Общая характеристика стекла

   Общая характеристика стекла.

 

 

 

Стекло, твёрдый аморфный  материал,  полученный  в  процессе  переохлаждения расплава. Для стекла  характерна обратимость перехода из  жидкого  состояния в метастабильное, неустойчивое стеклообразное  состояние.  При  определённых

температурных условиях кристаллизуется. Стекло не  плавится  при  нагревании

подобно кристаллическим телам, а  размягчается, последовательно  переходя  из

твёрдого  состояния  в  пластическое,  а  затем  в  жидкое.  По  агрегатному

состоянию  стекло  занимает   промежуточное   положение   между   жидким   и

кристаллическим  веществами.  Упругие  свойства  делают  стекло  сходным   с

твёрдыми  кристаллическими   телами,   а   отсутствие   кристаллографической

симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к жидким.  Склонность

к образованию стекла характерна для  многих веществ (селен,  сера,  силикаты,

бораты и др.).

Стеклом   называют  также  отдельные  группы  изделий  из  стекла,  например

строительное  стекло,  тарное  стекло,  химико-лабораторное  стекло  и   др.

Изделия из стекла могут быть прозрачными  или непрозрачными, бесцветными  или

окрашенными, люминесцировать под  воздействием,  например,  ультрафиолетового

и  g-излучения,  пропускать  или  поглощать  ультрафиолетовые  лучи   и т.д.

Наибольшее     распространение     получило      неорганическое      стекло,

характеризующееся  высокими  механическими  тепловыми,  химическими  и   др.

свойствами.  Основная   масса   неорганического   стекла   выпускается   для

строительства (главным образом листовое) и для изготовления тары.  Эти  виды

продукции получают преимущественно  из  стекла  на  основе  двуокиси  кремния

(силикатное стекло); применение  находят также и др.  кислородные  (оксидные)

стекла, в состав которых входят окислы  фосфора,  алюминия,  бора  и т.д.  К

бескислородным   неорганическим   стеклам   относятся   стекла   на   основе

халькогенидов мышьяка (As2S3), сурьмы (Sb2Se3) и т.д., галогенидов  бериллия

(BeFz)  и т.д.По  назначению  различают:   строительное   стекло   (оконное,

узорчатое, стеклянные  блоки  и  т.д.),  тарное  стекло,  стекло  техническое

(кварцевое стекло,  светотехническое  стекло,  стеклянное  волокно   и т.д.),

сортовое стекло и т.д. Вырабатываются  стекла,  защищающие  от  ионизирующих

излучений, стекла индикаторов проникающей  радиации,  фотохромные  стекла  с

переменным  светопропусканием,  стекло,  применяемое  в  качестве   лазерных

материалов,  увиолевое  стекло,  пеностекло,  растворимое   стекло   и   др.

Растворимое стекло, содержащее около 75% 3102, 24% Na2O  и др.  компоненты,

образует  с  водой  клейкую  жидкость  (жидкое  стекло);  используется   как

уплотняющее  средство,  например,  для   изготовления   силикатных   красок,

конторского клея, в качестве диспергаторов  и моющих  средств,  для  пропитки

тканей, бумаги и пр. Химический состав некоторых  видов  стекла  приведён  в

таблице.

Физико-химические свойства стекла.  Свойства  стекла  зависят  от  сочетания

входящих в их состав компонентов. Наиболее характерное  свойство  стекла   —

прозрачность  (светопрозрачность  оконного  стекла  83—90%,  а   оптического

стекла — до 99,95%). Стекло типично  хрупкое тело,  весьма  чувствительное  к

механическим воздействиям, особенно ударным, однако сопротивление  сжатию  у

стекла такое же, как у чугуна. Для  повышения прочности стекло  подвергают

упрочнению  (закалка,  ионный  обмен,  при  котором  на  поверхности  стекла

происходит  замена  ионов,  например  натрия,  на  ионы  лития  или   калия,

химическая и  термохимическая  обработка  и  др.),  что  ослабляет  действие

поверхностных микротрещин (трещины  Гриффитса),  возникающих  на  поверхности

стекла в результате воздействия  окружающей  среды  (температура,  влажность

и пр.)  и  являющихся  концентраторами  напряжений,  и  позволяет   повысить

прочность стекла в 4—50  раз.  Обычно  для  устранения  влияния  микротрещин

применяют стравливание или  сжатие  поверхностного  слоя.  При  стравливании

дефектный  слой  растворяется  плавиковой  кислотой,   а   на   обнажившийся

бездефектный слой наносится защитная  плёнка,  например  из  полимеров.  При

закалке поверхностный слой сжимается,  что  препятствует  раскрытию  трещин.

Плотность  стекла  2200—8000  кг/м3,  твёрдость  по  минералогической  шкале

4,5—7,5, микротвёрдость 4—10 Гн/м2, модуль  упругости  50—85  Гн/м2.  Предел

прочности стекла при сжатии равен 0,5—2 Гн/м2, при изгибе 30—90  Гн/м2,  при

ударном  изгибе  1,5—2  Гн/м2.  Теплоёмкость  стекла  0,3—1  кДж/кг   -   К,

термостойкость 80°— 1000 °С, температурный  коэффициент расширения  (0,56—12)

109  1/К.  Коэффициент теплопроводности   стекла  мало   зависит   от   его

химического состава и  равен  0,7—1,3  Вт/(м.  К).  Коэффициент  преломления

1,4—2,2, электрическая проводимость 10-8—10-18 Ом -1.  см1,  диэлектрическая

проницаемость 3,8—16.

Технология стекла.  Производство  стекла  состоит  из  следующих  процессов:

подготовки сырьевых компонентов, получения шихты, варки  стекла,  охлаждения

стекломассы,  формования  изделий,  их  отжига  и  обработки   (термической,

химической, механической). К главным  компонентам  относят  стеклообразующие

вещества (природные,  например  SiO2,  и  искусственные,  например  Na2CO3),

содержащие  основные  (щелочные  и  щёлочноземельные)  и  кислотные  окислы.

Главный компонент  большинства  промышленных  стекол  —  кремнезём  (кремния

двуокись), содержание которого в стекле составляет от 40 до 80% (по  массе),

а в кварцевых и  кварцоидных  от  96  до  100%.  В  стекловарении  обычно  в

качестве  источника  кремнезёма  используют  кварцевые   стекольные   пески,

которые  в случае  необходимости обогащают.  Сырьём,   содержащим   борный

ангидрид, являются борная кислота, бура и др. Глинозём вводится  с  полевыми

шпатами, нефелином и т.д.; щелочные окислы  —  с  кальцинированной  содой  и

поташом;   щёлочноземельные   окислы   —   с   мелом,    доломитом    и т.п.

Вспомогательные компоненты — соединения, придающие  то  или  иное  свойство,

например окраску,  ускоряющие  процесс  варки  и т.д.  Например,  соединения

марганца,  кобальта,  хрома,  никеля  используются  как  красители,   церия,

неодима, празеодима, мышьяка, сурьмы —  как  обесцвечиватели  и  окислители,

фтора, фосфора,  олова,  циркония  —  как  глушители  (вещества,  вызывающие

интенсивное  светорассеяние);  в  качестве  осветлителей  применяют   хлорид

натрия,  сульфат  и  нитрат  аммония  и  др.  Все  компоненты  перед  варкой

просеиваются,  сушатся,  при  необходимости  измельчаются,  смешиваются   до

полностью   однородной   порошкообразной   шихты,   которая    подаётся    в

стекловаренную печь. Процесс стекловарения условно  разделяют  на  несколько

стадий: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию  и

охлаждение   («студку»).   При   нагревании   шихты    вначале    испаряется

гигроскопическая и химически  связанная вода. На  стадии  силикатообразования

происходит термическое разложение компонентов, реакции в  твёрдой  и  жидкой

фазе с образованием силикатов, которые вначале представляют собой  спекшийся

конгломерат, включающий и  не  вступившие  в  реакцию  компоненты.  По  мере

повышения температуры отдельные силикаты плавятся  и,  растворяясь,  друг  в

друге, образуют непрозрачный  расплав,  содержащий  значительное  количество

газов и частицы компонентов  шихты.  Стадия  силикатообразования  завершается

при 1100—1200 °С. На стадии стеклообразования растворяются остатки шихты,  и

удаляется  пена  —  расплав  становится  прозрачным;  стадия  совмещается  с

конечным этапом силикатообразования  и протекает  при  температуре  1150—1200

°С. Собственно стеклообразованием называют  процесс  растворения  остаточных

зёрен  кварца  в  силикатном  расплаве,   в   результате   чего   образуется

относительно  однородная   стекломасса.   В   обычных   силикатных   стеклах

содержится около 25% кремнезёма, химически  не связанного в силикаты  (только

такое  стекло  оказывается  пригодным  по  своей  химической  стойкости  для

практического  использования).   Стеклообразование   протекает   значительно

медленнее, чем силикатообразование, оно составляет  около  90%  от  времени,

затраченного  на  провар  шихты  и   около   30%   от   общей   длительности

стекловарения.  Обычная  стекольная  шихта  содержит  около  18%   химически

связанных газов (СО2, SO2, O2 и др.). В  процессе провара шихты  эти  газы  в

основном удаляются, однако часть  их остаётся в стекломассе, образуя  крупные

и  мелкие  пузыри.  На  стадии  осветления  при  длительной   выдержке   при

температуре  1500—1600  °С  уменьшается  степень  перенасыщения  стекломассы

газами,  в  результате  чего  пузырьки  больших  размеров   поднимаются   на

поверхность  стекломассы,  а  малые  растворяются  в  ней.   Для   ускорения

осветления в шихту вводят  осветлители,  снижающие  поверхностное  натяжение

стекломассы; стекломасса перемешивается специальными огнеупорными  мешалками

или  через  неё  пропускают  сжатый  воздух  или  др.  газ.  Одновременно  с

осветлением  идёт  гомогенизация  —  усреднение  стекломассы   по   составу.

Неоднородность  стекломассы   обычно   образуется   в   результате   плохого

перемешивания компонентов шихты, высокой  вязкости  расплава,  замедленности

диффузионных   процессов.   Гомогенизации   способствуют   выделяющиеся   из

стекломассы газовые пузыри, которые  перемешивают  неоднородные  микроучастки

и облегчают взаимную диффузию, выравнивая  концентрацию  расплава.  Наиболее

интенсивно  гомогенизация  осуществляется  при  механическом   перемешивании

(наибольшее   распространение   эта   операция   получила   в   производстве

оптического   стекла).   Последняя   стадия   стекловарения   —   охлаждение

стекломассы  («студка»)  до  вязкости,  необходимой для   формования,   что

соответствует температуре 700—1000 °С. Главное  требование  при  «студке»  —

непрерывное медленное снижение температуры  без изменения состава и  давления

газовой среды; при нарушении установившегося  равновесия газов образуется  т.

н. вторичная мошка  (мелкие  пузыри).  Процесс  получения  некоторых  стекол

отличается  специфическими  особенностями.  Например,   плавка   оптического

кварцевого стекла в электрических  стекловаренных  печах  ведётся  сначала  в

вакууме, а в конце плавки  —  в  атмосфере  инертных  газов  под  давлением.

Производство каждого  типа  стекла  определяется  технологической  нормалью.

Формование  изделий  из  стекломассы  осуществляется  механическим  способом

(прокаткой,   прессованием,   прессовыдуванием,   выдуванием   и т.д.)    на

стеклоформующих машинах. После  формования  изделия  подвергают  термической

обработке (отжигу). В результате отжига (выдержки изделий  при  температуре,

близкой  к  температуре  размягчения  стекла)  и   последующего   медленного

охлаждения происходит  релаксация  напряжений,  появляющихся  в  стекле  при

быстром  охлаждении.  В  результате  т.  н.  закалки  в   стекле   возникают

остаточные   напряжения,   обеспечивающие   его   повышенную    механическую

прочность, термостойкость и специфический (безопасный)  характер  разрушения

в сравнении с обычным стеклом (закалённые стекла  применяют  для  остекления

автомобилей, вагонов и т.п. целей).

 

 

 

                                Виды стекла.

 

Строительное стекло, изделия из стекла, применяемые для остекления  световых

проёмов, устройства прозрачных и  полупрозрачных  перегородок,  облицовки  и

отделки стен, лестниц и др. частей зданий. К  строительному  стеклу  относят

также тепло- и  звукоизоляционные  материалы  (пеностекло  и  стекловата)  и

стеклянные трубы.  Строительное  стекло  подразделяют  на  листовое  оконное

стекло,   полированное,   витринное,   армированное,   узорчатое,   цветное,

профилированное,  стеклоблоки,  стеклопакеты,  марблит,   коврово-мозаичное,

увиолевое стекло, стемалит и некоторые  др. виды.

Оконное строительное стекло вырабатывается в виде  плоских  листов  размером

от 400 Х 400 до 1600 Х 2200 мм и толщиной от 2 до 6 мм, плотность  2470—2500

кг/м2 средняя прочность  при  симметричном  изгибе  40Мн/м2  (400  кгс/см2),

светопропускание 84—87%.

Полированное   строительное   стекло   обладает   минимальными   оптическими

искажениями,  применяется  для  остекления  витрин  и  оконных   проёмов   в

общественных зданиях, для зеркал и т.д. Из полированного закалённого стекла

толщиной 10—20 мм изготовляют стеклянные  полотна  для  дверей  размером  от

2200 Х 700 до 2600 Х 1040 мм.

Узорчатое строительное стекло имеет  с одной  стороны  рифлёную  поверхность,

предназначается для рассеяния  света. Размеры его от 400  Х  400  до  1200  Х

1800 мм при толщине 3—6,5 мм. Узорчатое  строительное стекло  с  матовым   или

«морозным»  рисунком используют для остекления лестничных клеток,  внутренних

перегородок.

Цветное строительное стекло  может  быть  окрашенным  по  всей  толщине  или