玻璃是一種具有各種優良性能和易加工的材料，是將原料加熱熔融，冷卻凝固所得的非晶態無機材料。由于玻璃的非晶態結構，其物理性質和力學性質等是各向同性的?，F如今，玻璃被廣泛應用于各個領域，常見的玻璃包括建筑玻璃、日用玻璃、光學玻璃、電真空玻璃、藥用玻璃、儀器玻璃、激光玻璃等等。

圖1 各類玻璃制品

1. 玻璃的定義及其基本性質

1.1 玻璃的定義

一般定義：經熔融冷卻基本上不結晶的無機固體物質；

科學定義：具有玻璃轉變現象的非晶態物質；其原子排列具有無規則的網絡結構，在x射線衍射中表現為非晶態：介穩狀態；具有玻璃轉變現象：無固定熔點。

1.2 玻璃的基本性質

(1) 強度

玻璃的強度取決于其化學組成、雜質含量及分布、制品的形狀、表面狀態和性質、加工方法等。玻璃是一種脆性材料，其強度一般用抗壓，抗張強度等來表示。玻璃的抗張強度較低，由于玻璃的脆性和玻璃表面的瑚裂紋所引起的。玻璃的抗壓強度約為抗張強度的14-15倍。

(2) 硬度

玻璃的硬度較大，硬度僅次于金剛石、炭化硅等材料，它比一般金屬硬，不能用普通刀和鋸進行切割；玻璃的硬度值在莫氏硬度5-7之間。

(3) 光學性質

玻璃是一種高度透明的物質，具有一定的光學常數、光譜特性，具有吸收或透過紫外線和紅外線、感光、光變色、光儲存和顯示等重要光學性能。

(4) 電學性能

常溫下玻璃是電的不良導體。溫度升高時，玻璃的導電性迅速提高，熔融狀態時則變為良導體。

(5) 熱性質

玻璃的導熱性很差，一般經受不了溫度的急劇變化。制品越厚，承受溫度急劇變化的能力越差。

(6) 化學穩定性

玻璃的化學性質較穩定。大多數工業用玻璃都能抵抗除氫氟酸以外酸的腐蝕，玻璃耐堿腐蝕性較差，玻璃長期在大氣和雨水的侵蝕下，會失去表面光澤，尤其是一些光學玻璃儀器易受周圍介質（如潮濕空氣）等作用，表面形成白色斑點或霧膜，破壞玻璃的透光性，所以在使用和保存中應加以注意。

2. 制備玻璃所需的原料及加工

2.1 原料的選擇原則

(1) 原料的質量應符合玻璃制品的技術要求，其中包括化學成分穩定、含水量穩定、顆粒組成穩定、有害雜質少（主要指Fe₂O₃）等；

(2) 便于在日常生產中調整成分；

(3) 適于熔化與澄清，揮發與分解的氣體無毒性；

(4) 對耐火材料的侵蝕要?。?/span>

(5) 原料應易加工、礦藏量大、分布廣、運輸方便、價格低等。

2.2 原料的種類

主要原料：在一般玻璃中，它的主要成分有SiO₂、Na₂O、CaO、Al₂O₃、MgO等五種成分，為引入上述成分而使用的原料稱主要原料。

輔助原料：為使玻璃獲得某種必要的性質，或為加速玻璃熔制過程而引入的原料通稱為輔助原料。

(1) 引人SiO₂的原料

SiO₂的作用：SiO₂是玻璃中最主要的成分，它使玻璃具有高的化學穩定性、力學性能、電學性能、熱學性能，但含量過多時使熔制的玻璃液粘度過大。

能引人SiO₂的原料主要是硅砂和砂巖。

硅砂的主要成分是SiO₂，另含有少量的Al₂O₃、Na₂O、K₂O、CaO等無害雜質。質地純凈的硅砂為白色，一般硅砂因含有鐵的氧化物（有害雜質，它能使玻璃著成藍綠色而影響玻璃透明度）和有機質而呈淡黃色、紅褐色。

圖2 純凈硅砂和常見硅砂

砂巖是由石英顆粒和粘性物質在地質高壓下膠結而成的堅實致密的巖石。根據粘性物質的性質可分為粘土質砂巖、長石質砂巖和鈣質砂巖。所以砂巖成分不僅取決于石英顆粒，而且與粘性物質的種類和含量有關。砂巖中的有害雜質是氧化鐵。

圖3 常見的砂巖

(2) 引人Al₂O₃的原料

Al₂O₃的作用：降低玻璃的析晶傾向，提高化學穩定性、熱穩定性、機械強度、硬度和折射率，減弱玻璃的脆性，減輕玻璃液對耐火材料的侵蝕，有助于氟化物的浮濁。

能引人Al₂O₃的原料主要是長石、高嶺土和臘石。長石的質量要求是：A1₂O₃＞16％；Fe₂O₃＜0.3％；R₂O＞12％。高嶺土的質量要求是：A1₂O₃＞25％；Fe₂O₃＜O.4％。

圖4 長石、高嶺土及臘石

(3) 引人Na₂O的原料

Na₂O的作用：提供游離氧，從而降低玻璃粘度，使玻璃易于熔融，是良好的助溶劑。Na₂O可增加玻璃的熱膨脹系數，降低熱穩定性、化學穩定性和機械強度。

能引人Na₂O的原料主要是純堿和芒硝(Na₂SO₄)。

純堿是微細白色粉末，易溶于水，它是一種含雜質少的工業產品，主要雜質有NaCl(不大于1％)。純堿易潮解、結塊，它的水含量通常波動在9％～10％之間，應儲存在通風干燥的庫房內。純堿的質量要求：Na₂CO₃＞98％；NaCl＜1％；Na₂SO₄＜0.1％；Fe₂O₃＜O.1％。芒硝有無水芒硝和含水芒硝(Na₂SO₄·10H₂O)兩類。使用芒硝不僅可以代堿，而且又是常用的澄清劑，為降低芒硝的分解溫度常加入還原劑(主要為碳粉、煤粉等)。使用芒硝的缺點是熱耗大、對耐火材料的侵蝕大、易產生芒硝泡，當還原劑使用過多時，Fe₂O₃還原成FeS而使玻璃著成棕色。芒硝的質量要求是：Na₂SO₄＞85％；NaCl＜2％； CaSO₄＜4％；Fe₂O₃＜O.3％；H₂O＜5％。

圖5 純堿及芒硝

(4) 引人CaO的原料

能引人CaO的原料主要是石灰石、方解石。兩原料均為CaCO₃，后者的純度比前者高。對含鈣原料的質量要求是：CaO≥50％；Fe₂O₃＜0.15％。

圖6 石灰石及方解石

(5) 引人MgO的原料

能引人MgO的原料主要是白云石(MgCO₃·CaCO₃)，呈藍白色、淺灰色、黑灰色。質量要求：MgO≥20％；CaO≤32％；Fe₂O₃＜0.15％。通常采用石灰石和白云石共同引入MgO和CaO。

(6) 澄清劑、著色劑、脫色劑及其他

澄清劑主要有氧化砷、氧化銻、硫酸鈉、螢石等。

著色劑主要有離子著色劑（錳化合物、鈷化合物、鉻化合物、銅化合物等）、膠體著色劑（金化合物、銀化合物等）、化合物著色劑（硒與硫化鎘等）。

脫色劑按脫色機理可分為化學脫色劑（As₂O₃、Sb₂O₃、Na₂S、硝酸鹽等）和物理脫色劑（Se、MnO₂、NiO、Co₂O₃等）兩類。

此外，還有氧化劑、還原劑、乳濁劑等。

2.3 原料的加工

原料的加工主要包括：原料的破碎與粉碎、原料的篩分及原料的配合。

常見的破碎粉碎設備主要包括：顎式破碎機、反擊式破碎機、對輥粉碎機及錘式破碎機等。

圖7 常見的破碎粉碎設備

原料篩分的作用是控制物料粒度，常見的原料篩分設備有六角篩、機械振動篩和平面搖篩等。

圖8 常見的原料篩分設備

原料的配合一般質量要求為：正確性、穩定性、均勻性、恰當的顆粒度與顆粒組成、一定的氣體含率、一定的水分含率。稱量過程要快要準，隨后是混合，混合的機理包括對流混合、擴散混合、剪切混合，混合設備主要分為重力混合機和強制混合機。

圖9 常見的混合設備

3. 玻璃的熔制及玻璃熔窯

3.1 玻璃的熔制

玻璃的熔制一般包括五個過程，分別為：硅酸鹽的形成、玻璃的形成、澄清、玻璃液的均化及冷卻。

(1) 硅酸鹽的形成

這個階段的作用是形成硅酸鹽；產物為SiO₂和硅酸鹽形成的不透明燒結物；特點是溫度—900℃左右；速度—快。

(2) 玻璃的形成

玻璃的形成機理是砂粒表面SiO₂斷鍵、溶解，溶解的SiO₂向熔體擴散。

這個階段的作用是生成含氣泡、不均勻的玻璃液；特點是溫度—1200℃左右；速度—較快（在熔窯中幾十分鐘可以完成）。

(3) 澄清

澄清的概念是除去玻璃液中可見氣泡的過程。

氣體來源主要有：配合料料?？障?/span>、配合料水分分解與蒸發、揮發分的揮發、氧化物的氧化還原、耐火材料的孔隙及被侵蝕分解、窯爐氣體的孔隙及被侵蝕分解。

澄清的兩種方法：氣泡長大；氣泡變小、溶解。

(4) 玻璃液的均化

玻璃液形成過程中產生不均質體的原因主要包括：配合料的不均勻性、耐火材料被侵蝕、熔化制度不穩定、玻璃液導熱性差、熔窯的加熱和冷卻。

均化過程可以分為三種：

a. 不均質體擴散：從高濃度到低濃度；

b. 玻璃液對流均化：縱向、橫向、深向；

c. 因氣泡上升而引起的攪拌均化作用。

(5) 冷卻

冷卻的要求為適合成型的溫度、不破壞玻璃液的均勻性、不產生二次氣泡。

3.2 玻璃熔窯

玻璃熔窯的作用：把合格的配合料熔制成無氣泡、條紋、析晶的透明玻璃液，并使其冷卻到所需的成型溫度。

玻璃熔窯的分類：

圖10 玻璃熔窯的分類

4. 玻璃的成型

玻璃的成型方法分類：

圖11 玻璃的成型方法

由于篇幅限制，我們只介紹一下浮法成型。

浮法成型的成型過程為：1150℃左右的玻璃液，通過熔窯與錫槽相連接的流道、流槽，流入熔融的錫液面上，在自身重力、表面張力以及拉引力的作用下，玻璃液攤開成為玻璃帶，在錫槽中完成拋光與拉薄，在錫槽末端的玻璃帶已冷卻到600℃左右，輥道的拉引把即將硬化的玻璃帶引出錫槽，通過過渡輥臺進入退火窯。

圖12 浮法成型示意圖

浮法成型的特點是：成型時不需克服玻璃自身的重力、可以充分發揮玻璃表面張力的作用、玻璃帶橫向溫度均勻、可以比較容易地生產特薄和特厚的玻璃、成型過程中溫度降落慢、拉引速度快、避免了玻璃結晶缺陷、作業周期長、板寬加大比較容易、可以在線生產鍍膜玻璃、容易實現切裝機械化自動化、可以比較容易地生產特大片玻璃。

浮法成型易形成的幾種缺陷包括：彩虹、沾錫、斑點、小波紋。

5. 玻璃的退火工藝

玻璃的退火是指將玻璃制品重新加熱退火消除或減小永久應力的過程。其過程可分為加熱階段、保溫階段、慢冷階段、快冷階段四個階段。

退火溫度：為了消除玻璃中的永久應力，必須把玻璃加熱到低于玻璃轉變溫度Tg附近某一溫度進行保溫均熱，以消除玻璃各部分的溫度梯度，使應力松弛，這個選定的保溫均熱溫度稱玻璃的退火溫度。

退火下限溫度和退火上限溫度：經過3min能消除95％的應力的保溫溫度為退火上限溫度；經3min只能消除5％的應力的溫度為退火下限溫度。

退火溫度范圍：退火下限溫度~退火上限溫度。

不同玻璃退火上限：大部分器皿玻璃—550±20℃，平板玻璃—550～570℃，瓶罐玻璃—550～600℃ 

筱筠 整理

參考資料來源《玻璃工藝學》及網絡