性能强、无污染的新一代玻璃基础材料，以满足国民经济发展的需要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高性能高硼硅玻璃材料的制备方法，按照本发明制备方法得到的高性能高硼硅玻璃材料无毒副作用，其机械性能、热稳定性能、抗水、抗碱、抗酸等性质大大提高。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
高性能高硼硅玻璃材料的制备包括以下步骤：
1）按质量百分比取85～90%的碎玻璃，0.5～2%的Al2O3进行研磨得到混合粉料A；
2）将10～25%的B2O2、1～5%的NaCl、1～3%的K2O进行研磨，得到混合粉料B；
3）将混合料A和混合料B加入酸溶液中，得到混合料C；
4）将混合料C进行烘烤，得到多孔高硼硅主材料；
5）在多孔高硼硅主材料中添加改性碱金属氧化物，得到得到中间材料D；
6）将中间材料D依次进行熔制、晶化、退火得到本发明所述高性能高硼硅玻璃材料。
所述步骤1）的研磨和所述步骤2）的研磨，均为放入聚氨酯球磨罐或坩埚内进行研磨，研磨后需保持的时间为4-6h。
所述步骤3）中酸溶液由HF和HNO3按1:2～1:3的体积比混合得到。
所述步骤3）中，还需将所得混合料C装入反应釜中静置1-3h，将混合料C随反应釜一并于800～1200℃的温度下烘烤2～3h。
所述混合料C制备过程中需要保持通入氮气。
所述步骤5）中改性碱金属氧化物的获得方法如下：将总质量占比5～10%MgO、1～5%ZnO2、1～2%K2O均匀混合，一并于500～600℃的温度下烘烤2～3h。
所述步骤6）的熔制、晶化、退火具体为以下内容：
1）熔制，将中间材料D分3次加入到已经升温至1200～1400℃的坩埚中，然后以5～10℃/min的升温速度升温至1500～1700℃，形成液化配合料E保温2～3h；
2）晶化，液化配合料E以5～15℃/min的降温速度降至600～800℃，使得液化配合料E晶相发生晶化形成晶体F并保温2～3h；
3）退火，晶体F于550～700℃的温度下退火处理2～4h，使得晶体F内应力消除。
本发明通过在配方中创造性地加入多孔高硼硅材料，具体加入以多孔高硼硅混合料作为基体，通过渗漉法将改性碱金属氧化物渗透到多孔基体的孔隙中制备而成的多孔高硼硅玻璃材料材料，使得玻璃管具有无毒副作用，其机械性能、热稳定性能、抗水、抗碱、抗酸等性质。所述的高硼硅混合料多孔基体由SiO2，Al2O3，B2O2，NaCl，K2O组成，通过渗漉法将具有改善高硼硅材料性能的改性碱金属氧化物渗透到多孔基体的孔隙中，保证了改性碱金属氧化物于高硼硅多孔基体的充分接触。
本发明所述的高硼硅玻璃材料体，通过制备工艺方法的改进及各混合料的优化配比，特别是通过对高硼硅混合料的多孔化处理以及在混合料中加入改性碱性金属氧化物，获得低膨胀系数的高硼硅玻璃材料体，同时显著提高了耐水、耐酸、耐碱、软化点等理化性能，本技术使用碎玻璃重新回炉再利用，故生产过程中无废水、废液、废气、废渣污染。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
高性能高硼硅玻璃材料的制备包括以下步骤：
1）按质量百分比取85%的碎玻璃，0.5%的Al2O3进行研磨得到混合粉料A；
2）将10%的B2O2、1%的NaCl、1%的K2O进行研磨，得到混合粉料B；
3）将混合料A和混合料B加入酸溶液中，得到混合料C；
4）将混合料C进行烘烤，得到多孔高硼硅主材料；
5）在多孔高硼硅主材料中添加改性碱金属氧化物，得到得到中间材料D；
6）将中间材料D依次进行熔制、晶化、退火得到本发明所述高性能高硼硅玻璃材料。
步骤1）的研磨和所述步骤2）的研磨，均为放入聚氨酯球磨罐或坩埚内进行研磨，研磨后需保持的时间为4h。
所述步骤3）中酸溶液由HF和HNO3按1:2的体积比混合得到。
所述步骤3）中，还需将所得混合料C装入反应釜中静置1h后，将混合料C随反应釜一并于800℃的温度下烘烤2h。
所述混合料C制备过程中需要保持通入氮气。
所述步骤5）中改性碱金属氧化物的获得方法如下：将总质量占比5%MgO、1%ZnO2、1%K2O均匀混合，一并于500℃的温度下烘烤2h。
所述步骤6）的熔制、晶化、退火具体为以下内容：
1）熔制，将中间材料D分3次加入到已经升温至1200°的石英坩埚中，然后以5℃/min的升温速度升温至1500℃，形成液化配合料E保温2h；
2）晶化，形成液化配合料E以5℃/min的降温速度降至600℃，使得液化配合料E晶相发生晶化形成晶体F并保温2h；
3）退火，晶体F于550℃的温度下退火处理2h，使得晶体F内应力消除。
该实施例制备得到的高硼硅玻璃材料性能为：膨胀系数(4.3±0.1)×10-7 /℃，密度2.08±.02g/cm3 耐水性能1级，耐酸性能1级，耐碱性能A2级，软化点800±10℃。
实施例2：
高性能高硼硅玻璃材料的制备包括以下步骤：
1）按质量百分比取86%的碎玻璃，1%的Al2O3进行研磨得到混合粉料A；
2）将15%的B2O2、2%的NaCl、1.5%的K2O进行研磨，得到混合粉料B；
3）将混合料A和混合料B加入酸溶液中，得到混合料C；
4）将混合料C进行烘烤，得到多孔高硼硅主材料；
5）在多孔高硼硅主材料中添加改性碱金属氧化物，得到得到中间材料D；
6）将中间材料D依次进行熔制、晶化、退火得到本发明所述高性能高硼硅玻璃材料。
步骤1）的研磨和所述步骤2）的研磨，均为放入聚氨酯球磨罐或坩埚内进行研磨，研磨后需保持的时间为4.5h。
步骤3）中酸溶液由HF和HNO3按1:2的体积比混合得到。
步骤3）中，还需将所得混合料C装入反应釜中静置1-3h后，将混合料C随反应釜一并于1000℃的温度下烘烤2.5h。
混合料C制备过程中需要保持通入氮气。
步骤5）中改性碱金属氧化物的获得方法如下：将总质量占比7%MgO、2%ZnO2、1.5%K2O均匀混合，一并于550℃的温度下烘烤2.5h。
步骤6）的进行熔制、晶化、退火具体为以下内容：
1）熔制，将中间材料D分3次加入到已经升温至1250℃的石英坩埚中，然后以7℃/min的升温速度升温至1550℃，形成液化配合料E保温2.5h；
2）晶化，形成液化配合料E以8℃/min的降温速度降至650℃，使得液化配合料E晶相发生晶化形成晶体F并保温2.5h；
3）退火，晶体F于600℃的温度下退火处理3h，使得晶体F内应力消除。
该实施例制备得到的高硼硅玻璃管性能为：膨胀系数(3.5±0.1)×10-7 /℃，密度2.11±.02g/cm3 耐水性能1级，耐酸性能1级，耐碱性能A2级，软化点790±10℃
实施例3：
高性能高硼硅玻璃材料的制备包括以下步骤：
1）按质量百分比取89%的碎玻璃，1.5%的Al2O3进行研磨得到混合粉料A；
2）将20%的B2O2、4%的NaCl、2%的K2O进行研磨，得到混合粉料B；
3）将混合料A和混合料B加入酸溶液中，得到混合料C；
4）将混合料C进行烘烤，得到多孔高硼硅主材料；
5）在多孔高硼硅主材料中添加改性碱金属氧化物，得到得到中间材料D；
6）将中间材料D依次进行熔制、晶化、退火得到本发明所述高性能高硼硅玻璃材料。
所述步骤1）的研磨和所述步骤2）的研磨，均为放入聚氨酯球磨罐或坩埚内进行研磨，研磨后需保持的时间为5h。
所述步骤3）中酸溶液由HF和HNO3按1:2的体积比混合得到。
所述步骤3）中，还需将所得混合料C装入反应釜中静置1.5h后，将混合料C随反应釜一并于1000℃的温度下烘烤2.5h。
所述混合料C制备过程中需要保持通入氮气。
所述步骤5）中改性碱金属氧化物的获得方法如下：将总质量占比8%MgO、4%ZnO2、1.5%K2O均匀混合，一并于550℃的温度下烘烤2.5h。
所述步骤6）的进行熔制、晶化、退火具体为以下内容：
1）熔制，将中间材料D分3次加入到已经升温至1300℃的石英坩埚中，然后以8℃/min的升温速度升温至1650℃，形成液化配合料E保温2.5h；
2）晶化，形成液化配合料E以12℃/min的降温速度降至750℃，使得液化配合料E晶相发生晶化形成晶体F并保温2.5h；
3）退火，晶体F于650℃的温度下退火处理3h，使得晶体F内应力消除。
该实施例制备得到的高硼硅玻璃管性能为：膨胀系数(3.3±0.1)×10-7 /℃，密度2.23±.02g/cm3 耐水性能1级，耐酸性能1级，耐碱性能A2级，软化点820±10℃
实施例4：
高性能高硼硅玻璃材料的制备包括以下步骤：
1）按质量百分比取90%的碎玻璃，2%的Al2O3进行研磨得到混合粉料A；
2）将25%的B2O2、5%的NaCl、3%的K2O进行研磨，得到混合粉料B；
3）将混合料A和混合料B加入酸溶液中，得到混合料C；
4）将混合料C进行烘烤，得到多孔高硼硅主材料；
5）在多孔高硼硅主材料中添加改性碱金属氧化物，得到得到中间材料D；
6）将中间材料D依次进行熔制、晶化、退火得到本发明所述高性能高硼硅玻璃材料。
所述步骤1）的研磨和所述步骤2）的研磨，均为放入聚氨酯球磨罐或坩埚内进行研磨，研磨后需保持的时间为6h。
所述步骤3）中酸溶液由HF和HNO3按1:2的体积比混合得到。
所述步骤3）中，还需将所得混合料C装入反应釜中静置3h后，将混合料C随反应釜一并于1200℃的温度下烘烤3h。
所述混合料C制备过程中需要保持通入氮气。
所述步骤5）中改性碱金属氧化物的获得方法如下：将总质量占比10%MgO、5%ZnO2、2%K2O均匀混合，一并于600℃的温度下烘烤3h。
所述步骤6）的进行熔制、晶化、退火具体为以下内容：
1）熔制，将中间材料D分3次加入到已经升温至1400℃的石英坩埚中，然后以10℃/min的升温速度升温至1700℃，形成液化配合料E保温3h；
2）晶化，形成液化配合料E以15℃/min的降温速度降至800℃，使得液化配合料E晶相发生晶化形成晶体F并保温3h；
3）退火，晶体F于700℃的温度下退火处理4h，使得晶体F内应力消除。
该实施例制备得到的高硼硅玻璃材料性能为：膨胀系数(3.1±0.1)×10-7 /℃，密度2.18±.02g/cm3 耐水性能1级，耐酸性能1级，耐碱性能A2级，软化点790±10℃。
为进一步验证高硼硅玻璃材料的性能，发明人做对比试验包括以下步骤：
1）按质量百分比取85%的工业废玻璃，0.5%的Al2O3进行研磨得到混合粉料A；
2）将10%的B2O2、1%的NaCl、1%的K2O进行研磨，得到混合粉料B；
3）将混合料A和混合料B加入酸溶液中，得到混合料C；
4）将混合料C进行烘烤，得到高硼硅主材料；
5）将高硼硅玻璃材料进行熔制、晶化、退火得到本发明所述高性能高硼硅玻璃材料。
将85%的工业废玻璃、0.5%的Al2O3需放入到聚氨酯球磨罐内进行研磨，保持时间为4h。
将10%的B2O2、1%的NaCl、1%的K2O需放入到聚氨酯球磨罐内进行研磨，保持时间为4h。
酸溶液由HF和HNO3按1:2的体积比混合得到。
混合料C需装入反应釜中静置1h后，将反应釜放入烘箱中于800℃烘烤2h。
将高硼硅玻璃材料进行熔制、晶化、退火具体为以下内容：
1）熔制，将配合料分3次加入到已经升温至1200°的石英坩埚中，然后以5℃/min的升温速度升温至1500℃，使得配合料呈液体保温2h；
2）晶化，配合料液体以5℃/min的降温速度降至600℃，使得配合料液体晶相发生晶化形成晶体并保温2h；
3）退火，晶体于550℃退火处理2h，使得晶体内应力消除。
该对比例制备得到的高硼硅玻璃材料性能为：膨胀系数(6.8±0.1)×10-7 /℃，密度1.21±.02g/cm3 耐水性能2级，耐酸性能2级，耐碱性能A3级，软化点650±10℃。
将按照上述步骤1）～7）制得的高硼硅玻璃材料材料混合料进行高硼硅管的熔制，设为对比例。试验结果见下表。
试验证明本发明实施例1～4和对比例1制得的高硼硅玻璃材料的理化性能相比，实施例具有较小的膨胀系数，不易于发生温度变化造成的热胀冷缩现象，且耐水，耐酸，耐碱性能指标都能够达到比较好的等级。而对比例1制得的高硼硅玻璃材料的膨胀系数较大，且软化点较低，使得管体容易发生变形，且耐水、耐酸、耐碱性能不如实施例1～4的管体。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应是为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高性能高硼硅玻璃材料的制备方法，其特征在于：高性能高硼硅玻璃材料的制备包括以下步骤：
1）按质量百分比取85～90%的碎玻璃，0.5～2%的Al2O3进行研磨得到混合粉料A；
2）将10～25%的B2O2、1～5%的NaCl、1～3%的K2O进行研磨，得到混合粉料B；
3）将混合料A和混合料B加入酸溶液中，得到混合料C；
4）将混合料C进行烘烤，得到多孔高硼硅主材料；
5）在多孔高硼硅主材料中添加改性碱金属氧化物，得到中间材料D；
6）将中间材料D依次进行熔制、晶化、退火得到本发明所述高性能高硼硅玻璃材料。
2.根据权利要求1所述的一种高性能高硼硅玻璃材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1）的研磨和所述步骤2）的研磨，均为放入聚氨酯球磨罐或坩埚内进行研磨，研磨后需保持的时间为4-6h。
3.根据权利要求1所述的一种高性能高硼硅玻璃材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中酸溶液由HF和HNO3按1:2～1:3的体积比混合得到。
4.根据权利要求1所述的一种高性能高硼硅玻璃材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，还需将所得混合料C装入反应釜中静置1-3h后，将混合料C随反应釜一并于800～1200℃的温度下烘烤2～3h。
5.根据权利要求4所述的一种高性能高硼硅玻璃材料的制备方法，其特征在于：所述混合料C制备过程中需要保持通入氮气。
6.据权利要求1所述的一种高性能高硼硅玻璃材料的制备方法，其特征在于：所述步骤5）中改性碱金属氧化物的获得方法如下：将总质量占比5～10%MgO、1～5%ZnO2、1～2%K2O均匀混合，一并于500～600℃的温度下烘烤2～3h。
7.根据权利要求1所述的一种高性能高硼硅玻璃材料的制备方法，其特征在于：所述步骤6）的熔制、晶化、退火具体为以下内容：
1）熔制，所述中间材料D分3次加入到已经升温至1200～1400°℃的石英坩埚中，然后以5～10℃/min的升温速度升温至1500～1700℃，形成液化配合料E保温2～3h；
2）晶化，所述液化配合料E以5～15℃/min的降温速度降至600～800℃，使得液化配合料E晶相发生晶化形成晶体F并保温2～3h；
3）退火，所述晶体F于550～700℃的温度下退火处理2～4h，使得晶体F内应力消除。
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