玻璃制造工藝發(fā)布時間：2008-4-1 點擊數(shù)：3627以酸性、堿金屬、堿土金屬氧化物為主要原料制成玻璃和玻璃制品。不同玻璃制品的制造方法各有其特點，但主要工藝是相似的（圖1）。    簡史 公元前2600年，巴比倫已有綠色玻璃棒。公元前2500年，美索不達米亞地區(qū)和埃及已能制造玻璃珠。最早的玻璃器物由玻璃塊鑿制而成。以后埃及人用粘土和砂做成一定形狀的砂芯,在砂芯上逐層蘸集玻璃液,經(jīng)過拍打塑形和用顏色玻璃條圍繞裝飾，固化后再將砂芯除去,制得玻璃器物。公元前1200年,埃及人采用開口模型將玻璃壓成碗、盤、杯等制品。中國古代玻璃制造技藝萌芽于西周。戰(zhàn)國時期出現(xiàn)含鉛和鋇硅酸鹽玻璃。漢代已有模壓、鑄壓的玻璃壁、珠等。公元前200年,巴比倫人首先使用吹玻璃的中空鐵管。用吹管吹制玻璃制品是玻璃制造中的一個突躍性進展。公元1世紀,羅馬人把各種顏色玻璃拉成棒，排列成捆燒熔，再切出具有一定圖案截面的玻璃薄片,在模具上將這些薄片加熱熔接,制出千花玻璃器。他們已掌握在玻璃表面刻磨、用顏色釉彩繪和在玻璃中夾金等技藝，并會在暗色玻璃上鑲套一層乳白玻璃，再磨去乳白玻璃，制出具有圖案的套料刻花、雕花玻璃瓶。7世紀，敘利亞人把玻璃吹成球,再用鐵頂桿蘸少量玻璃液粘住球底部，然后切斷吹管處玻璃，用頂桿將開口球在爐中加熱軟化，借快速旋轉的離心力將玻璃球展平成平片玻璃，稱冠冕法。1116世紀，威尼斯成為玻璃制造中心。當時用軟錳礦使玻璃顏色得到中和脫色制得無色透明的玻璃，并恢復了羅馬人的顏色釉彩繪、玻璃夾金、玻璃磨刻等裝飾方法。    1615年，英國用煤取代木柴作熔制玻璃的燃料，使熔化溫度有所提高。1635年又用燧石作原料并引入氧化鉛，制成折射率高、色散大、易于刻磨的鉛晶質玻璃。1688年，法國用澆注法制出平板玻璃，經(jīng)研磨拋光后用以制造鏡子。17世紀末,北歐用吹筒法代替吹圓球法,將圓筒沿長度剖開重新加熱，以自身重量在鐵臺上展平成片,其平整度大為改善，產(chǎn)量增大。1790年,瑞士人P.L.吉南發(fā)明用攪拌玻璃液的辦法制出高均勻度的光學玻璃。1821年，玻璃成型開始采用對開模具。1867年，德國人西門子兄弟建立燃煤蓄熱室連續(xù)式池窯，用于熔制玻璃，燃料消耗降低，玻璃生產(chǎn)量劇增。1880年，德國人O.肖特和E.阿貝研究玻璃組成與性質關系，擴大了玻璃成分的范圍。1882年，阿博加斯特發(fā)明玻璃空心制品成型的壓吹法。1885年，阿什利制成半自動制瓶機，并建立制瓶成型的吹吹法。19041905年，美國人M.J.歐文斯成功地制造了全自動制瓶機，采取吸料成型。1910年起開始發(fā)展滴料供料機。此后，采用供料機供料的各種自動成型機相繼出現(xiàn)并不斷發(fā)展，玻璃瓶罐開始大批量高速度連續(xù)生產(chǎn)。1912年，比利時人E.富爾科提出玻璃液通過槽子磚經(jīng)引上機拉制成平板玻璃工藝，1913年用于工業(yè)生產(chǎn)，開始大批量連續(xù)生產(chǎn)平板玻璃和窗片玻璃。1910年，美國人I.W.科爾伯恩研究平板玻璃的水平拉引法問世，1916年由利比歐文斯(Libbey Owens)公司成功地投產(chǎn)。1930年,美國匹茲堡玻璃公司(PPG)采用無槽引上法生產(chǎn)平板玻璃。1931年，生產(chǎn)連續(xù)玻璃纖維法問世。1959年，英國皮爾金頓(Pilkington)公司發(fā)明的平板玻璃浮法成型投入生產(chǎn)，玻璃液漂浮在熔融金屬(錫)表面，使成型質量大為提高。 原料 包括主要原料和輔助原料。前者指引入玻璃的形成網(wǎng)絡結構的氧化物、中間體氧化物和網(wǎng)絡外氧化物等原料；后者可以加速玻璃熔制，或使其獲得某種必要的性質。     主要原料 根據(jù)引入氧化物的性質，分為酸性氧化物原料、堿金屬氧化物原料和堿土金屬氧化物原料。 酸性氧化物原料:有SiO2、B2O3、Al2O3等的原料。SiO2是硅酸鹽玻璃中玻璃結構的骨架。它賦予玻璃高強度、良好的化學穩(wěn)定性、耐熱性和低膨脹性，但會使玻璃的熔融溫度增高，粘度增大。SiO2的引用原料是硅砂或砂巖、石英巖。玻璃中加B2O3，可降低玻璃的熱膨脹性,提高折射率、耐熱急變性和耐化學侵蝕性,在溫度較高時能降低玻璃粘度，溫度較低時提高玻璃粘度。B2O3的引用原料是硼砂或硼酸。玻璃中加 Al2O3能減小玻璃析晶傾向和增強化學穩(wěn)定性，提高強度，增大玻璃粘度。其引用原料通常是伴含K2O或Na2O和SiO2的長石,也可以用工業(yè)氧化鋁等。 堿金屬氧化物原料:有Na2O、K2O的原料。玻璃中加Na2O和K2O成分可降低熔融溫度，減小粘度,但會使玻璃的化學穩(wěn)定性變差。其引用原料是純堿(Na2CO3)和鉀堿(K2CO3)。 堿土金屬氧化物原料：有CaO、MgO、BaO、ZnO、PbO的原料。玻璃中加 CaO和MgO能減弱鈉硅玻璃析晶傾向，增強化學穩(wěn)定性，高溫時能降低玻璃粘度，促進玻璃熔化和澄清,但溫度降低時粘度增加很快,成型操作困難。其引用原料是石灰石(CaCO3)和菱苦土(MgCO3)，或用同時含CaO和MgO的白云石。玻璃中常加BaO和ZnO以調節(jié)玻璃的化學穩(wěn)定性和折射率等性質，其引用原料常為工業(yè)ZnO和BaCO3、BaSO4或 Ba(NO3)2。玻璃中加PbO可顯著提高折射率和色散，使玻璃吸收短波長射線，同時，比重增大，熔融溫度降低,與金屬浸潤性好。PbO的引用原料是紅丹和黃丹或工業(yè)硝酸鉛。 此外，碎玻璃也是一種主要原料，常稱為熟料，能夠在較低的溫度下熔融，有助于玻璃配合料的溶化。 輔助原料 一般包括澄清劑、著色劑、脫色劑、乳濁劑、助熔劑等。 澄清劑：在玻璃熔制時分解排放氣體，加速玻璃熔體排出氣泡。有白砒、氧化銻、硝酸鹽、銻酸鈉、芒硝等。 著色劑：使玻璃具有各種不同顏色，通常是過渡金屬Co、Ni、Mn、Cr、Cu、Fe的化合物,CdS、CdSe及Se、Au、Ag的化合物等。 脫色劑：脫色分化學脫色和物理脫色?；瘜W脫色是加入氧化劑，將帶色化合物氧化成無色或淺色。物理脫色是根據(jù)互補色原理，加入著色劑以抵消FeO、Fe2O3、Cr2O3、TiO2等雜質呈現(xiàn)的顏色。如氧化鐵使玻璃呈青綠色，通常加入硝酸鹽、氧化鈰將鐵氧化成高價后，著色力減弱。還可加入Se、Co、Ni、Mn的化合物產(chǎn)生紅紫色，與Fe化合物的青綠色互補成無色，但降低了光透過率。 乳濁劑：使玻璃冷卻時析出密布晶體，對光線產(chǎn)生散射而不透明。常用水晶石、氟硅酸鈉等氟化物和磷酸鈣等磷酸鹽。 生產(chǎn)過程 主要包括配合料制備、熔制、成型、退火和后加工等步驟。 配合料制備 首先對原料進行預加工，包括對塊狀原料的粉碎、潮濕原料的預干燥和含鐵原料的除鐵處理等。粉碎的顆粒度以0.250.5mm為宜,過粗的顆粒不易充分熔化,在玻璃中會形成殘留料粉結石或富硅節(jié)瘤;過細的顆粒容易飛揚或集聚成團。將具有一定顆粒度的原料按配方精確稱量，再用轉鼓式、槳葉式或盤式混合機進行混合。 熔制 將玻璃配合料進行高溫熔化、澄清，形成均勻的無氣泡、無結石的玻璃液。玻璃配合料的熔制溫度隨成分不同而異，通常為13001600。配合料在高溫下發(fā)生一系列物理化學反應，逐步熔融完全。隨溫度的升高,粘度顯著減小,其中夾雜的大量空氣和原料分解產(chǎn)生的氣體從熔融液中上升并逸出，使熔體變得清澄。在高溫排除氣泡的同時,玻璃液的化學組成也趨向均勻,必要時，加機械外力攪動。澄清和均化完成后，降溫使玻璃液均勻一致地達到適合成型要求的粘度。 熔制在玻璃熔窯中進行。大批量生產(chǎn)時在池窯中連續(xù)熔制。配合料在窯的一端加入，供成型的玻璃液在另一端排出。小量生產(chǎn)時在坩堝窯中間歇熔制。 成型 將玻璃液加工成固定幾何形狀的制品。玻璃降溫時由液態(tài)、可塑態(tài)至固態(tài)，將玻璃的供取料、賦形和定型的制作階段連接起來。人工挑料時，玻璃液粘度通常為102.2Pa·s；機械自動供料時為102103Pa·s,相當于玻璃液澄清時粘度的10100倍。玻璃液滴入模的適宜粘度通常為103.5Pa·s,脫模時粘度應為106Pa·s, 在這個可塑范圍內對玻璃料進行剪切、粘結、吹擴、壓延等成型操作。若制作時間較長，須調節(jié)玻璃成分使粘度轉變趨緩和析晶傾向小，以免在成型過程硬化太快和發(fā)生析晶。常用的玻璃成型方法有吹制法、壓制法、拉引法、澆注法、壓延法等。 吹制法：用以制造空心玻璃制品，如水杯、器皿、瓶、罐、燈泡等。人工吹制時使用長約1.5m中空鐵吹管，一端蘸取玻璃液（挑料），一端為吹嘴。挑料后在滾料板（碗）上滾勻、吹氣，形成玻璃料泡，在模中吹成制品；也可無模自由吹制，最后從吹管上敲落。大型制品成型時，需反復挑料滾勻，以集取足夠料量。機械吹制時，玻璃液由玻璃熔窯出口流出，經(jīng)供料機形成設定重量和形狀的料滴，剪入初型模中吹成或壓成初型，再轉入成型模中吹成制品。吹成初型再吹成制品的稱吹吹法，適宜制成小口器皿和瓶罐。壓成初型再吹成制品的稱壓吹法，適宜制成大口器皿和薄壁瓶罐。     康寧帶式吹泡機是機械吹制中較為特殊的一類。它先將玻璃液經(jīng)轉輥壓成有間隔塊體的帶狀，吹泡機的多個吹氣頭在玻璃料帶上同步運行并吹成初型，再合上成型模吹成制品。適宜制造燈泡殼、電子管殼、水杯等。 壓制法:用以制造敞口和實心制品,如碗、盤、缸、鏡片、顯像屏和錐、磚等。人工壓制以鐵桿取料，按設定量剪落入模，模芯（沖頭）壓下將玻璃液擠滿模腔壓成制品。機械壓制采用和吹制法相同的供料方法將玻璃液剪入多模壓制機的模中,自動落下模芯成型。壓制法成型的玻璃液表層因接觸模和模芯，降溫很快，適于制造較厚和較淺的制品。    拉引法：用以制造玻璃管、棒、纖維以及窗片與平板等。人工拉管時用鐵管反復挑料，集起大量玻璃液滾勻后形成料泡，料泡頂端用另一鐵桿取料粘住、吹氣，以一定速度慢慢拉開。機械拉引分上引、下引和水平拉引。機械拉制玻璃管時，首先，玻璃液流入拉管池，依靠耐熱合金或耐火材料的芯軸和軸中心通入的空氣形成管根,由牽引輥連續(xù)拉成管。連續(xù)纖維的拉引方法是在拉絲坩堝中控制玻璃液溫度，坩堝底部有100多個漏嘴,高速旋轉的拉絲機構拉出連續(xù)不斷的纖維，繞在筒上。機械引板的方法是在通道成型室以玻璃液面拉引起玻璃板。玻璃液面設槽子磚的稱有槽引上法，玻璃液從磚槽中涌出；自由液面向上拉引和經(jīng)轉向輥成為水平拉引出分別稱無槽引上法和水平拉引法。浮法拉引則是玻璃液通過溢流口經(jīng)流槽流到高溫錫液表面展開成玻璃板，同時向槽尾部拉引，在錫液面上玻璃板藉高溫表面張力自身平整光潔。     澆注法：用以生產(chǎn)光學玻璃、建筑裝飾制品等。其中離心澆注法用以生產(chǎn)大直徑玻璃管、器皿、大容量反應鍋和玻璃錐等。用于澆注的玻璃液粘度要小，在模子中凝固成型。離心澆注時，玻璃液注入模中，然后高速旋轉，玻璃液受離心力作用緊貼到模子壁上，直到固化。     壓延法：用以制造厚玻璃板、壓花平板玻璃、夾絲平板玻璃?？蓪⒉Ａб簝A倒在金屬平臺上，用壓輥延展成板，也可將玻璃液連續(xù)流入兩個滾筒間隙中滾壓成平板。滾筒上刻有花紋即成壓花平板。滾筒間夾入金屬絲便成夾絲玻璃。     退火 目的是消除玻璃制品中永久應力和結構不平衡性。玻璃是不良導熱體，制品成型后，表層與內層在降溫過程中產(chǎn)生溫差,當表層凝固狀、內層粘滯狀時,溫差存在而應力松弛不存在，這一溫差于表層冷卻至室溫時，內層繼續(xù)降溫收縮,受到表層阻礙產(chǎn)生張應力,同時使表層產(chǎn)生壓應力，永久存在。制品各部位由于熱過程引起的永久應力的大小和分布都不會均勻一致,因此,會影響玻璃制品強度，甚至會因應力集中而自行破裂。退火可消除玻璃內部的有害張力和防止新應力產(chǎn)生。退火時將玻璃制品加熱或在熱成型后保持到退火溫度，使原有應力得到松弛和消除，然后緩慢地冷卻到應變溫度以下，玻璃完全進入剛性體狀態(tài)以后，內外層溫度差只產(chǎn)生暫時應力。由于某些性能和功能的玻璃（如光學玻璃、溫度計玻璃）在轉變溫度范圍內，巨大粘滯性使結構質點移動緩慢，致使其性能來不及達到與溫度一致的平衡狀態(tài)，使用中會因緩慢平衡產(chǎn)生性能變動，因此，須在退火溫度保持足夠時間。 與退火消除永久熱應力相反，玻璃的淬火，是通過熱處理在玻璃表面造成壓應力以提高玻璃的強度。玻璃制品加熱到接近軟化溫度后立即用空氣或油等冷卻介質驟冷，可以有控制地使玻璃制品的表層產(chǎn)生具有均勻的永久壓應力，這一壓應力可以抵消外力作用于玻璃制品引起破壞的張應力，使制品強度提高45倍，成為鋼化玻璃制品。 后加工 玻璃經(jīng)成型和退火后，還需進行各種加工，制成制品。玻璃的后加工分為冷加工、熱加工和化學處理3大類。冷加工包括研磨拋光、切割、噴砂、鉆孔。熱加工包括燒口、火拋光、火切割、火鉆孔、真空成型和玻璃燈工,此外還包括燒釉等裝飾，以及通過熱處理,使玻璃微晶化、燒結，產(chǎn)生結構的轉變?；瘜W處理包括化學蝕刻、化學拋光、玻璃表面涂膜、離子交換等。 研磨拋光：研磨是將制品粗糙不平或成型時余留部分的玻璃磨去，使制品具有平整的表面或需要的形狀和尺寸。一般開始用研磨效率高的粗磨料研磨，然后逐級使用細磨料，直至玻璃表面較細致，再用拋光材料進行拋光，使玻璃表面變得光滑、透明、有光澤。磨料的硬度必須大于玻璃的硬度。光學玻璃和日用制品一般加工余量大,用剛玉或天然金剛砂作磨料;平板玻璃的加工余量小，但面積大,用量多,一般采用廉價的石英砂。常用的拋光材料有紅粉（氧化鐵）、氧化鈰、氧化鉻、氧化鋯等?；饞伖馐遣捎米钌佥椛錈岬娜紵鳎怪破繁砻嫒刍蛔冃谓璞砻鎻埩ψ饔檬怪饣?，以消除制品表面的微裂紋、折紋及波紋?；瘜W拋光是利用氫氟酸破壞玻璃表面原有的硅氧膜，生成一層新的硅氧膜，使玻璃得到很高的光潔度和透光度。可單純用化學侵蝕進行拋光，也可將化學侵蝕與機械研磨相結合，后者又稱化學研磨法，多用于平板玻璃。 切割:冷切割是利用玻璃的脆性和殘余應力,在切割點加一刻痕造成應力集中，使之易于折斷。一般的管、板可用金剛石、合金刀等堅韌的工具在表面刻痕，直接折斷，或刻痕后用火焰加熱進行切割。厚玻璃可用電熱絲在切割的部位加熱，用水或冷空氣使受熱處急冷，產(chǎn)生局部應力，進行切割?；鹎懈钍菍χ破愤M行局部集中加熱，使玻璃局部達到熔化流動狀態(tài)，用高速氣流將制品切開。由于激光能使物體局部產(chǎn)生 10000以上高溫，用于切割制品，準確、衛(wèi)生、效率高、斷口整齊。 噴砂：利用高壓空氣通過噴嘴的細孔時所形成的高速氣流，將石英砂或金剛砂等噴吹到玻璃表面，使玻璃表面的組織不斷受到砂粒的沖擊破壞，形成毛面。主要用于器皿的表面磨砂和玻璃儀器商標的打印。 鉆孔：有研磨鉆孔、鉆床鉆孔、沖擊鉆孔、超聲波鉆孔、火鉆孔等。研磨鉆孔是用銅棒壓在敷有碳化硅等磨料和水的玻璃上轉動，使玻璃形成所需要的孔。鉆床加工是用合金鉆頭在水、輕油的冷卻下緩慢鉆孔的技術。沖擊鉆孔是利用電磁振蕩器使鉆孔鑿子連續(xù)沖擊玻璃表面而形成孔。超聲波鉆孔是利用超聲波發(fā)生器使加工工具發(fā)生振動，在振動工具和玻璃液之間注入含有磨料的加工液，使玻璃穿孔?；疸@孔是用高速火焰對制品進行局部集中加熱，達熔融狀態(tài)時，噴高速氣流形成孔洞。也可用激光使制品局部劇熱形成孔洞。 燒口：許多制品經(jīng)切割后，口部具有尖銳、鋒利的邊緣，可用集中的高溫火焰局部加熱，依靠表面張力的作用使玻璃軟化時變得圓滑。 真空成型：用于制造精密內徑玻璃管。把需校正管徑的玻璃管一端熔封，在管內放入標準金屬管，緩慢加熱,同時抽真空,直至玻璃管與金屬芯棒緊密貼附。由于金屬收縮大，冷卻后易取出。 燒釉：將以易熔玻璃為基釉的釉料通過描繪、印刷、貼花紙或噴涂等工藝施于玻璃制品表面。在制品軟化溫度以下加熱至釉料熔融，并牢固地附著在制品表面，可得到彩色釉、白色釉、透明色釉、無光釉等裝飾制品。 結構轉變熱處理：將玻璃磨碎成一定顆粒度，加入結合劑壓成需要的形狀和大小，加熱至玻璃軟化點溫度后，形成有細氣孔的制品，可用作濾器和電子元件等。配料中加入發(fā)泡劑可以制造燒結的泡沫玻璃。對某些設定成分的玻璃，還可通過熱處理使其發(fā)生相的變化，以獲得預期的特性。如微晶玻璃成型后經(jīng)熱處理產(chǎn)生微晶相，成為微晶玻璃制品；高硼硅酸鹽玻璃經(jīng)熱處理產(chǎn)生富硅相和富硼相，用酸溶去富硼相后形成高硅氧玻璃。 化學蝕刻：用氫氟酸溶掉玻璃表面層的硅氧，根據(jù)殘留鹽類的溶解度不同，可得到有光澤的表面或無光澤的毛面。容量儀器和溫度計的刻度以及特色瓶罐、毛面燈泡等均可用此法加工。 表面涂膜：利用化學反應可以將硝酸銀還原成銀層附著在玻璃表面，如保溫瓶、鏡子等。用同樣的方法還可鍍銅。真空蒸鍍金屬鋁、鉻、錫等于玻璃表面可以反射光線和導電。將金屬有機物或氧化物噴于熱的玻璃制品表面，可以產(chǎn)生虹彩效果的裝飾膜。 離子交換：使玻璃制品與一定溫度下的無機鹽接觸,進行離子的相互置換和擴散,從而獲得特殊性質。如熔鹽大離子半徑的鉀離子與玻璃中鈉離子交換，使玻璃表層因擠壓效應產(chǎn)生了壓應力,形成化學鋼化玻璃;熔鹽鋰離子與玻璃中的鈉離子交換，形成表層適合微晶化的玻璃成分;銀鹽或銅鹽在一定溫度下擴散進入玻璃,使玻璃著色。