Общие сведения
Стекло – аморфно-кристаллический материал, полученный из расплава оксидов. Благодаря своим свойствам (твердости, прозрачности, химической стойкости и др.) стекло получило широкое применение для изготовления различных видов посуды, строительных товаров, а также в авто-, судо- самолетостроении и др. отраслях.
В связи с развитием радиоэлектроники, ракетной и ядерной техники, физики полупроводников потребовались особые виды стекол, отличающихся комплексом заранее заданных свойств. Для изготовления полупроводниковой техники используют новые классы стекол – бескислородные: сульфидные, селенидные, теллуридные, из окислов ванадия. Для этих целей, а также для развития волоконной оптики потребовались спектрально чистые кремнеземные материалы.
Для получения фоточувствительных стекол и новых стеклокристаллических материалов – ситаллов – используют соединения лития.
Организовано производство полированного стекла без шлифовальных и полировальных конвейерных установок.
Значительно возросла роль производства стекловолокна и стеклопластиков на его основе.
1. Сырьевые материалы для стекловарения.
Сырьевые материалы для производства стекла делятся на:
- основные (стеклообразующие), при помощи которых в состав стекла вводятся кислотные (SiO2, B2O3, Al2O3), щелочноземельные (CaO, MgO, BaO, ZnO, PbO) и щелочные (Na2O, K2O, Li2 O) оксиды;
- – двуокись кремния (кремнезем), температура плавления 1713.. вспомогательные (осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители и др.), применяемые для придания стеклу необходимых качеств и свойств.
SiO2 - Определяет основные свойства стекла – химическую стойкость, термические, механические и оптические свойства. Для ввода SiO2 в состав стекла используют кварцевый песок, песчаники, кварциты, жильный кварц. Минералогический состав этих материалов неоднороден. В их состав входят примеси полевого шпата, каолинита и др. минералов, содержащие оксиды железа, хрома и др., придающих стеклу нежелательные окраски (бурую, зеленоватую). Кроме того, они часто являются тугоплавкими и вызывают появление порока в стекле – шахтного камня. В связи с этим содержание данных окислов ограничивается:
- окиси железа –не более 0,1% для сортового стекла и не более 0,012% для хрусталя;
- двуокиси титана –0,01-0,2%;
- окиси хрома – 0,05-0,1%.
В2О3 - окись бора. Вводится в состав в виде борной кислоты, буры или боросодержащих минералов. Понижает коэффициент термического расширения, температуру варки, вязкость стекломассы. Повышает химическую, термическую устойчивость, прочность.
Аl2О3 – окись алюминия, вводится в виде глинозема, полевого шпата, пегматита, каолина, гранита. Повышает термическую и химическую стойкость стекла.
МgО, СаО – окись магния и окись кальция вводятся применением доломита, известняка, мрамора, мела. СаО повышает химическую стойкость, ускоряет варку, осветляет стекломассу; МgО снижает коэффициент термического расширения, способность к кристаллизации, повышает вязкость, прочность, химическую стойкость.
ВаО – окись бария, вводится солями бария. Повышает оптические свойства, способствует равномерному окрашиванию стекломассы.
ZnО - окись цинка, вводится с цинковыми белилами. Повышает химическую и термическую стойкость, прочность при сжатии и расширении, преломление, блеск, прозрачность стекол.
РвО – окись свинца, вводится со свинцовым глетом или суриком. Используется для изготовления хрусталя.
Nа2О – окись натрия вводят в состав стекла с кальцинированной содой, сульфитом натрия, содопоташной смесью, при использовании полевошпатных пород. Снижает температуру варки, ускоряет процесс стеклообразования, осветляет.
К2О – окись калия вводится применением поташа, содопоташной смеси, полевошпатных пород. Действует аналогично окиси натрия, а также повышает оптические свойства.
Li2О – оксид лития вводят с углекислым литием либо с минералами, содержащими литий – сподуменом и др.
Осветлители – предназначены для осветления стекломассы (удаления пузырьков газов) при варке. Используют вещества, разлагающиеся с образованием большого количества газов – селитру, соли аммония. Триоксид мышьяка. Крупные газовые образования легко пронизывают вязкую стекломассу, захватывая попутно мелкие пузырьки газов.
Обесцвечиватели – удаляют нежелательные оттенки, связанные с присутствием в сырье оксидов железа, хрома и др. По характеру действия обесцвечиватели делят на 2 группы:
1. химические –представляют собой соединения, переводящие одни окислы металлов в другие, менее окрашенные (закись железа в окись железа, которая окрашена в 10 раз менее интенсивно): селитра, трехокись мышьяка, сурьмы;
2. физические – красящие окислы, при использовании которых происходит наложение цветов и их взаимное уничтожение. Для этих целей применяют оксиды марганца, никеля, селена, редкоземельных металлов.
Красители. Используемые для получения окрашенного стекла соединения по характеру действия делят на 2 группы:
1. молекулярные красители – оксиды металлов, которые растворяются в стекломассе, вступая с ней в соединение. Полученный цвет зависит от концентрации красителя и вида стекломассы. Так, закись кобальта в соотношении 0,1-0,5% окрашивает стекло в синий цвет, при большем содержании – в фиолетовый с красноватым оттенком.
Калиевые стекла окрашиваются интенсивнее натриевых. Перекись марганца окрашивает калиевое стекло в красновато-фиолетовый цвет, а натриевое – фиолетовый с коричневатым оттенком.
Смесь оксидов кобальта и марганца дает пурпурный, фиолетовый и черный цвета.
Окись меди окрашивает стекло в голубой (1-2%) или зеленый (св.2%)цвета, закись железа – в сине-зеленый, окись железа – желтый, а их смесь –в зеленый цвет. Желтое стекло дают также сернистый кадмий, сернистое железо, окись урана.
2. коллоидные (дисперсные) красители – частички металлов, образующие со стеклом коллоидные частицы, проявляются при наводке (тепловой обработке). Цвет зависит от размеров коллоидных частиц. К коллоидным красителям относят красители красного цвета- рубины - золотой (кроваво-красный),медный(с фиолетовым оттенком), селеновый(пламенно-красный, с оранжевым оттенком), а также желтый (азотнокислое серебро).
3. Для окрашивания стекла используют также редкоземельные элементы для получения цветов:
желтого – двуокись церия с двуокисью титана, или окись самария;
лимонно-желтого – необожженный перлит с двуокисью церия или двуокисью титана;
янтарно-желтого – окись церия;
зелено-золотистого-окись празеодима;
фиолетово-сиреневый – окись неодима;
розово-фиолетовый – окись неодима с металлическим селеном;
темно-розовый – окись эрбия;
красный – дидим с селеном;
селеновый рубин – селен и неодим.
Глушители используют для получения непрозрачного стекла. При этом в зависимости от светопропускания стекло бывает молочным (коэффициент светопропускания не менее 0,6) или опаловым (менее 0,6). В качестве глушителей применяют фосфорно-кислый кальций, костяную муку, криолит, окись олова, кремнефтористый натрий, а также соединения цинка, фосфора, фтора, тальк.
Виды стекла
Используемые в промышленности и быту силикатные стекла можно подразделить на следующие группы:
1 кальций-натрий-силикатные (обыкновенные). Они имеют достаточную химическую и термическую стойкость (до 95оС), твердость (7-7,5 по шкале Мооса), прозрачность. Их состав определяется назначением, способом выработки и применяемым сырьем.
Приближенный состав: 70-76% оксида кремния, по 8-10% щелочных и щелочноземельных оксидов. Соотношение используемых оксидов определяет свойства и применение стекла. Так, при преобладании оксидов калия (калийны е стекла) оптические свойства стекла повышаются, стекло применяется для изготовления сортовой посуды. Стекла с превышением содержания оксидов натрия (натриевые) используют для тары, строительства, технических целей.
2 хрустальное стекло имеет голубоватый оттенок, большую прозрачность, блеск. Высокое лучепреломление (“играет” на свету). Повышенную плотность. При ударе издают продолжительный мелодичный звук. В зависимости от состава различают хрусталь свинцовый и бессвинцовый.
Свинцовый хрусталь содержит повышенное содержание оксидов калия, цинка, свинца. По содержанию оксидов свинца различают:
- стекло хрустальное, содержащее не менее 10% РbО;
- малосвинцовый хрусталь – 18-24%;
- свинцовый хрусталь –24-30%,
- высокосвинцовый хрусталь – 30-38% РbО.
С увеличением содержания оксидов свинца повышаются оптические свойства и плотность, но снижаются твердость (1,5-2 по шкале Мооса), химическая и термическая стойкость.
Бессвинцовый хрусталь бывает бариевый (не менее 20% оксида бария), циркониевый (8-10% оксида циркония), лантановый (4% оксида лантана). Такой хрусталь не “играет”, имеет повышенную по сравнению со свинцовым хрусталем твердость и поэтому не украшается алмазной гранью.
Стекло с содержанием 7-10% оксида бария называют “ богемское стекло ”.
Хрустальные стекла с повышенным содержанием оксидов свинца, лантана, бария, цинка и др. применяются в качестве оптических стекол. Основное требование к ним - высокая степень однородности, которая обеспечивается тщательным размешиванием массы в процессе варки и тщательным отжигом. Наиболее высококачественная оптика вырабатывается при использовании лантанов ого стекла, которое дает высокую четкость по всему полю изображения. Оптические стекла (кроны, флинты) выпускаются разных марок, отличающихся показателем преломления и прозрачностью в разных спектрах.
4. жаростойкое стекло применяется в технических целях, а также для изготовления бытовой жаростойкой посуды.
- Кварцевое стекло состоит из чистого кремнезема, его состав аналогичен горному хрусталю. Это стекло термостойкое (температура плавления кремнезема 1713оС) огнеупорное, химически и радиационностойкое. Применяется для остекления космических аппаратов, деталей приборов, смотровых стекол, световодов волоконной оптики.
- Боросиликатное стекло содержит до 12,5% борного ангидрида. Может быть прозрачным –“ мерефи ” или непрозрачным – “ пирекс ”. Используется для бытовой посуды – столовой, чайно-кофейной, хозяйственной, а также для технических целей.
- Лабораторное стекло содержит 18% оксида алюминия и 4-6% борного ангидрида. Обладает высокими химической и термической стойкостью, прозрачностью, бесцветностью. Используется для изготовления всех видов лабораторной посуды.
- Ситаллы –стекла кристаллической структуры, благодаря которой приобретают устойчивость к высоким (до 300оС) температурам и резким перепадам температур. Получают их, вводя в состав стекломассы частичек металлов (центры кристаллизации). Для строительных целей применяют шлакоситаллы, для технических и бытовых изделий – литийсодержащие ситаллы.
5. Безопасное стекло при разрушении не дает острых осколков. К безопасному стеклу относят:
- натриевое алюмосиликатное закаленное стекло (“ дюралекс ”), которое получают быстрым охлаждением струей воздуха нагретых до 600-650оС изделий;
- триплекс (безопасное трехслойное) состоит из двух слоев силикатного стекла, склеенных бутифолем или целлулоидом в автоклавах под давлением.
- многослойное защитное стекло - это склеенные между собой полимерными материалами в различных сочетаниях силикатные стекла, силикатные с органическим, поликарбонатом или упрочняющими пленками. Его подразделяют на ударостойкое, выдерживающее многократный удар свободно падающего тела; устойчивое к пробиванию (обухом и лезвием топора) и пулестойкое (бронестекло). Каждое из них вырабатывается нескольких марок в зависимости от характеристик.
Безопасные стекла применяют для остекления зданий, автотранспорта, в самолетах, танках, кораблях.
Способы выработки стеклоизделий
Стеклянные изделия вырабатывают выдуванием, прессованием, прессовыдуванием, центробежным литьем, а листовые и профильные изделия - вертикальной вытяжкой и прокаткой.
Выдуванием получают все виды посуды, лабораторное и ламповое стекло. Эти изделия отличаются повышенной прозрачностью, имеют разную толщину стенок, разнообразные фасоны и разделки. Комплектные изделия ручного выдувания могут различаться между собой по толщине и высоте корпуса, стенок, ножек. При машинном выдувании изделия мало отличимы по размерным признакам. Выдувание без формы (свободное, гутенская работа) дает разнообразные высокохудожественные изделия. При последовательном выдувании в двух формах (сначала в граненой, затем в круглой) можно получить изделия с внутренней гранью.
Прессованием получают посуду простых форм (плоские или с большим верхним диаметром), толстостенные, менее прозрачные, обычно с рельефными рисунками, полученными от прессформы. Непрерывным прессованием получают некоторые профильные изделия (трубы, прутки, а также стекловолокно).
При прессовыдувании сначала прессуют заготовку (баночку с горлышком), а затем выдувают ее в разъемной форме. Такие изделия имеют шов по периметру стыка составной формы. Этим способом вырабатывают стеклянную тару (банки, бутылки, парфюмерные флаконы).
Методом центробежного литья получают крупногабаритные изделия, имеющие форму тел вращения (плафоны для метро и проч.).
При вертикальной вытяжке листы стекла формуются, вследствие вытекания расплавленной стекломассы под действием силы тяжести.
Горизонтальной прокаткой вырабатывают оконное стекло, перемещая его между валками прокатной машины.
После формования изделий они проходят операцию отжига, которая заключается в нагревании и медленном охлаждении изделий, что необходимо для снятия внутренних напряжений.