Химический состав и свойства стекла

Общие сведения о. стекле

Стекло — это аморфное тело, получаемое переохлаждением расплава независимо от состава и температурной области за­твердевания. При постепенном увеличении вязкости оно приоб­ретает механические свойства твердого тела. При этом процесс перехода из жидкого состояния в твердое обратим. Частицы стек­ла расположены в пространстве беспорядочно, что вызывает од­нородность его свойств при измерении их в различных направ­лениях. Оно не имеет определенной температуры плавления или твердения; затвердевает постепенно, переходя через пластическое состояние. Классифицируют стекло по происхождению, химическому со­ставу, основным свойствам и назначению.

По происхождению стекло подразделяют на самородное (гро­зовое, вулканическое, метеоритное) и искусственное; по химиче­скому составу — на органическое (полистирол, полиметилмета-крилат и др.) и неорганическое; по свойствам и назначению — на оптическое, химически устойчивое, термостойкое, посуд­ное и др. •

Химический состав искусственных неорганических стекол чрезвычайно разнообразен. Они могут быть получены переохла­ждением отдельных элементов (серы, селена, фосфора и др.), оксидов, галогенов, сульфидов, селенидов и даже металлов.

Для изготовления бытовой посуды и декоративных изделий используют оксидные стекла, в которых основными стеклообразо-вателями являются оксиды кремния, бора, алюминия и др.

Стекла, в которых основным стеклообразователем является оксид кремния, называют силикатными, стекла, где основными стеклообразователями служат оксиды бора и кремния, — боросиликатными, а стекла с основными стеклообразователями в виде оксидов алюминия, бора и крем­ния — алюмоборосиликатными. Эти оксиды образуют основу структуры стекла и определяют его важнейшие свойства.

Помимо названных кислотных оксидов в состав стекла входят оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов. Из щелочных оксидов используют оксиды натрия, оксиды калия -, оксиды лития; из щелочно-земельных — оксиды кальция, оксиды магния, оксиды цинка, оксиды бария, оксиды свинца.

Каждый оксид привносит присущие ему свойства. Поэтому многие свойства стекла зависят от его химического состава.

Состав стекла выражают через составляющие его оксиды. При этом в названии стекла сначала указывают оксиды однова­лентных элементов, затем — оксиды двухвалентных и т. д. Название главного стеклообразующего оксида помещают в кон­це термина. Так, состав стекла для бытовой посуды содержит около 15 % ок­сидов натрия, 9—10 % оксидов кальция, 70—75 % оксидов крем­ния и небольшие добавки других оксидов; полное его название — натрий-кальций.-силикатное стекло (в торговой практике — про­стое, или сортовое, стекло).

Некоторые стекла имеют исторически сложившиеся названия (хрусталь), другим присваивают условные номера.

Хрусталь представляет собой силикатное стекло различного состава, содержащее оксиды тяжелых металлов — свинца, ба­рия, цинка, которые повышают плотность и улучшают оптические свойства стекла. Хрусталь характеризуется полной бесцвет­ностью, высокой прозрачностью, блеском и игрой света.

Стекло для бытовой посуды и декоративных изделий подразделяют на следующие виды: натрий-кальций-силикатное, специальное бытовое, хрустальное (содер­жит не менее 10% оксидов свинца, бария, цинка), малосвинцо­вый хрусталь (18—24 % РЬО), свинцовый хрусталь (24— 30% РЬО), высокосвинцовый хрусталь (30% и более РЬО), бариевый хрусталь (не менее 18 % ВаО). К специальному быто­вому стеклу относят жаростойкое боросиликатное и алюмоборо-силикатное стекло.

Для изготовления кухонной посуды применяют также ситал-лы. Это непрозрачные белого цвета- стеклокристаллические мате­риалы высокой термостойкости. Их изготовляют путем направ­ленной кристаллизации литий-алюмосиликатного стекла в процессе специальной термической обработки.

Химический состав и свойства стекла

\ Для изготовления посуды применяются натрий-кальций-сили­катное стекло, хрустальные стекла и боросиликатное стекло.

'Ориентировочный состав стекла выражается "нормальной формулой стекла" (К₂О- КО-SiO₂), представляющей собой три-силикат, причем, под К₂О подразумеваются оксиды одновален­тных натрия и калия; оксиды двухвалентных металлов - кальция, магния, свинца и др; наряду с оксидами кремния в состав стекла входят А1₂О₃, Рb₂О₃ и др. В наиболее распространенных составах стекол содержит­ся 14-16% оксидов одновалентных металлов; двухвалентных -в-12% и кремнезема - 71-75%.

Стекло относится к химически устойчивым материалам, спо­собным противостоять разрушающему действию многих химических реагентов.

К важнейшим физическим свойствам стеколотносятся: вязкость, плотность, прочность, хрупкость, твердость, термостойкость и др.

•: Вязкость для каждого типа стекла при определенной температуре является константой.

• Плотность различных стекол колеблется от 2200 кг/м³ до 6000 кг/м³. Известково-натриевое стекло имеет плотность 2500, хрусталь - около 3000 кг/м³ и выше.

Прочность стекла при растяжении небольшая - от 35 _До 90 Мн/м², а при сжатии - от 500 до 2000 Мн/м².

Хрупкость - свойство стекла разрушаться под действием удар, ной нагрузки без пластической деформации. Стекло обладает по­вышенной хрупкостью, оксиды М§О и А1,О₃ понижают ее.

Твердость - способность стекла сопротивляться проникнове­нию в него другого тела. По минералогической шкале твердость стекла 4,5-7,5.

Теплопроводность стекла очень мала и колеблется от 0,7 до 1,34 вт/м-град.

Термическое расширение стекла характеризуется коэффициен­том линейного расширения, который для различных стекол колеб­лется от 5,8-10'⁷ до 151 • 10'⁷, у многих стекол массового применения он равен 100-10"⁷.

Из оптических свойств стекла основными являются прозрач­ность и показатель преломления стекла. Прозрачность стекла за­висит от химического состава стекла и присутствия в нем оксидов железа. Показатель преломления стекол различного состава колеб­лется от 1,475 до 1,96; для обыкновенного стекла он составляет 1,5, для хрусталя - 1,55 и выше.

Классификации и ассортимент стеклянных товаров

Бытовые стеклянные изделия классифицируют по основным признакам: назначению, способу выработки, виду стекла, цвету, размерам, способу нанесения разделки, комплектности и др.

По назначению бытовые стеклянные изделия делят на пять групп: бытовая посуда; художественные изделия; хозяйственная посуда; кухонная посуда; ламповые изделия.

По способу выработки бытовые стеклянные изделия делят на выдувные, прессованные, прессовыдувные и изготовленные цен­тробежным литьем.

По виду стекла изделия бывают натриево-калиево-известковые (обыкновенные), калиево-свинцовые (хрусталь) и боросиликатные (жаростойкие).

По цвету они могут быть цветными и с нацветом.

По размерам изделия подразделяют на мелкие, средние, круп-и особо крупные.

Ведущую роль в создании изделий играет разделка, которая дает широкие возможности их украшения. Разделку не всегда наносят на изделия, а необходимый эффект достигается при ис­пользовании лишь формы и цвета. Наибольшим разнообразием _с точки зрения разделки характеризуется выдувная посуда, менее интересны разделки на прессовыдувной посуде. Украшения на последнюю наносят в процессе выработки.

По комплектности бытовые стеклянные изделия могут быть штучными и комплектными (наборы и сервизы).

Ассортимент стеклянной посуды в зависимости от способа выработки и назначения делят на следующие группы: выдувные изделия; прессованные изделия; прессовыдувные изделия; хрус-[адльные изделия; хозяйственная посуда; кухонная посуда.

Выдувная посуда отличается большим разнообразием: ее ассор­тимент состоит из сотни наименований. Выдувная посуда может быть штучной и комплектной.

Блюдца по назначению делят на чайные-диаметром 110-140 мм и для варенья - диаметром 75-100 мм. Блюда выпускают разных фасонов и размеров - диаметром 275—420 мм.

Бокальчики, бокалы, рюмки и фужеры вырабатывают разных фасонов и размеров. Бокальчики имеют емкость 15-25 см³, рюм­ки- 30-100 см³, бокалы - 110-150 см³, фужеры - 175-350 см³.

По назначению стаканы бывают для чая (ручной и машинной выработки), вина, пива, минеральных и фруктовых вод, а также Дорожные плоские толстостенные.

В ассортимент выдувной посуды входят вазы, графины, кув­шины, масленки, молочники, салатники, сахарницы и т. д.

Чашки с ручкой и кружки для пива имеют ограниченный ассортимент.

Чайницы (для хранения сухого чая) выпускаются с притертой и с металлической оправой.

Приборы для чая (три предмета), приборы для крюшона (де-предметов), приборы для вина (6-7 предметов), приборы для (7 предметов), приборы для молока и предметы для туалет ного прибора относятся к комплектной посуде и характеризуются многофункциональностью.

Ассортимент прессованной посуды значительно уже выдувной Номенклатура прессованных изделий включает в себя блюдца для варенья и чая, вазы для варенья, крема, конфет, печенья, фруктов,, цветов, икорницы, лимоновыжималки, масленки, менажницы, под­носы, рюмки, салатники, сахарницы, стаканы, селедочницы, тарел­ки. Прессованные изделия отличаются простотой форм и декора.

Прессовыдувная посуда имеет ограниченный ассортимент; графины разных фасонов и емкостей, судки столовые из четырех предметов, масленки и др.

К посуде хозяйственной относятся изделия, применяемые для приготовления и хранения пищи, солений, варенья, кваса, воды и др. (банки, бутылки, бочонки разных емкостей). Она вырабаты­вается прессовыдувным способом.

Посуда кухонная из жаростойких стекол, предназначенная для приготовления пищи на открытом огне и бытовых печах типа мик­роволновых, изготавливается методом прессования.

Ассортимент ее состоит из жаровни, кастрюли, сковороды и формы для запекания.

Для изготовления кухонной посуды используются два вида жаростойких стекол:

- жаростойкое боросиликатное;

- стеклокристаллические материалы (ситаллы).
Отформованные изделия из боросиликатного стекла подвергаются специальной термической обработке - закалке путем нагревания в электрических печах (при температуре 650-670 °С) с последующим быстрым охлаждением холодным воздухом в обдувной решетке.

В результате закалки наружные слои стекла сильно сжимаются, а внутренние - растягиваются, благодаря чему в стекле создается равномерное распределение напряжений, которое обеспечивает стеклу высокую механическую прочность и термическую устойчи­вость. При разрушении эти стеклоизделия распадаются на мелкие осколки округлой формы, без острых режущих граней; осколки могут удерживаться вместе.

Разновидностью материалов на основе стекловидных расплавов являются стеклокристаллические материалы (ситаллы), получаемые из специальных составов путем направленной кристаллизации _во время термической обработки. От обычных стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамики - более тонкой микрокристаллической структурой. В состав шихты, помимо основных компонентов, вводят до 18% оксида лития, а также окислители и катализаторы кристаллизации. Изделия после формования нагревают до 650-1175 °С по специальному режиму. Получаемые при этом изделия характеризуются высокой твердостью, прочностью на сжатие, изгиб, удар, а также термостойкостью. Посуда из стеклокристаллических материалов характеризуется большой дол-.говечностью и служит до тех пор, пока морально не устареет.

Хрустальные стекла, используемые для изготовления хрустальных изделий, подразделяются:

- на хрустальное стекло, содержащее в основном 8Ю₂, а количество РЬО, ВаО, К₂0,2пО в отдельности или в сочетании – не менее 10%;

- малосвинцовый хрусталь, содержащий от 18 до 24% РЬО;
|- свинцовый хрусталь, содержащий от 24 до 30% РЬО;

- высокосвинцовый хрусталь, содержащий 30% и более оксида свинца (РЬО);

- бариевый хрусталь - хрустальное стекло, содержащее не менее 18% ВаО и оксиды щелочных металлов.

Хрустальные изделия вырабатываются выдувным и прессован­ным способами.

Ассортимент выдувных хрустальных изделий очень близок вы­дувной посуде: блюда, бокальчики, бокалы, рюмки, фужеры, вазы Для конфет, печенья, варенья, фруктов, вазы для цветов, графины Для вина, кувшины для воды, масленки, салатники, сахарницы, стаканы и т. д. Необходимо отметить, что выпускаются хрустальные изделия как штучные, так и комплектные. Комплектные хрустальные изделия представлены приборами для крюшона, воды, Вина, туалетными приборами и др. Прессованные хрустальные изделия имеют более узкий ассортимент. Для создания иллюзии выдувного изделия на прессованных хрустальных изделиях по отпрессованному от пресс-формы рисунку осуществляется дора­ботка его алмазной гранью.