Материалы к Практической работе №1
Тема: Классификация стекол и их состав. Стекло и его свойства.
| Стекло | Массовое содержание, % | ||||||||
| SiO2 | Аl2O3 | Fе2О3 | СаО | МgO | Na2O | К2O | SO3 | ZnO | |
| Листовое: | |||||||||
| лодочное ВВС | 71,8...72,4 | 1,8...2,2 | 0,2 | 6,4...6,7 | 3,8...4,2 | 14,5...14,9 | 0,5...1,5 0,5 | 0,5 | - |
| безлодочное | 72,0…72,8 | 1,5...1,8 | 0,1 | 8,0...8,1 | 3,5...3,8 | 13,4...13,7 | - | - | |
| Тарное: | |||||||||
| бесцветное БТ-1 | 70,5...73,5 | 1,4...3,4 | 0,1 | 9,7...12,3 | 13,0...15,0 | 0,5 | - | ||
| полубелое ПТ-1 | 69,4...73,4 | 1,5...3,5 | 0,5 | 9,7...12,3 | 13,3...15,1 | 0,4 | - | ||
| зеленое ЗТ-1 | 67,3...73,3 | 1,7...4,7 | 0,8 | 9,7...12,3 | 12,4...15,2 | 0,3 | - | ||
| коричневое КТ-1 | 69,4...73,1 | 1,5...4,1 | 0,5 | 9,7...12,3 | 12,4...15,2 | 0,3 | - | ||
| Глушенное: | |||||||||
| фтором | 67,5...69,0 | - | - | 6,0...7 | - | 4,5...6,5 | 4,3...5 | - | - |
| фосфором | 64,0...66,0 | - | - | 1,0...2,0 | - | 5,0...13,0 | 5,0...15 | - | 4...8 |
| Хрусталь: | |||||||||
| свинцовый | 58,0 | - | РbО 24,0 | 2,0 | - | - | 15,0 | - | 1,0 |
| бариевый | 58,0 | - | - | - | ВаО 24,0 | 3,0 | 15,7 | - | 5,0 |
Таблица 1
Таблица 2. Подотрасли производства стекла.
| Подотрасль | Производимая продукция |
| Листовое стекло | Листовое флоат-стекло для строительства, автомобилестроения и прочее |
| Тарное стекло | Стеклянные бутылки, банки, флаконы, аптечная тара |
| Сортовое стекло | Столовая посуда, художественно-декоративные изделия |
| Стекловолокно* | Непрерывное стекловолокно |
| Специальное стекло | Техническое (светотехническое, оптическое, кварцевое), медицинское, термометрическое, химико-лабораторное, растворимое натрий-калий-силикатное стекло |
СВОЙСТВА СТЁКОЛ
Важными свойствами стёкол являются
1. Механические
2. Термические
3. Электрические
4. Оптические
1.Механические свойства:
1. Плотность
2. Упругость
3. Прочность
4. Твердость
5. Хрупкость
Термические свойства.
1. Теплоёмкость
2. Теплопроводность
3. Температура начала размягчения
4. Термическое расширение
5. Термоустойчивость
Электрические свойства
1. Электрическая проводимость
2. Диэлектрическая проницаемость
3. Диэлектрические потери
4. Диэлектрическая прочность
Оптические свойства стекол
Преломление
Отражение
Рассеяние
Химической стойкостью стекла называют его способность противостоять разрушающему действию агрессивных жидкостей и газов.
Она зависит в основном от содержания кремнезёма и щелочных окислов. Кремнезём значительно увеличивает химическую стойкость, а щелочные окислы, наоборот, понижают её. При этом в ряде литиевых, натриевых, калиевых силикатов первые – относительно более устойчивы, последние – наименее.
При наличии в стекле двух щелочных окислов химическая стойкость стекла выше, нежели устойчивость стёкол, содержащих эквивалентное количество одного или другого из этих окислов. Это явление носит название нейтрализационного эффекта, или эффекта двух щелочей. Характерен он и для других свойств стёкол.
Плотность стёкол (отношение массы к объёму) также зависит от химического состава. Наибольшую плотность имеют стёкла с наибольшим содержанием окиси свинца, далее – бария, далее цинка. Наименьшую плотность имеют кремниевые стёкла.
Твёрдостью называют свойство материалов, определяемое их способностью сопротивляться царапанью. К наиболее твёрдым сортам относятся кварцевые стёкла, а также боросиликатные малощелочные стёкла. Стёкла, богатые щелочными окислами имеют меньшую твёрдость. Наиболее мягкими являются многосвинцовые силикатные стёкла.
Хрупкими называются такие материалы, которые при небольшом превышении предела их прочности внезапно разрушаются. Хрупкость зависит от формы испытываемого образца, а также от его толщины.
Термостойкость - способность стекла, не разрушаясь, выдерживать резкие изменения температуры. Она определяется коэффициентом термического расширения. Чем больше коэффициент, тем меньше термостойкость. Наиболее сильно на неё влияют щелочные окислы. Поэтому при составлении рецептов термостойких стёкол, их заменяют на В2О3. Оксид бора В2O3 снижает температуру плавления, вязкость, поверхностное натяжение и склонность расплава стекла к кристаллизации и ТКЛР, увеличивает термо- и химическую стойкость, улучшает химические свойства.
Теплопроводность стекла измеряется количеством тепла, переносимого через единицу площади в единицу времени при температурном градиенте в 10 . Различные окислы, вводимые в стекло, равно как и замена ими кремнезёма, уменьшают теплопроводность стёкол.
Поташ К2СO3 придает стеклу чистоту, блеск, прозрачность, увеличивая его светопреломление и применяется для производства лучших сортов стекла, в частности хрусталя - одного из видов стекла, используемого для высокохудожественных светильников.
Оксиды СаО, МgO, ZnО и РbО повышают механическую прочность, химическую стойкость, показатель светопреломления стекла и улучшают внешний вид стеклоизделий
Красители
Красители делятся на молекулярные и коллоидные.
Молекулярные – растворяются в стекломассе и окрашивают её в разные цвета. К ним относятся в основном окислы тяжёлых металлов: марганца, кобальта, никеля, хрома, ванадия, железа и т.д. (см. табл.3)
Коллоидные – находятся в стекле в коллоидно-дисперсном состоянии. Окрашивают массу за счёт избирательного поглощения световых лучей и рассеивания их внутри стекломассы. К ним относятся соединения золота, меди, селена, сурьмы, серебра и т. д. (см. табл.4)
Глушители
Для глушения (придания стеклу непрозрачности) наиболее часто применяют фтористые соединения (криолит, натрий кремнефтористый, фтористый кальций и др.). Реже - фосфорнокислые соединения (Ca3PO4, CaHPO4*2H2O), а также соединения олова, мышьяка, циркония, тальк (3MgO*4SiO2*H2O).
Окислители и восстановители
Цветные стёкла варят как в окислительной так и в восстановительной среде.
Окислители: натриевая и калиевая селитры
Восстановители: углерод (кокс, антрацит, древесный уголь, древесные опилки и т.д.)
Соединения олова, сурьмы, мышьяка, металлические алюминий и магний.
Ускорители. Для ускорения варки стекла применяют соединения фтора и хлора, а также нитраты натрия, калия, бария и аммонийные соли, способствующие появлению жидкой фазы при более низких температурах и тем самым увеличению скорости процесса силикатообразования. Шихта с добавкой 1 % фтора при 1450°С проваривается в два раза быстрее, чем шихта без фтора.
Осветлители. Осветлители вводят в шихту для того, чтобы способствовать освобождению стекломассы от видимых пузырей, т. е. ее осветлению. Этим ускоряют процесс стекловарения.
Действие осветлителей заключается в том, что при нагревании они разлагаются с выделением большого количества газообразных продуктов. Улетучиваясь из стекломассы, они способствуют удалению из нее и других газов (пузырей).
Наиболее распространенные осветлители: азотнокислый, хлористый и сернокислый аммоний, хлористый натрий, триоксид мышьяка, сульфат натрия и натриевая селитра. Наиболее эффективные осветлители — аммонийные соли.
Обесцвечиватели. Обесцвечиватели вводят в стекломассу, чтобы устранить нежелательные сине-зеленые или желто-зеленые оттенки, которые стекломасса приобретает из-за примесей железа в сырьевых материалах.
Стекло обесцвечивают химическим и физическим способами.
Обесцвечиватели для химического обесцвечивания. Закисное железо FеО сильнее закрашивает стекло, чем окисное Fe2O3. Интенсивность окраски зависит от общего содержания в стекле оксидов железа. При производстве многих видов изделий из стекла такая окраска не допускается, поэтому для ее устранения и применяют обесцвечивающие материалы.
Сущность химического обесцвечивания стекла состоит в том, чтобы перевести при образовании стекла закисную форму железа в окисную. С этой целью и используют такие сырьевые материалы, которые при нагревании разлагаются с выделением свободного кислорода. Наличие кислорода является непременным условием для успешного протекания основной реакции обесцвечивания:
2FeO + 1/2O2=Fe2O3
Для химического обесцвечивания используют следующие материалы.
Трехокись мышьяка As2O3 при нагревании (при сравнительно низкой температуре) поглощает кислород, превращаясь в пятиокись As2O5. Затем уже при высоких температурах (близких к температурам осветления стекломассы) пятиокись разлагается на трехокись As2O3 с выделением свободного кислорода O2, который и обеспечивает химическое обесцвечивание.
Для обесцвечивания стекла As2O3 рекомендуется вводить 0,3 — 0,5%.
Селитра NaNO3 разлагается с выделением кислорода уже при температурах 400° С. Ее рекомендуется вводить совместно с As2O3: 0,3% трехокиси мышьяка, 1—1,5% селитры.
Сульфат натрия Na2SO4 разлагается при высоких температурах с частичным выделением кислорода.
Двуокись церия CeO2 при высокой температуре разлагается с выделением кислорода: 2 CeO2 = Ce2O3+ 1/2 O2.
Обесцвечиватели для физического обесцвечивания. Сущность физического обесцвечивания состоит в том, что в стекломассу вводят вещества (обесцвечиватели), которые окрашивают стекло, в цвет, дополнительный к существующему, как бы накладывают один цвет на другой. Цвета подбирают таким образом, чтобы уменьшить интенсивность окраски стекла. Однако хотя интенсивность окраски при этом уменьшается, в то же время понижается общая светопрозрачность. В качестве обесцвечивателей используют соединения марганца, селена, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.
Окись марганца Mn2O3 придает стеклу фиолетовый цвет, который дополняет желтую окраску стекла от действия окиси железа.
Селен Se применяют в виде металлического селена или селенистонатриевой соли Na2SeO3. В качестве обесцвечивателя он сообщает стеклу большую прозрачность, чем другие окислители. Особенно эффективно его применение совместно с окисью кобальта.
Закись никеля NiO придает стеклу дополнительный бледно-фиолетовый цвет, используют ее в основном при производстве калиевых и свинцовых стекол.
Окись кобальта CoO придает стеклу дополнительный синий цвет. Ее чаще используют совместно, с закисью никеля и селеном.
Двуокись церия CeO2, окись неодима Nd2O3, окись празеодима Pr2O3 — редкоземельные материалы, которые наиболее часто используют для обесцвечивания
Молекулярные красители
| Краситель | присутствие | Цвет |
| Соединения марганца | ||
| 1. Mn2O3 (окись) 2. KMnO4 (перманганат калия) | Нельзя вводить в шихту восстановители | фиолетовый |
| 3. MnO2 (перекись) | Свинцово-калиевые соли Натриево-кальциевые Соединения железа Бихромат калия | Аметистовый цвет Красновато-фиолетовый Оранжевый, красновато-коричневый Благородный черный |
| Соединения кобальта | ||
| СоО (закись) Со2О3 (окись) | Окраска не зависит от присутствия сульфатов и нитратов Соединения хрома и меди | Синий Сине-зелёные, зелёные, зеленовато-синие различных оттенков. |
| Соединения железа | ||
| FeO (закись) | Сине-зелёный цвет | |
| Fe2O3 (окись) | Соединения серы и уголь | Оранжевый цвет Желтый цвет |
| Fe2O3 (закись-окись) | Зелёный цвет | |
| Соединения никеля | ||
| NiO (закись) Ni(OH)2 Ni2O3 (окись) | К+Са | Красновато-фиолетовый цвет |
| Соединения хрома | ||
| K2Cr2O7 Na2Cr2O7*2H2O K2CrO4 | Сульфаты и (или) нитраты Натриево-кальциевые соединения | Зелёный цвет Зелёный с желтоватым оттенком |
| Соединения меди | ||
| Cu2O CuO CuSo4*5H2O | Натриево-кальциевые соединения Соединения хрома и железа | Голубой зелёный |
Коллоидные красители
| Краситель | присутствие | Цвет |
| Золото+ соляная и азотная кислота | Олово Нитрат серебра | От розового до тёмно-пурпурового Красный оттенок |
| Медь Сu2O (закись) | Виннокаменная соль калия KHC4H4O6 | Интенсивный красный |
| Cелен | Сернистый кадмий | От жёлтого до тёмно-красного |
| Сурьма | Сера и уголь | красный |
| Серебро | Двуокись олова | желтый |