一种制备硅灰石微晶玻璃的方法

摘要

一种制备硅灰石微晶玻璃的方法，将CaCO3、SiO2、Na2O、B2O3、ZnO、Al2O3、MgO、K2O、P2O5混合均匀，得到混合料，用无水乙醇将混合料调制成浆料，浆料经球磨混合均匀后烘干；然后在高温下熔制成澄清玻璃液，并将玻璃液浇入冷水中淬冷，得到玻璃碎块；烘干后破碎球磨，得到玻璃粉体；将玻璃粉体压制成型后置于直流高压电场下烧结，得到硅灰石微晶玻璃。本发明通过高压电场促进烧结过程中晶粒的长大，使微晶玻璃能够析出数量较多、尺寸较大的晶体，使得硅灰石微晶玻璃的样品形成晶花外观，并由于晶体和玻璃基底折射率的不同，形成闪亮发光的视觉效果，极大的提升硅灰石微晶玻璃产品外观。

权利要求

1.一种制备硅灰石微晶玻璃的方法，其特征在于，将CaCO3、SiO2、Na2O、B2O3、ZnO、Al2O3、MgO、K2O、P2O5混合均匀，得到混合料，用无水乙醇将混合料调制成浆料，浆料经球磨混合均匀后烘干；然后在高温下熔制成澄清玻璃液，并将玻璃液浇入冷水中淬冷，得到玻璃碎块；

烘干后破碎球磨，得到粒度D50＝12～33μ m的玻璃粉体；将玻璃粉体压制成型后置于直流高压电场下烧结，得到硅灰石微晶玻璃；其中，熔制的温度为1420～1520℃，熔制的时间为3～

4h；烧结过程分为两个阶段，第一阶段在840～880℃下保温1.5～3h；第二阶段置于直流高压电场下，在840～880℃下保温2.5～4h；高压电场辅助烧结装置包括上白金电极(4)、下白金电极(7)、马弗炉(1)、绝缘垫片(2)以及直流高压电源(5)，测试时，将硅灰石待烧结样品(6)放置在上白金电极(4)与下白金电极(7)之间，在上白金电极(4)和硅灰石待烧结样品(6)之间，下白金电极(7)与马弗炉(1)的炉膛之间均垫上绝缘垫片(2)，上白金电极(4)通过白金导线(3)与高压直流电源(5)正极相连，下白金电极(7)通过到白金导线(3)与高压直流电源(5)负极相连，上白金电极(4)和下白金电极(7)之间形成电场；

其中，混合料按质量百分比计，包括CaCO3 26～38％，SiO2 49～54％，Na2O、B2O3、ZnO、Al2O3、MgO、K2O以及P2O5的总和为13～25％；

无水乙醇与混合料的质量比为2.55～2.8：1；

直流高压电场强度为1600～2400V/cm。

2.根据权利要求1所述的一种制备硅灰石微晶玻璃的方法，其特征在于，由室温以10℃/min的速率升温至840～880℃，由840～880℃以20℃/min的速率升温至985～1080℃。

说明书

一种制备硅灰石微晶玻璃的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种微晶玻璃制备工艺，具体涉及一种制备硅灰石微晶玻璃的方法。

背景技术

[0002] 硅灰石微晶玻璃是一种取代天然石材的新型建筑装饰材料，与普通石材相比，微晶玻璃板材结构致密，具有自然光泽和清晰纹理，质地均匀、柔和、细腻，色彩艳丽，无放射性污染，耐风化、耐磨、抗压等理化性能指标优于天然花岗岩，远高于天然大理石。从现场施工的角度来说，硅灰石微晶玻璃板材安装简便，工艺可靠，还具有一定可加工性，在加热软化后可加工成所需要的形状，方便省时。因此，该材料被认为是一种具有良好前景的高级绿色建筑装饰材料。

[0003] 制备满足硅灰石成分的玻璃，粉碎后在一定条件下烧结，促使玻璃析出硅灰石晶体，是硅灰石微晶玻璃的常用制备方式。但是，CaO-SiO2体系并不是容易析晶的玻璃体系，硅灰石晶体的析出较为困难，为了使玻璃中析出硅灰石晶体，基础玻璃的化学组成和热处理过程均有严格要求。目前烧结型硅灰石微晶玻璃仍存在气孔较多、烧结变形较大、表面层致密化深度浅、表面和内部析晶情况不同，且析出晶粒细小、不显示粗大晶花，致使微晶玻璃外观不够美观等问题。

发明内容

[0004] 为克服上述现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种制备硅灰石微晶玻璃的方法，通过高压电场促进烧结过程中晶粒的长大，使微晶玻璃能够析出数量较多、尺寸较大的晶体，使得硅灰石微晶玻璃的样品形成晶花外观。

[0005] 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

[0006] 一种制备硅灰石微晶玻璃的方法，将CaCO3、SiO2、Na2O、B2O3、ZnO、Al2O3、MgO、K2O、P2O5混合均匀，得到混合料，用无水乙醇将混合料调制成浆料，浆料经球磨混合均匀后烘干；然后在高温下熔制成澄清玻璃液，并将玻璃液浇入冷水中淬冷，得到玻璃碎块；烘干后破碎球磨，得到玻璃粉体；将玻璃粉体压制成型后置于直流高压电场下烧结，得到硅灰石微晶玻璃。

[0007] 本发明进一步的改进在于，混合料按质量百分比计，包括CaCO3 26～38％，SiO2 49～54％，Na2O、B2O3、ZnO、Al2O3、MgO、K2O以及P2O5的总和为13～25％。

[0008] 本发明进一步的改进在于，无水乙醇与混合料的质量比为2.55～2.8：1。

[0009] 本发明进一步的改进在于，熔制的温度为1420～1520℃，熔制的时间为3～4h。

[0010] 本发明进一步的改进在于，玻璃粉体粒度D50＝12～33um。

[0011] 本发明进一步的改进在于，烧结过程分为两个阶段，第一阶段在840～880℃下保温1.5～3h；第二阶段置于直流高压电场下，在840～880℃下保温2.5～4h。

[0012] 本发明进一步的改进在于，直流高压电场强度为1600～2400V/cm。

[0013] 本发明进一步的改进在于，由室温以10℃/min的速率升温至840～880℃，由840～880℃以20℃/min的速率升温至985～1080℃。

[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在利用粉末烧结工艺调整色调的基础上，引入高压电场，通过电场推动玻璃中离子的迁移，改变玻璃析晶行为，得到含有较大尺寸晶粒的烧结微晶玻璃。当基玻璃的介电常数小于析出晶相的介电常数时，静电场对玻璃的成核与析晶起促进作用，而硅灰石成分的玻璃，在60Hz/s的条件下，玻璃的相对介电常数ε＝3.7，硅灰石ε＝6.5，满足该条件。因此，通过高压电场促进烧结过程中晶粒的长大，使微晶玻璃能够析出数量较多、尺寸较大的晶体，使得硅灰石微晶玻璃的样品形成晶花外观，并由于晶体和玻璃基底折射率的不同，形成闪亮发光的视觉效果，极大的提升硅灰石微晶玻璃产品外观。

附图说明

[0015] 图1是本发明实施例1中所制得硅灰石微晶玻璃的X射线衍射图谱。

[0016] 图2是本发明实施例1中所制得硅灰石微晶玻璃的SEM扫描电镜图片。

[0017] 图3为高压电场辅助烧结装置结构示意图。

[0018] 图中，1为马弗炉，2为绝缘垫片，3为白金导线，4为上白金电极，5为直流高压电源，6为硅灰石待烧结样品，7为下白金电极。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0020] 参见图3，本发明中的直流高压电场是通过高压电场辅助烧结装置实现的，本发明采用的高压电场辅助烧结装置包括上白金电极4、下白金电极7、马弗炉1、绝缘垫片2以及直流高压电源5，测试时，将硅灰石待烧结样品6放置在上白金电极4与下白金电极7之间，两个电极间的高度根据硅灰石待烧结样品厚度做相应的调整，通常比硅灰石待烧结样品厚度高3～5mm。在上白金电极4和硅灰石待烧结样品6之间，下白金电极7与马弗炉1的炉膛之间均垫上绝缘垫片2，避免电极导通，绝缘垫片2的材料为氧化铝或氧化锆陶瓷。上白金电极4通过白金导线3与高压直流电源5正极相连，下白金电极7通过到白金导线3与高压直流电源5负极相连，上白金电极4和下白金电极7之间形成电场。

[0021] 实施例1

[0022] 本发明利用高压电场诱导析晶制备硅灰石微晶玻璃，该方法包括基质玻璃的熔制和微晶玻璃的析晶及烧结两个过程，具体按照以下几个步骤进行：

[0023] 1)原料混合：将CaCO3、SiO2、Na2O、B2O3、ZnO、Al2O3、MgO、K2O、P2O5混合均匀，得到混合料。具体原料比例如下表1所示。

[0024] 表1实施例1各原料的重量百分比

[0025]  CaCO3 SiO2 Na2O B2O3 ZnO Al2O3 MgO K2O P2O5 总计
wt.％ 26 54 4 2.5 3 3.5 2 2 3 100

[0026] 2)用无水乙醇将混合料调制成浆料，无水乙醇与混合料的质量比为2.6：1；浆料经球磨4h混合均匀后放入干燥箱中，在干燥温度为40℃下进行烘干，然后在850℃下保温2.5h得到预烧块，预烧块放入高纯刚玉坩埚中，在马弗炉中1480℃保温3h使原料完全熔融，得到澄清玻璃液。将玻璃液快速倒入冷水中淬冷，得到破碎的玻璃颗粒，再经干燥、球磨后得到粒度D50＝12um的硅灰石基质玻璃粉；

[0027] 3)将硅灰石基质玻璃粉压制成型并进行烧结，烧结过程分为两个阶段，第一阶段样品由室温以10℃/min的速率升温至840℃，保温3h；第二阶段样品置于高压电场辅助烧结装置中在1600V/cm的直流高压电场下，以20℃/min的速率自840℃升温至985℃保温4h，得到硅灰石微晶玻璃。

[0028] 本实施例制得的微晶玻璃的主要性能参数如下表2所示。

[0029] 表2实施例1制备的微晶玻璃的主要性能参数

[0030] 气孔率(％) 三点弯曲强度(MPa) 断裂韧性(MPa·m1/2)0.5 159±14 2.12±0.07

[0031] 参见图1，从图1可以看出，微晶玻璃产品的主要晶相构成是CaSiO3。

[0032] 参见图2，从图2可以看出，微晶玻璃产品中析出晶体是长棒状。

[0033] 实施例2

[0034] 1)原料混合：将CaCO3、SiO2、Na2O、B2O3、ZnO、Al2O3、MgO、K2O、P2O5(氧化镧、氧化铈、氧化钕、氧化铒或氧化铽中的一种或数种)混合均匀，得到混合料。具体原料比例如下表3所示。

[0035] 表3实施例2各原料的重量百分比

[0036]  CaCO3 SiO2 Na2O B2O3 ZnO Al2O3 MgO K2O P2O5 总计
wt.％ 38 49 3 1.5 2 1.5 1.5 1.5 2 100

[0037] 2)用无水乙醇将混合料调制成浆料，无水乙醇与混合料的质量比为2.8：1；浆料经球磨4h混合均匀后放入干燥箱中，在干燥温度为40℃下进行烘干，然后在850℃下保温3h得到预烧块，预烧块放入高纯刚玉坩埚中，在马弗炉中1480℃保温4h使原料完全熔融，得到澄清玻璃液。将玻璃液快速倒入冷水中淬冷，得到破碎的玻璃颗粒，再经干燥、球磨后得到粒度D50＝33um的硅灰石基质玻璃粉；

[0038] 3)将硅灰石基质玻璃粉压制成型并进行烧结，烧结过程分为两个阶段，第一阶段样品由室温以10℃/min的速率升温至880℃，保温1.5h；第二阶段样品置于高压电场辅助烧结装置中在2400V/cm的直流高压电场下，以20℃/min的速率自880℃升温至1080℃保温2.5h，得到硅灰石微晶玻璃。

[0039] 本实施例制得的微晶玻璃的主要性能参数如下表4所示。

[0040] 表4实施例2制备的微晶玻璃的主要性能参数

[0041] 气孔率(％) 三点弯曲强度(MPa) 断裂韧性(MPa·m1/2)0.5 164±22 1.96±0.21

[0042] 实施例3

[0043] 1)原料混合：将CaCO3、SiO2、Na2O、B2O3、ZnO、Al2O3、MgO、K2O、P2O5(氧化镧、氧化铈、氧化钕、氧化铒或氧化铽中的一种或数种)混合均匀，得到混合料。具体原料比例如下表5所示。

[0044] 表5实施例3各原料的重量百分比

[0045]  CaCO3 SiO2 Na2O B2O3 ZnO Al2O3 MgO K2O P2O5 总计
wt.％ 34 51 3 2 2 1.5 1.5 1.5 2.5 100

[0046] 2)用无水乙醇将混合料调制成浆料，无水乙醇与混合料的质量比为2.55：1；浆料经球磨4h混合均匀后放入干燥箱中，在干燥温度为40℃下进行烘干，然后在850℃下保温4.5h得到预烧块，预烧块放入高纯刚玉坩埚中，在马弗炉中1480℃保温3.5h使原料完全熔融，得到澄清玻璃液。将玻璃液快速倒入冷水中淬冷，得到破碎的玻璃颗粒，再经干燥、球磨后得到粒度D50＝24um的硅灰石基质玻璃粉；

[0047] 3)将硅灰石基质玻璃粉压制成型并进行烧结，烧结过程分为两个阶段，第一阶段样品由室温以10℃/min的速率温至860℃，保温2.25h；第二阶段样品置于高压电场辅助烧结装置中在2100V/cm的直流高压电场下，以20℃/min的速率自860℃升温至1025℃保温3h，得到硅灰石微晶玻璃。

[0048] 本实施例制得的微晶玻璃的主要性能参数如下表6所示。

[0049] 表6实施例3制备的微晶玻璃的主要性能参数

[0050] 气孔率(％) 三点弯曲强度(MPa) 断裂韧性(MPa·m1/2)0.5 174±17 1.89±0.29

[0051] 实施例4

[0052] 1)原料混合：将CaCO3、SiO2、Na2O、B2O3、ZnO、Al2O3、MgO、K2O、P2O5混合均匀，得到混合料。具体原料比例如下表7所示。

[0053] 表7实施例4各原料的重量百分比

[0054]  CaCO3 SiO2 Na2O B2O3 ZnO Al2O3 MgO K2O P2O5 总计
wt.％ 26 49 19 1 1 1 1 1 1 100

[0055] 2)用无水乙醇将混合料调制成浆料，无水乙醇与混合料的质量比为2.6：1；浆料经球磨4h混合均匀后放入干燥箱中，在干燥温度为40℃下进行烘干，然后在850℃下保温2.5h得到预烧块，预烧块放入高纯刚玉坩埚中，在马弗炉中1420℃保温3h使原料完全熔融，得到澄清玻璃液。将玻璃液快速倒入冷水中淬冷，得到破碎的玻璃颗粒，再经干燥、球磨后得到粒度D50＝15um的硅灰石基质玻璃粉；

[0056] 3)将硅灰石基质玻璃粉压制成型并进行烧结，烧结过程分为两个阶段，第一阶段样品由室温以10℃/min的速率升温至850℃，保温2h；第二阶段样品置于高压电场辅助烧结装置中在1800V/cm的直流高压电场下，以20℃/min的速率自850℃升温至985℃保温4h，得到硅灰石微晶玻璃。

[0057] 实施例5

[0058] 1)原料混合：将CaCO3、SiO2、Na2O、B2O3、ZnO、Al2O3、MgO、K2O、P2O5混合均匀，得到混合料。具体原料比例如下表8所示。

[0059] 表8实施例5各原料的重量百分比

[0060]   CaCO3 SiO2 Na2O B2O3 ZnO Al2O3 MgO K2O P2O5 总计wt.％ 30 52 0.5 5 0.5 8 2.5 0.5 1 100

[0061] 2)用无水乙醇将混合料调制成浆料，无水乙醇与混合料的质量比为2.6：1；浆料经球磨4h混合均匀后放入干燥箱中，在干燥温度为40℃下进行烘干，然后在850℃下保温2.5h得到预烧块，预烧块放入高纯刚玉坩埚中，在马弗炉中1520℃保温4h使原料完全熔融，得到澄清玻璃液。将玻璃液快速倒入冷水中淬冷，得到破碎的玻璃颗粒，再经干燥、球磨后得到粒度D50＝30um的硅灰石基质玻璃粉；

[0062] 3)将硅灰石基质玻璃粉压制成型并进行烧结，烧结过程分为两个阶段，第一阶段样品由室温以10℃/min的速率升温至870℃，保温1.5h；第二阶段样品置于高压电场辅助烧结装置中在2200V/cm的直流高压电场下，以20℃/min的速率自870℃升温至1050℃保温2h，得到硅灰石微晶玻璃。

[0063] 本发明中混合料中Na2O、B2O3、ZnO、Al2O3、MgO、K2O、P2O5的质量比为任意质量比，只需要满足Na2O、B2O3、ZnO、Al2O3、MgO、K2O以及P2O5的总的质量百分数为13～25％即可。