Стекло
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 состоять из 2 слоев — основного бесцветного и тонкого цветного: применяют для витражей, декорирования мебели, остекления зданий.
Профилированное строительное стекло — стекло с профилем швеллерного или коробчатого типа (стекор). Применяется как стеновой материал (гаражи, киоски, автобусные остановки и т.д.), толщина 6 мм, светопропускание 0,6—0,75%.
Марблит — прокатанное глушенное цветное строительное стекло для облицовки стен внутренних помещений промышленных и общественных зданий.
Стеклянные трубы применяются в качестве трубопроводов на заводах химической и пищевой промышленности и в сельском хозяйстве; характеризуются повышенной коррозионной стойкостью в сравнении с металлическими. Потери на трение при протекании жидкости в стеклянных трубах на 22% ниже, чем у новых чугунных, и на 6,5% ниже, чем у новых стальных. Стеклянные трубы выпускаются с внутренним диаметром от 38 до 200 мм.
Стекло оптическое— прозрачное стекло любого химического состава, обладающее высокой степенью однородности. Содержат 46,4% РЬО, 47,0% Si0 и другие оксиды; кроны — 72% SiO щелочные и другие оксиды.
Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др.
Стекло строительное— изделия из стекла, применяемые в строительстве. Строительное стекло служит для стекления световых проёмов, устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок, облицовки и отделки стен, лестниц и других частей зданий. К строительным стеклам, относят также тепло- и звукоизоляционные материалы из стекла (пеностекло и стеклянная вата), стеклянные трубы для скрытой электропроводки, водопровода, канализации и других целей, архитектурные детали, элементы стекложелезобетонных перекрытий и т. д. Большая часть ассортимента строительного стекала служит для остекления световых проёмов: листовое оконное стекло, зеркальное, рифлёное, армированное, узорчатое, двухслойное, пустотелые блоки и др. Тот же ассортимент стекла может быть использован и для устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок.
Листовое оконное стекло, наиболее широко применяемое в строительстве, вырабатывается из расплавленной стекломассы, главным образом вертикальным или горизонтальным непрерывным вытягиванием ленты, от которой по мере её охлаждения и затвердевания отрезаются от одного конца листы требуемых размеров. Существенным недостатком листового оконного стекла является наличие некоторой волнистости, искажающей предметы, просматриваемые через него (в особенности под острым углом).
Зеркальное стекло обрабатывается шлифованием и полировкой с обеих сторон, благодаря чему оно обладает минимальными оптическим искажениями. Современный наиболее распространённый способ производства зеркального стекла состоит в горизонтальной непрерывной прокатке стекломассы между двумя валами, отжиге отформованной ленты в туннельной печи, шлифовке и полировке на механизированных и автоматизированных конвейерных установках. Зеркальное стекло изготовляется толщиной от 4 мм и выше (в особых случаях — до 40 мм), для варки его применяют высококачественные материалы, поэтому оно обладает и более высоким светопропусканием, чем обычное оконное стекло; применяется главным образом для остекления окон и дверей в общественных зданиях, витрин и для изготовления зеркал; механические свойства мало отличаются от механических свойств оконного стекла.
Прокатное узорчатое стекло имеет узорчатую поверхность, получаемую путём прокатки между двумя валками, один из которых рифлёный; вырабатывается как бесцветное, так и цветное; применяется в тех случаях, когда требуется получить рассеянный свет.
Узорчатое стекло с матовыми или «морозным» рисунком применяется для внутренних перегородок, дверных филёнок и остекления лестничных клеток; изготовляется путём обработки поверхности оконного или зеркального стекла. Матовый рисунок получается обработкой поверхности струей песка под шаблон. Рисунок, напоминающий морозный узор на стекле, получают нанесением на поверхность слоя животного клея, который в процессе сушки отрывается вместе с верхними слоями стекла.
Армированное стекло содержит в толще своей проволочную сетку; оно более прочно, чем обычное; при разбивании ударами или растрескивании во время пожара осколки его рассыпаются, будучи связанными арматурой; поэтому армированное стекло применяют для остекления фонарей промышленных и общественных зданий, кабин подъёмников, лестничных клеток, проёмов противопожарных стен. Вырабатывается методом непрерывного проката между валками с закаткой проволочной сетки, сматываемой с отдельного барабана. Волнистое армированное стекло, по форме напоминающее волнистые асбестоцементные листы, применяется для устройства перегородок, фонарей, перекрытия стеклянных галерей и пассажей.
Сдвоенные (пакетные) стекла с воздушной или светорассеивающей прослойкой (например, из стеклянного волокна) обладают хорошими теплоизоляционными свойствами; изготовляются путём склейки 2 оконных стекол с прокладной рамкой. Толщина сдвоенных стекол с воздушной прослойкой 12—15 мм.
Пустотелые стеклянные блоки изготовляются путём прессования и последующей сварки двух стеклянных полукоробок; применяются для заполнения световых проёмов, главным образом в промышленных зданиях; обеспечивают хорошую освещённость рабочих мест и обладают высокими теплоизоляционными свойствами. Укладка блоков в проёмы производится на строительном растворе в виде панелей, перевязанных металлическими переплётами.
Облицовочное стекло (марблит) представляет собой непрозрачное цветное листовое стекло. Изготовляется путём периодической прокатки стекломассы на литейном столе с последующим отжигом в туннельных печах. Применяется для отделки фасадов и интерьеров жилых и общественных зданий. К облицовочному стеклу относится также цветное металлизированное стекло.
Стекло кварцевое— содержит не менее 99% SiO- (кварца). Кварцевое стекло выплавляют при температуре более 1700° С из самых чистых разновидностей кристаллического кварца, горного хрусталя, жильного кварца или чистых кварцевых песков. Кварцевое стекло пропускает ультрафиолетовые лучи, имеет очень высокую температуру плавления, благодаря небольшому коэффициенту расширения выдерживает резкое изменение температур, стойкое по отношению к воде и кислотам. Кварцевое стекло применяют для изготовления лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, изоляционных материалов, ртутных ламп («горное солнце»), применяемых в медицине и др.
Стекло органическое (плексиглас) — прозрачная бесцветная пластическая масса, образующаяся при полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты. Легко поддается механической обработке. Применяется как листовое стекло в авиа- и машиностроении, для изготовления бытовых изделий, средств защиты в лабораториях и др.
Стекло рсстворимое— смесь силикатов натрия и калия (или только натрия), водные растворы которых называются жидким стеклом. Растворимое стекло применяют для изготовления кислотоупорных цементов и бетонов, для пропитки тканей, изготовления огнезащитных красок, силикагеля, для укрепления слабых грунтов, канцелярского клея и др.
Стекло химико-лабораторное— стекло, обладающее высокой химической и термической стойкостью. Для повышения этих свойств в состав стекла вводят оксиды цинка и бора.
Стекловолокно— искусственное волокно строго цилиндрической формы с гладкой поверхностью, получаемое вытягиванием или расчленением расплавленного стекла. Широко применяется в химической промышленности для фильтрации горячих кислых и щелочных растворов, очистки горячего воздуха и газов, изготовления сальниковых набивок в кислотных насосах, армирования стеклопластиков и др.
Оптическое стекло.
Стекло для оптических приборов изготовлялось уже в 18 веке, однако возникновения собственно производства оптического стекла относится к началу 19 века, когда швейцарским учёным П. Гинаном был изобретён способ механического размешивания стекломассы во время варки и охлаждения — круговым движением глиняного стержня, вертикально погруженного в стекло. Этот приём, сохранившийся до настоящего времени, позволил получить стекло высокой степени однородности. Производство оптического стекла получило дальнейшее развитие благодаря совместным работам немецких учёных Э. Аббе и Ф. О. Шотта, в результате которых в 1886 возник известный стекольный завод товарищества Шотт в Иене (Германия), впервые выпустивший огромное многообразие современных оптических стекол. До 1914 производство оптического стекла существовало только в Англии, Франции и Германии. В России начало производства оптического стекла относится к 1916. Оно достигло большого развития только после Великой Октябрьской социалистической революции благодаря работам советских учёных Д. С. Рождественского, И. В. Гребенщикова, Г. Ю. Жуковского, Н. Н. Качалова и др.
Основное требование, предъявляемое к оптическому стеклу— это высокая степень однородности. Отсутствие однородности вызывает отклонение лучей света от их правильного пути, что делает стекло негодным для его прямого назначения. Однородность оптического стекла нарушается причинами химического и физического порядка. Химическая неоднородность обусловлена местными изменениями химического состава и устраняется размешиванием оптического стекла в процессе варки. Физическая неоднородность вызывается напряжениями, возникающими в процессе охлаждения оптического стекла, и устраняется тщательным отжигом. Оптическое стекло должно иметь определённые оптические свойства— точные величины показателей преломления для лучей различных длин волн. Большой ассортимент оптического стекла с различными показателями преломления и средней дисперсией имеет огромное значение при расчёте и конструировании оптических систем для снижения их дефектов, в частности для уничтожения вредного влияния вторичного спектра и исправления качества изображения.
Оптические свойства стекла зависят от его химического состава. Разнообразным сочетанием окислов удаётся получить стекло с требуемыми значениями оптических постоянных. Некоторые сорта оптического стекла, например, не содержат кремнезёма (основного составляющего любого стекла), другие содержат обычно применяемые окислители, но в чрезвычайно больших количествах. Прозрачность оптического стекла должна быть высокой, порядка 90—97% на 100 мм пути луча в стекле. Оптическое стекло должно быть химически устойчивым по отношению к действию влажной атмосферы и к действию слабых кислот, характеризующему «пятнимость» их, т. е. чувствительность к прикосновению рук.
Для производства оптического стекла применяются такие же сырьевые материалы, как и для других типов стекол. Однако требования к чистоте сырья весьма высоки. Особенно вредными примесями являются соединения железа и хрома, окрашивающие стекло и увеличивающие его светопоглощепие. Варка оптического стекла производится в одно-, двухгоршковых печах. Важнейшая операция в производстве оптического стекла— размешивание стекла в процессе варки и, особенно в процессе охлаждения. Для разделки оптического стекла применяются три способа:
1) охлаждение стекла вместе с горшком с последующей разбивкой на куски и формовкой этих кусков в нагретом состоянии;
2) отливка стекломассы в железную форму;
3) прокатка в лист отлитой на стол стекломассы.
Оптические стекла выпускаются стекловаренными заводами в виде прямоугольных кусков различных размеров «плитки» и в виде заготовок — «прессовки» (линзы, призмы).
К оптическим стеклам можно отнести также и специально окрашенные цветные стекла, применяемые для изготовления точных светофильтров, которые в виде плоско-параллельных пластин часто применяются в оптических приборах и служат для изменения спектрального состава проходящего через них света. Эти цветные стекла изготовляются на заводах оптического стекла теми же приёмами, что и оптическое стекло.
7