zabika.ru 1 2 3 4

РАЗДЕЛ 4.

СТЕКЛА


1. Понятие стекла. Свойства стекол

в твердом состоянии

Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от химического состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

Все вещества в стеклообразном состоянии обладают рядом общих свойств:

1) находятся в неустойчивом метастабильном состоянии вследствие избыточного запаса внутренней энергии по сравнению с соответствующими кристаллическими веществами;

2) обладают изотропностью свойств;

3) способны к постепенному и обратимому твердению без определенной температуры плавления (имеют некоторый температурный интервал размягчения);

4) вследствие переходного температурного ин-тервала характеризуется резким изменением физических свойств. Особенно четко это проявляется на кривой зависимости вязкости от температуры.



В области низких температур вязкость изменяется по прямолинейному закону, уменьшаясь с повышением температуры. При вязкости 1012 Пас на кривой происходит 1-й изгиб  tg  температура стеклования. Это граница перехода от хрупкого к высоковязкому состоянию. При температуре менее tg стеклообразное вещество приобретает свойства твердого тела. При повышении температуры свыше tg при достижении вязкости 108 Пас происходит 2-й перегиб tf. Он соответствует переходу от высоковязкого к жидкому состоянию. При температуре tf стекло способно вытягиваться в нити.

Плотность стекла зависит от его химического состава: для кварцевого стекла  2200 кг/м3; боросиликатного 2000 кг/м3; специальных (Pb, Ta и т.п.)  до 7500 кг/м3. При повышении температуры от 20 до 1300С плотность большинства стекол снижается в среднем на 15 кг/м3 через каждые 100С.


Предел прочности при сжатии обычных отожженных стекол 500-2000 МПа, при растяжении  в 15-20 раз меньше: 35-100 МПа. Прочность закаленного стекла в 3-4 раза выше.

Твердость в зависимости от химического состава равна 4-10 тыс. МПа или 6-7 единиц по шкале Мооса. Наиболее твердые кварцевое и малощелочное боросиликатное стекло, наиболее мягкие  многосвинцовые.

Хрупкость характеризуется прочностью на удар. В области низких температур (ниже tg) стекло наряду с алмазом и кварцем относится к идеально хрупким материалам. Для силикатных стекол ударная вязкость составляет 1,5-2 кН/м, что в 100 раз меньше, чем у металлов. Почти вдвое повышает прочность на удар введение до 12% В2О3.

Теплопроводность характерезует способность проводить тепло в градиентном температурном поле. Стекло малотеплоапроводно: =0,7-1,3 Вт/мК. С повышением температуры теплопроводность увеличивается, при t tg теплопроводность удваивается.

Оптические свойства: пропускание, поглощение, преломление, рассеяние, дисперсия (разложение «белого» луча на спектр) и отражение света  результат взаимодействия эл.-магнитного излучения с веществом стекла. Характеризуются соответсвующими коэффициентами: отражения (для листового стекла толщиной 1 см R = 8-9%); поглощения А = 0,5-3%; светопропускания Т = 88-90%.

Стекло относится к диэлектрикам, в которых проявляется преимущественно ионная проводимость. При t  200С электропроводность стекол незначительна: 10-11-10-12 Омм-1  стеклянные изоляторы в высоковольтных линиях электропередач. С увеличением содержания щелочных оксидов электропроводность повышается.

Электрическая прочность стекла в однородном электрическом поле достигает высоких значений: 100-300 кВт/мм. В неоднородном электрополе с увеличением температуры и толщины образца пробивное напряжение сильно снижается за счет теплового пробоя, вызванного диэлектрическими потерями.


Химическая стойкость зависит от качества отжига и температуры эксплуатации. Закаленные стекла разрушаются в 1,5-2 раза быстрее, чем хорошо отожженные. С увеличением температуры на каждые 10С в области до 100С скорость растворения стекол увеличивается в 1.5-2 раза.


2. Классификация стекол по составу

По типу неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные, металлические, оксидные, галогенидные, халькогенидные и т.п.

Элементарные  способны образовывать лишь небольшое число элементов  сера (S), селен (Se), мышьяк (As), фосфор (P) и углерод (C).

Стеклообразные S и Se удается получить при быстром переохлаждении расплава; As  методом сублимации в вакууме, Р  при нагревании под давлением свыше 100 МПа, С  в результате длительного пиролиза органических смол.

Промышленное значение имеет стеклоуглерод, обладающий уникальными свойствами  он способен оставаться в твердом состоянии до 3700С; имеет плотность 1500 кг/м3; обладает высокой прочностью, электропроводностью и химической стойкостью.

Галогенидные  получают на основе стеклообразующего компонента BeF2. Мно- гокомпонентные составы фторберрилатных стекол содержат также фториды алюминия, кальция, магния, стронция и бария.

Обладают высокой стойкостью к действию жестких излучений, включая рентгеновские и -лучи, и агрессивных сред  фтора и фтористого водорода.

Халькогенидные  получают в бескислородных системах типа:

GeAsx; GeSbx; GePx

где х  S, Se и Те

Sb  сурьма; Те  теллур

Они прозрачны в области ИК-спектра, обладают полупроводниковой проводимостью электронного типа. Применяются в телевизионных высокочувствительных камерах, в ЭВМ в качестве переключателей или элементов запоминающих устройств.

Оксидные  имеют наибольшее значение в технике и строительстве. В зависимости от основных стеклообразующих компонентов бывают:


 силикатные  SiO2;

 алюмосиликатные  Al2O3, SiO2;

 боросиликатные  B2O3, SiO2;

 бороалюмосиликатные  B2O3, Al2O3, SiO2;

 алюмофосфатные  Al2O3, P2O5;

 бороалюмофосфатные  B2O3, Al2O3, P2O5;

 алюмосиликофосфатные  Al2O3, SiO2, P2O5;

 фосфорванадатные  P2O5, V2O5;

 силикотитанатные  SiO2, TiO2;

 силикоцирконатные SiO2, ZrO2.

Промышленные составы стекол обычо содержат не менее 5 компонентов, а специальные и оптические могут содержать 10 и более компонентов.

Однокомпонентное кварцевое стекло  на основе SiO2  широко используется в технике и быту; наиболее простое по составу и способу производства.

2-х компонентные  бинарные щелочно-силикатные стекла состава Me2OnSiO2

где Me  Na или К; n = 2-4.

Это т.н. растворимые (жидкие) стекла, имеющие большое промышленное значение в производстве кислотостойкого цемента, используются также при реставрационных работах.

Многокомпонентные  составляют основу промышленных стекол: оконного, сортового, автомобильного, тарного и т.п., представляющие собой композиции 3-ой системы Na2O(K2O)CaOSiO2 SiO2  60-80%; CaO  до 10%; Na2O(K2O)  10-25%.

3. Классификация стекол по назначению

В зависимости от технических свойств стекла подразделяют на следующие виды.

1). Оптическое  производство оптических инструментов (луп, окуляров и т.п.), приборов, оптико-технических устройств и астрономических приборов.


2). Светотехническое  светотехническая аппаратура и осветительная арматура, отражатели, светофильтры и т.д.

3). Избирательно-прозрачное для невидимых лучей  производство специальных ламп (ртутных и инфракрасных, рентгеновских трубок), защитных стекол, в измерительной аппаратуре.

4). Радиационно-устойчивое  защитные устройства и специальная аппаратура, работающая в условиях радиационного воздействия.

5). Радиационно-дозиметрическое  защитные дозиметры и индикаторы, детекторы, спектрометры и т.д.

6). Упрочненное  стойкие к механичес ким нагрузкам элементы в строительстве, приборостроении, защитные очки, бытовая посуда и т.п.

7). Безосколочное (триплекс или армированное) безопасное стеклянное ограждение, защитные перегородки, остекленение авиационного, ж/д и автомобильного транспорта.

8). Тугоплавкое  оболочки высокоинтенсивных ламп и термометров, защитные смотровые стекла высокотемпературных устройств и приборов.

9). Термостойкое  производство стеклоизделий, эксплуатируемых в условиях резких колебаний температуры  труб, холодильников, реакторов, аппаратуры и т.д.

10). Химически устойчивое  химическая и лабораторная посуда, реакторы, приборы и т.п.

11). Химико-термически стойкое (аппаратное)  трубопроводы, баллоны, царги, защитные, смотровые стекла, техника, работающая в условиях высоких температур, ме- ханических нагрузок и хим. реагентов.

11). Термометрическое  устойчиво к температурным последствиям: производство трубок, баллонов, капилляров и цилиндров для жидкостных и газовых термометров;

12). Электроизоляционное  обладает высокими диэлектрическими свойствами, химической и термоустойчивостью: электро- и радиоизоляторы, приборы и аппаратура.

13). Электродное  при изменении величины рН раствора электролита или концентрации в нем щелочных ионов на границе стекло-раствор возникает разность потенциалов: изготовление активной (рабочей) части разнообразных стеклянных электродов для определения степени кислотности или щелочности среды.


14). Электровакуумное  обладает четко регламентированными показателями КТР, газопроницаемости и диэлектрических свойств: изготовление оболочек и деталей электро- и радиоламп, электронно-лучевых трубок, в полупроводниковой аппаратуре.

15). Электропроводящее  способно к электронной проводимости: Элементы полупроводников (термисторы), источников ИК излучения (отопительные устройства), стеклонагреватели, электрообогреваемое остекленение транспорта и сооружений, светофильтров и т.д.

16). Люминесцирующее  способно проявлять возбужденную люминесценцию: приборы и устройства квантовой электроники (генераторы, усилители и т.д.).

17). Пористое (пеностекло)  изготовление конструкционных, монтажных и ограждающих элементов и деталей, предназначенных для тепло- и звукоизоляции, фильтрации газов и жидкостей.

18). Волокнистое (стекловолокно)  обладает высокой прочностью при разрыве и гибкостью, низкой теплопроводностью, высоким звукопоглощением и хорошей фильтровальной способностью: производство всевозможных стекловолокнистых материалов (ваты, шпона, пряжи, ленты и т.д.).

20). Растворимое  обладает хорошей растворимостью в воде и способностью образовывать различные водные растворы щелочных силикатов: клеющие и вяжущие материалы, очистительные средства, гидроизоляционные замазки и покрытия и т.п.
4. Виды архитектурно-строительного стекла

1). Конструктивно-строительные элементы: пустотелые стеклоблоки, стеклопрофилит (швеллер, двутавр и т.д.), стеклочерепица, стеклопакеты, подоконники и дождеотливы  для устройства светопрозрачных стен, перегородок, кровли и т.п.

2). Листовое строительное и декоративное стекло: витринное и оконное, полированное и зеркальное, плоское и гнутое, прозрачное и цветное, свето-теплозащитное, пропускающее ультрофилетовые лучи (увиолевое), электрообогреваемое  остекленение оконных и дверных проемов, фонрей, перегородок, витражей и т.д.

3). Облицовочное: коврово-мозаичная плитка, электрополированная или цветная прессованная плитка, стемалит, марблит, смальта, шлакоситаллы  для наружной и внутренней облицовки стен, перегородок и т.п., устройства декоративных панно и витражей, покрытия полов.


4). Тепло- и звукоизоляционное стекло: пеностекло в виде блоков, плит, скорлуп и крошки, стекловолокнистые материалы (вата, ткани, шнур и др.).

5). Гидроизоляционное: стекловолокнистый рулонный холст  гидроизоляция трубопроводов, производство стеклорубероида.

6). Текло для санитарно-технических устройств: отопительные приборы и элементы санузлов  раковины, радиаторы и т.д.

7). Стекло для оборудования внутренних помещений и инвентаря: стеллажи, полки, мебель.

8). Стеклянная осветительная арматура  люстры, торшеры и т.п.
СЫРЬЕВЫЕ Материалы, входящие в состав стекла

Условно делятся на главные и вспомогательные.

Главные материалы:


  • Кремнезем (SiO2).

Главная составляющая часть всех силикатных стекол: 70-73% по массе обычных стекол. Он повышает вязкость и тугоплавкость стекломассы, улучшает физические и химические свойства стекол, повышает химическую и термическую стойкость, понижает КЛТР стекла, его плотность и показатель светопреломления. Встречается в кристаллической (горный хрусталь, агат, яшма) и аморфной (диатомит, трепел, апал) формах. Наиболее распространен в виде кварца.

  • Борный ангидрит B2O3.

Понижает температуру плавления, вязкость, поверхностное натяжение и склонность расплыва стекла кристаллизации, понижает КЛТР, повышает термическую и химическую стойкость, улучшает хим. св-ва.

Применяется в виде борной кислоты или прокаленной буры. Используется при производстве термостойких и специальных стекол (лабораторная посуда).

  • Оксид алюминия Al2O3.

Повышает тугоплавкость, вязкость и температуру размягчения и поверхностное натяжение расплава стекла, улучшает механические свойства, теплопроводность и химическую стойкость, снижает КЛТР.

Используется в виде глины, глинозема, полевого шпата, нефелинсиенита.


  • Щелочные оксиды Na2O, K2O, Li2O.

Играют роль плавней, снижая температуру плавления шихты и вязкость расплава. В обычных стеклах их концентрация не превышает 14-15%.

Повышают плотность, КЛТР и диэлектрическую проницаемость стекла, снижают химическую стойкость и электросопротивление.

Используются в виде соды (Na2CO3 или Na2SO4) и селитры K2NO3.

  • Поташ K2CO3.

Придает блеск, чистоту и прозрачность стеклу, увеличивая его светопреломление. Применяется для производства лучших сортов стекла, в частности  хрусталя.

  • Щелочноземельные оксиды CaO, MgO, ZnO, PbO.

Повышает механическую прочность, химическую стойкость, показатель светопреломления стекла и улучшают его внешний вид.

Применяют в виде мела, известняка, магнезита и т.п.

Вспомогательные материалы:

  • Осветлители  Na2SO4, NaCl, AsO3, селитра, фтористые и аммональные соли.

Вводят от 0,2 до 15%.

  • Обесцвечиватели и красители: FeO, Fe2O3, CoO, NiO, Cr2O3 и др.

FeO  сине-зеленый, Fe2O3  желто-зеленый.

Методы введения:

 химический  добовляют окислители в варящуюся шихту;

 физический  вводят в шихту дополнительные материалы.

Красители:

ионные  катионы переходных и редкоземельных элементов: Ti3+, Ti4+, V3+, V4+ и т.д.

При введении таких катионов в стекло возникают спектры поглощения, характерные для ионного состояния данного компонента. Цвет зависит от их валентного состояния.

молекулярные  сульфиды, селениды и смешанные кристаллы тяжелых металлов: кадмия, сурьмы, висмута, свинца и т.д.


В стекле они присутствуют в виде равномерно распределенных микрообра-зований  до 50 нм.

коллоидные  тяжелые металлы: Cu, Ag, Pt и др., которые могут легко восстанавливать стабильные коллоидные частицы.

Окрашивание  за счет рассеяния света на коллоидных частицах.


  • Глушители  фтористые соединения CaF2, фосфорнокислые соли, окись олова и циркония.

Используют в производстве светотехнических (молочных) стекол.

  • Окислители  селитры Na2NO3, K2NO3.

Окисляют потенциал соединений, присутствующих в стекле.

  • Восстановители: каменный уголь, кокс, древесный уголь, металлы: алюминий, магний и т.д.

Восстанавливают потенциал углеродосодержащих соединений.

Приготовление шихты

Шихтой называются перемешанные до полной однородности предварительно подготовленные сырьевые материалы, отвешенные в определенном соотношении для получения стекла заданного химического состава (см. расчетку №3).

Основное требование, предъявляемое к стекольной шихте  высокая степень однородности.

Основные стадии:

1. Подготовка сырьевых материалов

(измельчение, сушка, сортирование и обогащение)
2. Приготовление шихты

(отвешивание сырьевых компонентов и их перемешивание)
3. Подача в стекловаренную печь

(в кюбелях, вагонетках, транспортером или пневмотранспортом) Для обеспечения однородности шихты важное значение имеют гранулометрический состав материалов и влажность шихты. Особенно важное значение имеет состав песка, как основного компонента шихты. Необходимо, чтобы его зерна были как можно более мелкими для ускорения провариваемости и однородными для снижения расслаиваемости шихты.

Для оптимального перемешивания влажность содовой шихты должна лежать в пределах 3-5%, а сульфатной  до 7%. При меньших значениях ухудшается качество – перемешивания из-за расслаиваемости сухих материалов, при большей  из-за их слипания. Степень влажности песка зависит от размера его зерен  чем больше его активная поверхность, тем больше воды необходимо для его увлажнения при перемешивании.


следующая страница >>