玻璃 (Glass)(一)

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撰文|臺北市立第一女子高級中學化學科 何鎮揚 老師

責任編輯|國立臺灣師範大學化學系 葉名倉 教授

來源:MotionElements

玻璃通常是以石英砂、純鹼、長石及石灰石為主要原料,在高溫爐內熔融,發生複雜的物理變化、化學反應後,形成無機氧化物的熔融混合物,如氧化矽、氧化鋁、氧化鉀/氧化鈉、氧化硼等,高溫熔化成氧化物的連續網絡結構,冷卻過程中黏度逐漸增大並硬化形成非結晶矽酸鹽類的無機非金屬材料,它們並沒有特有的固定的組成,非結晶性是其區別於陶瓷、水泥材料最顯著的結構特徵。

不同種類的玻璃,其化學成分各不相同,但含量最高的還是非晶二氧化矽,一般為50%~80%,在石英玻璃中更高達98%以上。SiO2在玻璃中構成骨架,賦予玻璃良好的化學穩定性、熱穩定性、透明性、較高的軟化溫度、硬度和機械強度。但含量增大時,熔融溫度升高,玻璃液黏度增大。SiO44-四面體結構為其基本構築單元。普通玻璃還含有氧化鉀/氧化鈉、氧化鈣等其他氧化物。

玻璃生產的主要原料分為玻璃形成體、玻璃調整物和玻璃中間體,其餘為輔助原料。主要原料指引入玻璃形成網絡的氧化物、中間體氧化物和網絡外氧化物;輔助原料包括澄清劑、助熔劑、乳濁劑、著色劑、脫色劑、氧化劑和還原劑等。

主要原料具體包括:(1) 富含SiO2的各種礦物(矽砂、岩砂等);(2) 用以引入Al2O3的長石、黏土等礦物;(3) 用以引入Na2O / K2O組分的純鹼、芒硝、鉀鹼等;(4) 用以引入B2O3組分的硼酸、硼砂及硼礦物;(5) 用以引入CaO、MgO的其他礦物等。

玻璃的熔製是一個非常複雜的過程,它包含一系列的物理過程(配合料加熱、配合料脫水、熔化、晶相轉變、揮發等)、化學過程(固相反應、化合物分解、矽酸鹽的形成等)和物理化學過程(共熔體的生成、固溶、液體間溶解、玻璃液與爐氣和氣泡間的作用、玻璃液與耐火材料間的作用等)。根據原料在過程中的不同變化可以將玻璃的熔製過程分為矽酸鹽形成、玻璃形成、玻璃液澄清、玻璃液均化和玻璃液冷卻等五個階段。

矽酸鹽的生成一般在熔製過程的初期加熱階段 (800~900 ℃) 進行。配合料人窯後,在高溫下迅速發生一系列的變化過程,包括脫水、鹽類分解、氣體逸出、多晶轉變、複鹽生成、矽酸鹽生成等,最終得到有矽酸鹽和剩餘二氧化矽組成的不透明燒結物。形成矽酸鹽的主要化學反應如下:

  • Na2CO3 + SiO2 → Na2SiO3 + CO2 (1500 ℃)
  • Na2SiO3 + xSiO2→(Na2O)(SiO2)(x+1) (Na2SO4)

脫色處理是玻璃生產中重要的一環,脫色主要是指減弱鐵化合物對玻璃著色的影響,以提高玻璃的透明度。在玻璃中,Fe2+使玻璃著成藍綠色,Fe3+使玻璃著成黃綠色。從可見光譜範圍內 (400~700 nm) 單位吸收指數看,Fe2+為0.079,Fe3+為0.007,FeO的著色能力要比Fe2O3高10倍左右。實際上,在玻璃中同時存在上述兩種氧化物,其著色強度與Fe2+ / Fe3+比值有關。根據脫色機制,鐵化合物的脫色可分為化學脫色和物理脫色兩類。

化學脫色劑–能在低溫或高溫下放出氧氣,使低價鐵氧化成高價鐵的物質。常用的化學脫色劑有硝酸鹽、軟錳礦、氧化鈰等。最常用的是硝酸鈉,但其分解溫度低 (380 ℃),大部分在玻璃形成前已逸出,影響了脫色效果。較合理的方法是同時引入硝酸鹽與As2O3。或Sb2O3,這樣低溫時硝酸鹽放出的氧可將它們氧化成As2O5或US”>Sb2O5,高溫時As2O5或Sb2O5將放出氧氣使FeO氧化成Fe2O3

物理脫色劑–化學脫色的作用是使有色離子的著色強度減弱,但不能使之消除。物理脫色則是基於引入適當的著色劑,來中和原來的色調。如鐵離子使玻璃呈黃綠色,當引入能產生藍紫色的氧化亞鈷、氧化亞鎳、氧化錳和氧化釹時,由於藍紫色與黃綠色互為補色,因此能起到明顯的脫色效果。物理脫色的缺點是光吸收增大,光的總透過率下降。因而,當玻璃中氧化鐵含量較低時(通常在0.06%~0.07%以下),物理脫色的效果較好。

 


✨延伸閱讀:《玻璃 (Glass)(二)

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