(本章有大量专业知识点,开卷有益。)
第二天,天刚蒙蒙亮,向道就爬起来了。
他打算去找乔致庸,趁现在外面人少,赶快去买东西。
门打开,冷不丁看到有一个人在门口坐着,正是乔致庸。
听到开门声,乔致庸忙站起来,声音沙哑道:“向先生,我睡不着,就来这守着了。现在能去买材料吗?”
向道有些哭笑不得,点头道:“可以。”
“那我去叫人。”
乔致庸快步走向斜对面,照着长栓的门就猛拍:“长栓,长栓,快起来!”
“二爷,这天都没亮呢,啥事啊?”长栓眯缝着眼打开了门。
“去买几样东西,我说,你仔细记着!”
乔致庸凑到他耳边,低声交代了一遍,说完了,又问道:“记住了吗?”
长栓挠挠头,傻笑道:“没记全。”
“那我再说一遍!”
乔致庸一连说了三遍,长栓才总算记住了。
乔致庸塞给他几块银子,催促他快去。
长栓揣着银子就要出门,突然看到向道,遂招呼道:“你也起来了!正好,跟我去一趟县城,帮我拿东西。”
“长栓!”身后的乔致庸吼道。“怎么跟向先生说话的?以后对他,必须像对我那么敬重,懂吗?”
“啊?”长栓看看乔致庸,又看看笑而不语的向道,有些懵。
不过没等他弄清楚怎么回事,屁股就被乔致庸踢了一脚,赶紧一路小跑着出了门。
乔致庸又喊起来俩人,分别去找干净的沙子,以及附近十里八乡最好的泥瓦匠。
一直等到上午过半,派出去的三人总算回来了。
乔家大院西南角,一个无人居住的院子里,向道正在指导泥瓦匠修炉子,乔致庸也在,在旁边打下手。
向道没见过烧玻璃的炉子,连炼钢炉也没见过,更没图纸,仅仅听说过一些原理,具体结构只能自己推测。
首先,炉子的设计核心几乎都是围绕温度来的。内层温度最高,所以得用耐高温的材料,最好的当然是耐火砖,但这玩意烧起来太麻烦,向道最后选择用青砖做支撑,铁板做内衬。
其次,为了减少热量损失,炉子应该有顶,以向下反射热辐射,烟道则设在侧方。
最后,向道听说过把吹入的空气预加热能提高炉温,办法是把进气道贴着炉子内壁设置,用废热加热进气道,但这样太麻烦,他干脆把进气道延长,然后在进气道上边再建一个加热炉。
结构讲清楚了,请来的泥瓦匠干活倒是麻利,不到一个小时就修好了。内外总共三层,依次是:钢板,青砖,掺了秸秆的泥巴保温层。
做完这些,向道又让他额外修了一个小灶。
干完活,乔致庸大方的给泥瓦匠包了个红包,把人送走了。
现在,院子里就他们两人,向道已经开始处理材料,乔致庸犹豫片刻,还是开口道:“向先生,你忙着,我去外面守着吧?”
向道抬头看了他一眼,摇头道:“不用,我信得过你。”
乔致庸愣了愣,显然没想到向道会这么信任他,一时间还有点……莫名感动呢。
向道没空理会别的,他正在处理沙子。
沙子是从河边挖来的,特意挑的干净河滩,但还是有些杂质。
杂质包括泥土,铁屑,贝壳碎片等有机质,还有各种溶于水不溶于水的东西。
农村玩过磁铁的都知道,沙子里是有铁屑的,这东西对玻璃来说是杂质。
向道先把沙子在青石板上摊开,用磁石在沙子里来回搅动,果然吸了不少铁屑。
接着开始水洗,把沙子倒回水桶,加水搅拌,其中的泥土,密度小的颗粒,以及溶于水的杂质就都悬浮起来,二氧化硅沙粒则沉底。
把水倒掉,这样反复淘洗多次,沙子就变成了暗白色,只偶尔能看到一些红棕色跟绿色沙粒,这是含铁元素跟氯酸盐的表现。
这些杂质太细,不可能全部去除,只能用化学方法消除影响了。
处理完沙子,向道的目光落在几个大纸包上,上边都写着名称,分别是:砒霜(三氧化二砷),石碱(碳酸钠),硝石(硝酸钾),硫磺(硫)。
在这之前,他根据材料的化学性质,已经确定了烧制中可能存在的三个问题,即:熔点,气体,着色杂质。
一、熔点。二氧化硅的熔点超过1700度,比钢铁还高,炉温很可能达不到熔点。
二、气体。二氧化硅在高温下本身不产生气体,但别忘了里边还有杂质,不管是铁氧化物还是氯酸盐,高温下都会反应产生气体,很少,但依然会产生小气泡,而且因为太小很难排出(小气泡浮力小)。
三、着色物质。杂质有颜色,想获得透明玻璃,就必须想办法脱色。
……
针对这三个问题,向道做了对应的解决策略。
1熔点。提高炉温难度太大,他干脆换了个方向,选择降低材料熔点。
2气体。向道知道工业生产中会用到澄清剂消除气泡,其原理是增大气泡中的分压,从而使气泡变大并在浮力作用下排出。
(这里的“分压”指在给定温度及体积下,仅一种气体单独存在并充满气泡时,该气体所展现的压强。混合理想气体的总压强等于各组分的分压之和。)
3着色问题,他选择用强氧化剂来脱色。
……
详细方案如下:
降熔点:
加入石碱(碳酸钠)。其在高温下生成氧化钠,又跟二氧化硅反应生成低熔点共晶体硅酸钠na?o·nsio?(熔点一千度出头)。
此外,氧化钠还会破坏二氧化硅的硅氧四面体结构,原理是:一个na?o单位和一个si-o-si混合得到两个si-o?na?,会提前打断硅氧共价键,形成端基,这种结构改变能有效降低其熔点。
最后,氧化钠是碱性氧化物,还能防止杂质生成不溶于玻璃熔液的氧化物,提高流动性。
除气泡:
加入砒霜(三氧化二砷)跟硝酸钠。铁氧化物跟氯酸盐在高温下生成的气体都是氧气,而砒霜(三氧化二砷)跟硝酸钠生成五氧化二砷,接着在高温下迅速分解产生大量氧气,从而降低氧气分压,增大气泡,在浮力下上升消除。
脱色:
硝酸钠在高温下有强氧化性,脱色原理是:其在氧化还原反应过程中夺取有色物质分子中的电子,破坏其原有的发色基团或结构,使其失去吸收特定波长光线的能力,从而达到脱色效果。它甚至能直接与色素分子发生化学反应,改变其分子结构,使其失去颜色。
……
总的来说,向道其实只需要三种添加物:砒霜,石碱,硝酸钠。
前两个好说,即使在古代也是常见的东西,唯独硝酸钠,这玩意儿得通过化学反应生成。
幸好所需材料容易获得,要用到硫磺跟硝石,化学反应过程如下:
s + o?= so?(高温)
so?+ h?o? h?so?
2h?so?+ o?= 2h?so?
h?so?(浓)+ 2kno?= k?so?+ 2hno?(加热)
na?co?+ 2hno?= 2nano?+ h?o + co?↑
想制取硝酸钠,核心是制硫酸,向道已经提前制作好了工具,操作如下:
把硫磺倒入一个窄口陶罐,胶泥封口,另一个窄口陶罐装水,胶泥封口,空心竹竿(劈开去除结节再捆上)插入连接两个陶罐,这就成了一个简易的气体收集引导装置。
把小灶的火生起来,再把装硫磺的罐子架上去加热,硫磺会在高温下燃烧。
大概半个小时后,燃烧完成,打开泥封,装硫磺的罐子里就只剩下了一层红棕色杂质。
向道又拿起另一端装水的陶罐,反复摇晃几分钟,打开封口,里面的液体清澈如旧。
这就是亚硫酸溶液了,现在需要等它跟氧气反应生成硫酸。这个过程很慢,但向道也没更好的办法,手里啥都没有,他得自己一点一点的把科技树给建立起来。
……
ps:从这个过程也能看出来,无色透明玻璃的烧制难度极大,看起来只是几样简单配料,背后的原理极其复杂。
但更重要的是,还要控制好各部分配料的比例(这个最难),一旦配料多了或者少了,导致反应不完全就成杂质了。
而比例是要计算的,这就必须对材料微观结构有充分认知,基础前提是元素跟化合物理论的出现。