浅谈氧化硼在硅酸盐玻璃中的研究

【摘 要】改革开放以来，我国建筑行业发展迅速，建筑材料的市场需求量也大大增加，其中，硼硅酸盐玻璃是应用比较广泛的一种材料之一。市场发展前景巨大。本文作者结合自己多年的工作经验和课本知识，并查阅相关资料，介绍了硼硅酸盐玻璃和氧化硼的相关知识；介绍了本文研究目的，并对硼硅酸盐玻璃中的氧化硼进行分析，提出了自己的一套研究措施，并给与了分析。以供读者参考。

【关键词】硼硅酸盐玻璃；氧化硼；研究目的；研究措施；温度及压力影响

1 硅酸盐玻璃介绍

主要成分为碱硼硅酸盐玻璃以及不含碱低硅硼酸盐玻璃的玻璃，是无机非金属材料的主要分支之一。本文的硅酸盐玻璃主要是指低碱硼硅酸盐玻璃。

硼硅酸盐玻璃按其成成分可以分为以下几种：碱土硼硅酸盐玻璃、镧硼硅酸盐玻璃、稀土掺杂硼硅酸盐玻璃、低碱硼硅酸盐玻璃。

其中低碱硼硅酸盐玻璃是指含R2O低、SiO2高的玻璃，线膨胀系数小、色散小、化学稳定性好、热稳定性高、电绝缘性好，用作以前玻璃（如Pyrex）、耐热炊具、安瓿玻璃、中性玻璃、电真空玻璃、光学玻璃、LCD基片、太阳能电池板和集热器。

2 氧化硼介绍

2.1 定义

氧化硼，是硼最主要的氧化物。它是一种无色玻璃状固体，一般以无定形的状态存在，很难形成晶体，但在高强度退火后也能结晶。它是已知的最难结晶的物质之一。

2.2 性质

无色玻璃状晶体或粉末。常压法与减压法（真空法）制得的产物外观不同，前者为坚韧的固体，后者为多孔疏散性固体。表面有滑腻感，无味。相对密度 2.460g/cm （液态） 2.55g/cm （三方） 3.11～3.146g/cm （单斜），对热稳定，白热时也不被碳还原，但碱金属以及镁、铝皆能使之还原成单质硼。加热至600℃时，可变成黏性很大的液体。在空气中可强烈地吸水，生成硼酸。可与若干种金属氧化物化合而形成具有特征颜色的硼玻璃，能与碱金属、铜、银、铝、砷、锑、铋的氧化物完全混溶。

2.3 作用

形成玻璃网络结构的一种物质。添加到石英玻璃的网络结构中，能减小黏度而对热膨胀和化学耐久性无任何负面影响。是耐热玻璃和化学玻璃器皿的成分之一。

3 本文研究目的

本文作者借助相关技术对硼硅酸盐玻璃中的氧化硼进行分析，分析氧化硼的挥发性能，以及对硼硅酸盐玻璃的影响。

4 具体措施

4.1 测定所需的化学试剂

测定氧化硼时，需要用刀配合料来测定，配合料的化学组成为：SiO2为78.50%，Al2O3为2.38%，氧化硼为12.67%，CaO为0.40%，K2O为0.50%，Na2O为5.55%，外加0.30% NaCl作为澄清剂。配合好后，将配合料混匀，用天平秤出30g，通过预处理后放入到50ml的玉坩埚里，再将坩埚敞口放入高温炉中进行加热，加热升温原则为：10℃/min；将配合料在常压下经不同的热处理后取出，在空气中快速冷却后研成粉末，通过酸碱滴定测氧化硼含量。

4.2 氧化硼含量的测定

本次是根据规范《GB/T1549—1994钠钙硅铝硼玻璃化学成分分析方法》来测定氧化硼。通过分析天平秤取氧化硼粉末0.5g，精确到0.0001g，放入镍坩埚中。加入氢氧化钠固体粉末4g，盖上坩埚盖，放在电炉上加热，待这2种粉末熔化后，摇动坩埚，再熔融20分钟，旋转坩埚，使熔融物均匀地附着于坩埚内壁，冷却。用热水浸取熔块于250mL烧杯中，滴加1∶1的盐酸中和，加入2滴甲基红指示剂，继续滴加盐酸至溶液呈红色，再过量2滴。缓慢加入碳酸钙固体粉末至红色消失，加盖表面皿，置低温电炉上微沸10分钟。趁热过滤，用热水洗涤烧杯及沉淀10次，将滤液及洗液承接于250mL烧杯中。

将盐酸滴入其中，至滤液成红色，将滤液在电炉上加热沸腾，将滤液浓缩到100ml，取下，迅速冷却。用氢氧化钠标准滴定溶液中和至溶液刚变黄色（不记读数）。加入约1g甘露醇，10滴酚酞指示剂，用0.15mol/L的氢氧化钠标准滴定溶液滴定至溶液呈微红色，再加1g甘露醇，若红色消失，继续用氢氧化钠标准滴定溶液滴定，如此反复，直至加入甘露醇后试液红色不消失为终点。氧化硼的百分含量（X）按式（1）计算

X=V ×c×3.481m

（1）式中，V为消耗氢氧化钠标准滴定溶液的体积，mL；c为氢氧化钠标准滴定溶液的实际浓度，mol/L；m为试料的质量，g；0.03481为与1.00ml氢氧化钠标准滴定溶液（c（NaOH）=1.000mol/L）相当的以g表示的氧化硼的质量。

4.3 保温时间对氧化硼挥发的影响

选取5份相同的配合料粉末于敞口坩埚中，同时置于高温炉中，待温度升到1000℃后分别保温1h、2h、4h、6h、8h后取出，测氧化硼含量。

4.4 配合料预处理压力对氧化硼挥发的影响

选取6份相同的配合料粉末分别在15MPa、20MPa、25MPa、30MPa、35MPa、40MPa压力下干压成45mm×25mm×8mm的块，置于敞口坩埚中，放入高温炉中，待温度升到1000℃时保温4h后取出，测氧化硼含量。

5 研究结果

5.1 保温时间对氧化硼挥发的影响结果

在温度1000℃时4h以前氧化硼的挥况。氧化硼在熔化过程中的挥发量是很大的，随着保温时间的加长，挥发量也会增加。特别是在前面几个小时里，氧化硼的挥发速度很快，保温1h时挥发率为4.50%，保温2h 时挥发率达到8.91%，保温4h挥发率达到12.00%，挥发速度明显是上升。但在4～8h内，挥发率继续增大，为12.78%，但速度降低了。但挥发量继续上升。因此，在玻璃熔制时，要注意熔制时间，避免玻璃内的氧化硼过分挥发而影响玻璃质量。

5.2 配合料预处理压力对氧化硼挥发的影响结果

在压力15-40MPa时氧化硼挥况。首先，在在压力在15～30MPa之间时，随着压力的增大，氧化硼挥发量和挥发率的递减趋势比较明显，在30～40MPa之间随着压力的增大，氧化硼挥发趋于平缓。这一结果似乎与文献得到的结论正好相反。从文献可以看出，文献的作者配合料在一起熔制时，形成的空隙增加了氧化硼的挥发，空隙提供了挥发通道，增加了氧化硼挥发的增加速度。由此可以得出，氧化硼挥发速度与配合料熔制时压制的压力有关。压力越大，氧化硼挥发越慢，压力越小，氧化硼挥发越看。且氧化硼的挥发是配合料表面的氧化硼先挥发，进入到炉气中而损失，配合料内的氧化硼是通过扩散作用达到表面，然后再挥发。对于单块的配合料来说，配合料的压制越松，氧化硼的扩散速度就越看，挥发就越快。压制越紧，扩散越慢，挥发也就越慢。从实验结果分析，当压力大于30MPa时，配合料的压制密度基本变不了多少，氧化硼的挥发速度也降低了很多，增大压力，不仅增加生产成本，也对氧化硼的挥发没有什么效果。因此，我们在生产过程中，选择30MPa的压力进行生产。这个时候的压力是最为适宜的。

6 结论

在制作硼硅酸盐玻璃时，要充分考虑温度、配合料预处理压力对氧化硼挥发的影响。如处理不当，会影响氧化硼的挥发，严重影响硼硅酸盐玻璃的质量，导致最后建筑工程材料的不合格，给施工方和买主都带来严重的经济损失。

参考文献：

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