Kaca Teroksida dan Berkurang, Pewarna dan Banyak Lagi

Pengenalan Kaca Berwarna

Kaca
adalah pepejal amorus yang terdiri daripada kebanyakannya silikon dioksida (SiO₂, silika) bersama-sama dengan bahan tambahan untuk memodulatkan warna, kekuatan dan prestasi haba produk. Untuk mencapai warna tertentu kaca, pelbagai sebatian logam peralihan boleh ditambah. Kaca berwarna telah wujud sejak sekurang-kurangnya masa Rom, apabila kaca bertarikh dari abad ke-empat di Galilee didapati mempunyai warna yang terdiri dari biru pucat kepada hijau untuk Amber dengan warna yang timbul dari besi-sulfida chromophore (1).

Gelas yang berpengoksidaan dan mengurangkan kacamata adalah istilah yang sering digunakan tetapi sedikit difahami. Secara ringkas, pelbagai bahan tambahan berasaskan sulfur boleh digunakan dalam pembuatan kaca, dan jika sulfat berada dalam keadaan yang pengoksidaan seperti sulfida, maka kaca dirujuk sebagai ' kaca berpengoksidaan '. Sebaliknya, ' kaca dikurangkan ' adalah apabila sulfur hadir di negeri yang dikurangkan, seperti sulfat. Denotation dikurangkan/pengoksidaan tidak berkaitan sama sekali kepada kandungan silika kaca.

Warna kaca ditentukan oleh kepekatan, identiti dan keseimbangan redoks daripada sulfur dan ion-tahanan (logam peralihan yang disebutkan di atas, termasuk besi, sebagai contoh), manipulasi baki ini menimbulkan warna yang berbeza dalam mencairkan dan dengan itu produk akhir (2).

Artikel ini hanya akan berurusan dengan gelas silicate.

Mengapa Kaca Berwarna?

Kaca mungkin berwarna untuk pelbagai sebab, daripada memerlukan Hue yang berbeza untuk menunjukkan lebih baik atau mengiklankan sesuatu produk, untuk menyediakan kandungan kaca dengan perlindungan dari radiasi ultraviolet, selain daripada tujuan hiasan semata-mata. Kaca berwarna, seperti yang difikirkan dalam erti tradisional, terutamanya digunakan untuk kaca kontena, tetapi tambahan tertentu untuk plat kaca telah digunakan selama bertahun-tahun yang memodulatkan warna dari jelas pernah sedikit.

Kaca Amber / Coklat

Dalam bentuk-bentuk Hue kaca Amber, ditemui di mana-mana daripada botol bir ke balang ubat, adalah disebabkan oleh Amber chromophore. Chromophore ini mengandungi besi ferrik, Fe^{3 +}, yang diselaraskan tetrahedrally oleh tiga ligands oksigen dan satu sulfat. Dengan itu, keseimbangan redoks adalah penting: untuk mengurangkan persekitaran dan tidak boleh mencukupi besi ferrik (kerana ia telah ditukar kepada ferus Iron) dan lebihan sulfida; Jika persekitaran terlalu oxidising, akan ada lebihan besi ferrik dan tidak mencukupi sulfida sekarang. Ia adalah penting untuk mengetahui keseimbangan ferus kepada besi ferrik dalam mencairkan, atmosfera di dalam dan di atas mencairkan, dan nisbah sebatian sulfat. Selain komponen fizikal, suhu yang mencairkan itu sendiri boleh memberi kesan warna dan transmisi daripada Amber kaca (3). Dalam banyak kes, Amber colouration yang gelap boleh dicapai dengan tambahan kecil
oksida tembaga
kepada mencairkan.

Amber botol berwarna pada barisan pemasangan

Oksida Besi Merah

Kelebihan menggunakan
oksida besi
sebagai pigmen adalah bahawa ia menambah Amber colouration, dari chromophore yang disebutkan di atas, namun ia tidak menambah komponen lain untuk mencairkan. Ia adalah bahan tambahan oxidising, dan oleh itu akan memindahkan nombor redoks ke sisi oksidatif, yang dikaitkan dengan gelas warna Amber dan coklat. Besi oksida digunakan secara rutin untuk meningkatkan kandungan besi dalam gelas yang kurang zat besi, seperti yang kadang kala boleh berlaku dengan pyrite.

Pirit

Pyrite adalah salah satu daripada yang paling biasa besi, dan dengan itu ia adalah sumber yang agak murah besi untuk Glassmaking. Sebagai pigmen, pyrite ditambah ke kaca larut untuk menghasilkan dan Amber colouration (4), dan penggunaannya menyediakan kaca dengan tentangan terhadap radiasi ultraviolet, berkesan menyerap cahaya dalam sub-450 NM rejim. Ini menjadikan pyrite Amber kaca terutamanya sesuai dengan bahan makanan, dadah dan kimia makmal. Tidak seperti besi oksida, pyrite digambarkan sebagai bahan tambahan yang mengurangkan.

Kaca Hijau

Kaca hijau adalah pilihan warna lain yang paling popular untuk kaca, kebanyakannya sebagai kaca kontena untuk bir, wain dan air berberbuih. Besi dan Chrome terutamanya bertanggungjawab untuk colouration hijau, dan dengan menggunakan
tepung krom (chromite serbuk, chromite besi)
dan
pyrite besi
dalam konsert, pelbagai corak warna hijau boleh dihasilkan, dari Emerald hijau sepanjang jalan melalui feuille Morte atau warna daun mati.

Georgia Green (Hue terkenal yang dikaitkan dengan botol Coca-Cola) dan Emerald Green dihasilkan menggunakan kaedah oxidising, menggunakan pyrite dan chromite, manakala semua warna lain hijau biasanya dihasilkan menggunakan kaedah mengurangkan. Sehingga enam kilogram chromite setiap tan metrik Pasir digunakan untuk Emerald Green Glass (5). Penggunaan tepung Chrome adalah lebih baik kepada kaedah yang lebih lama untuk mencapai tahap pengoksidaan yang tinggi, kalium dichromate. Kalium dichromate adalah toksik dan dengan itu berbahaya untuk mengendalikan.

Apakah tepung krom dan bagaimana ia digunakan dalam kehidupan harian

Bagi Georgia Green, sejumlah chromite tidak lebih daripada 10 daripada apa yang akan digunakan untuk kaca Emerald hijau digunakan. Feuille Morte kaca berwarna adalah satu lagi chromite hibrid, di mana tepung Chrome dan pyrite digunakan dalam nisbah 1:2 (iaitu 1 kg krom tepung dan 2 kg pyrite setiap tan metrik Pasir).

Botol hijau pada barisan pemasangan, berwarna dengan besi chromite

Diberi perhatian adalah sejarah chromite sebagai pigmen kaca, yang muncul pada tahun 1849, beberapa 50 tahun selepas ia digunakan sebagai pigmen Sze. Sifat chromite sebagai bahan refraktori yang agak banyak daripada penggunaan dalam gelas, bagaimanapun imbangan optimum saiz mengisar dan suhu memastikan pengangkatan yang lebih luas (6).

Kaca Biru, Merah dan Hitam

Kaca legap merah telah digunakan sejak zaman Mesir, dan sejak itu dibangunkan dalam Iron Age Britain, ia kebanyakannya dibentuk oleh kaca terbentuk apabila dipotong dengan tembaga Koloidal, dan kemudian dengan oksida utama (7, 8). Dalam Glassmaking kontemporari, tembaga Koloidal dan plumbum tidak digunakan, agak oksida mereka.

Apabila ditambah ke kaca melts, sebatian tembaga membentuk keseimbangan yang berbeza bergantung kepada sama ada ia adalah di bawah keadaan oksidatif atau pengurtif. Satu persekitaran yang oksidatif akan menubuhkan sistem cu^{2 +}-cu⁺ , yang membawa kepada colouration biru serupa dengan tembaga sulfate; manakala di bawah keadaan berkurangan, sistem cu⁺-cu⁰ akan menubuhkan, memberi satu Ruby colouration merah. The cu⁰ ion tidak mempunyai colouration (9). Tembaga oksida itu sendiri adalah oxidising dopant, dan menambahnya dalam kuantiti yang mencukupi akan menghasilkan kaca hitam. Mungkin yang paling visual menarik daripada semua gelas adalah warna biru dalam yang diberikan oleh penambahan kobalt oksida, CoO, kepada mencairkan (10).

Kaca berwarna merah dalam juga boleh dicapai dengan penambahan kadmium selenide manakala, oksida mangan boleh dimasukkan ke dalam mencairkan (11), yang akan menyebabkan corak warna ungu/Violet, walaupun gelas beroksida yang cenderung untuk tidak ultraviolet tahan.

Kuantiti Bahan Tambahan: Batch Redox Number

Glassmakers pada skala cenderung untuk menggunakan istilah yang dipanggil ' batch redoks Number ' untuk menentukan bahan yang diperlukan untuk warna tertentu kaca, yang secara umum proksi untuk mengurangkan atau oxidising a mencairkan. Nombor redoks dikira untuk jumlah semua komponen redoks aktif dalam mencairkan dengan menambah bersama-sama faktor redoks didarab dengan komponen pecahan jisim setiap dua tan metrik pasir, untuk setiap komponen. Perhatian khusus perlu dibayar kepada penggunaan cullet-pengisi yang sering mengandungi sejumlah besar bahan organik (mengurangkan), yang boleh dengan mudah membuang pengiraan redoks batch. Di samping itu, redoks kaca juga dipengaruhi oleh keadaan di dalam Relau, seperti suhu dan bagaimana oxidising atmosfera. Oleh itu, adalah penting untuk memastikan bahawa hanya kesucian yang tinggi dan tambahan yang berkualiti tinggi digunakan.

Sebagai satu peraturan umum, dan terutamanya dalam kes kaca yang mengandungi besi (yang yang paling digunakan kaca colourant): nombor redoks antara 20 dan 0 akan menghasilkan kaca formaldehid, antara 0 dan-15 akan menghasilkan kaca hijau, antara-15 dan-25 akan menghasilkan ' feuille Morte ' kaca dan antara-20 dan-30 akan menghasilkan Amber. Untuk besi-dipotong kaca nilai ini, kerana mereka mengurangkan, sesuai dengan nisbah yang lebih tinggi Fe^{2 +} nisbah untuk Fe^{3 +} (iaitu lebih mengurangkan).

pelbagai jenis kaca berwarna yang berbeza

Kesan Terhadap Proses Pembuatan

Secara ringkasnya, kaca kontena dibuat dengan menggunakan bahan mentah yang lebur dalam Relau untuk menghasilkan lebur, mencairkan kemudian ditapis, dibentuk dan Annealed. Proses penamat kitaran boleh berlaku di antara dan selepas membentuk dan Penganilan langkah. Penganilan adalah teknik yang digunakan untuk menghilangkan mata tekanan dalam kaca (12). Proses ini secara amnya adalah sama untuk kaca plat, bagaimanapun membentuk digantikan dengan satu skema lukisan dan Rolling.

Sebagai satu peraturan am ibu jari, redoks yang lebih rendah (iaitu persekitaran yang lebih mengurangkan) membolehkan penapisan yang lebih baik dan untuk Relau dijalankan pada suhu yang lebih rendah menyediakan faedah ekonomi dan alam sekitar (13). Di samping itu, redoks yang lebih rendah bermakna akan ada kurang sulfat, yang seterusnya akan bermakna kaca halus yang lebih baik.

Seawal 1942, ia telah diketahui bahawa penambahan jumlah kecil oksida besi untuk larut menyebabkan peningkatan kecekapan proses dalam relau. Ia telah menjadi teori bahawa pecutan kadar lebur adalah disebabkan oleh kehadiran seterika menyebabkan kekonduksian terma yang lebih baik dalam mencairkan secara keseluruhan (14). Menambah sebatian untuk mencairkan perlu dilakukan dengan berhati-hati, sebagai penurunan suhu boleh menyebabkan devitrifikasi-iaitu crystallisation kaca lebur (15).

Anthracite dan feldspar adalah bahan tambahan biasa untuk mencairkan, setiap satu modulatkan sifat mencairkan:

Antrasit / Karbon

Anthracite bukan pigmen kaca di sebelah kanan, tetapi ia sering digunakan di samping sebatian besi dan besi sulfida untuk meningkatkan sifat kaca, menyediakan warna kuning/Amber. Penambahan antrasit memredoks keseluruhan yang memihak kepada pengurangan, yang mungkin mempunyai kesan ke atas memastikan tahap colouration. Ia adalah diketahui bahawa antrasit boleh menghapuskan sukar disebabkan oleh gas dalam mencairkan, dan boleh mengurangkan suhu lebur apabila digunakan dengan krom dan pigmen Pauh (16).

Feldspar

Feldspar
dari segi Glassmaking dirujuk sebagai ' fluks ', iaitu, ia mengurangkan takat lebur pepejal. Rangkuman boleh bermakna keperluan suhu yang lebih rendah dalam mencairkan. Fluxes digunakan secara meluas di seluruh industri kaca dan seramik untuk keupayaan mempromosikan pencairan lengkap (17). Selain itu, feldspar mampu memiliki sifat kaca yang diingini seperti peningkatan kekerasan, ketahanan dan rintangan kimia (18).

Ringkasan

●

Warna kaca berwarna ditentukan oleh identiti bahan tambahan, komposisi mereka dan redoks imbangan dalam mencairkan

●

Pyrite dan chromite adalah sebahagian besarnya bertanggungjawab untuk warna Amber dan hijau, dengan Blues dan dinyahcas yang disediakan oleh sebatian tembaga, antara lain

●

Keseimbangan redoks dan tambahan lain seperti feldspar dan antrasit mempunyai kesan ke atas proses pengeluaran keseluruhan dan prestasi kaca akhir

serbuk oksida besi merah di dalam periuk

Rujukan

1 J. W. H. Schreurs dan R. H. Brill, Archaeometry, 1984, 26, 199

2 K. Nassau, Puan Proc., 1985, 61, 427

3 W. L. Spix dan F. R. daging, J. am. Ceram. SoC., 1953, 36, 377

4 W. A. Weyl, gelas berwarna, masyarakat teknologi kaca, Sheffield, 1951

5 W. Vogel, kaca kimia, 2 Ed., Springer-Verlag, Heidelberg dan Berlin, 1994

6 I. C. Freestone dan M. Bimson, J. Glass Stud., 2003, 45, 183

7 M. Hughes, Proc. Prehist. SoC., 1972, 38, 98

8 R. H. Brill dan N. D. Cahill, J. kaca Stud., 1988, 30, 16

9 H. D. Schreiber et Al., Trans seramik., 2004, 141, 315

10 US paten US10246370B2, 2017

11 US paten US3830639A, 1972, tamat tempoh

12 gelas Manufacturing, agensi perlindungan alam sekitar Amerika Syarikat, Columbus, 1976

13 A. Hubert et Al., kesan redoks dalam kaca industri lebur dan kepentingan kawalan redoks dalam persidangan 77th mengenai masalah kaca, Columbus, 2017

14 R. L. Shute dan A. E. Badger J. am. Ceram. SoC., 1942, 25, 355

15 B. Izmirlioğlu dan Ş. Yilmaz J. Chem. Tech. Metall., 2015, 50, 404

16 A. Koroviakovskii, Sarjana Tesis, Lappeenranta University of Technology, 2016

17 R. A. Obstier dan M. Epplier, memahami Licau, Persatuan seramik Amerika, Westerville, Amerika syarikat, 2005

18. O. Tanner, feldspar dan Nepheline Syenite, 2015 mineral buku, tinjauan Geologi Amerika Syarikat, Reston, Amerika syarikat, 2015