Стекло Понятие о стекле. Классификация стекла

Стеклом называют аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температуры затвердевания и обладающие механическими свойствами твердых тел.

Процесс перехода их жидкого состояния в стекловидное должно быть обратимым. По происхождению стекла делятся на искусственные и природные.

К природным относятся стекла, образующиеся в результате вулканического извержения (……………… стекло). К искусственным – все стекла, созданные человеком. Они бывают органические и неорганические.

Оргстекло – пластмассы, получаемые на основе органического происхождения (смол). Из-за недостаточно высокой прозрачности, малой долговечности, малой химической стойкости оргстекло не нашло широкого применения.

Неорганическое стекло – получается из неорганических материалов и в зависимости от стеклообразования оксида выделяют следующие виды:

• силикатное (SiO₂);

• боратное (B₂O₃);

• боросиликатное (SiO₂ + B₂O₃).

Обязательно присутствуют оксиды: СаО, МgO, Al₂O₃, BaO, PbO, ZnO, MnO, CuO.

По назначению изделия из стекла делятся на:

1. технические

2. строительные

3. бытовые.

К техническим относятся: оптические, медицинские, химико-лаборатные, электротехнические, электродные, приборные, тепло-, звуко-, электроизоляционные, светотехнические, трубы, технические зеркала, фотостекло, стеклоткани и пластины, фильтры, стеклообразивы, различные детали машин (это самый большой класс).

К строительным относят: оконное, витринное, профилированное, узорчатое, пеностекло, армированное стекло, мозаика, стеклоблоки и пакеты, стеклоткани.

К бытовым: посуда, стеклотара, зеркала бытовые, украшения, кинескопы.

По роду обработки делятся на :

• изделия, подвергающиеся тепловой обработке;

• изделия, поверхность которых имеет механическую холодную обработку;

• с механической холодной обработкой краев изделий;

• с химической обработкой поверхности;

• с поверхностным покрытием.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к каждой группе изделий, разработаны составы стекол в % по массе оксидов.

Свойства стекла

1. плотность зависит от состава стекла и находятся в пределах 2 200…2 900 кг/м³. зависит от температуры: с повышением температуры плотность снижается.

2. прочность. Предел прочности на сжатие 500…2 000 МПа. Предел прочности при растяжении намного ниже 35…100 МПа. На прочности влияет химический состав.

3. твердость – способность материалом оказывать сопротивление, проникающих в него более твердых материалов. К твердым сортам относят те, где содержание В₂О₃  12 %. (по шкале Мооса - 7). Оконное стекло – 5…6.

4. хрупкость – способность стекла противостоять удару. На хрупкость влияют однородность и толщина изделий. Чем меньше посторонних включений, тем более оно однородно, тем менее хрупко. Хрупкость не зависит от химического состава.

5. теплоемкость характеризуется удельной теплоемкостью (Дж/кг·⁰С) стекла в зависимости от химического состава при комнатной температуре 0,33…1,05 Дж/кг·⁰С.

6. теплопроводность – способность материала пропускать тепло сквозь свою толщу от одной поверхности к другой, если у этих поверхностей разные температуры. Характеризуется коэффициентом , Вт/м·⁰С.  = 0,95…0,98 Вт/м·⁰С. Кварцевое стекло имеет наибольший коэффициент . SiO₂ повышает теплопроводность. С увеличением температуры теплопроводность увеличивается.

7. температура начала размягчения характеризуется температурой, при которой изделие начинает деформироваться. Данное свойство существенно влияет на производство стекла. Температура обжига стекла принимается на 20…30⁰С ниже его температуры размягчения. С тем, чтобы изделие не деформировалось. Наивысшую температуру размягчения 1 200…1 500⁰С имеет кварцевое стекло, 500…700⁰С – оконное стекло.

8. тепловое расширение характеризуется увеличением линейных размеров тел при нагревании. Коэффициент теплового линейного расширения : для кварцевого стекла  = 5,8 · 10^-7 1/град; для оконного стекла  = 8,8 · 10^-7 1/град.

9. термическая стойкость – способность стекла выдерживать резкое изменение температур, не разрушаясь. Наибольшей термической стойкостью обладает кварцевое стекло до 1 000⁰С, оконное стекло 80…90⁰С. Термостойкость стекла главным образом зависит от коэффициента термического расширения. Чем он выше, тем ниже его термостойкость.

10. оптические свойства подразумевают его светопрозрачность, светопоглощение, отражение и преломление света. При попадании пучка света на поверхность прозрачного тела часть света отражается, а часть проходит через него, преломляясь. Если сложить свет отраженный и свет преломленный, то не получится количество света, падающего на стекло. Небольшая часть света поглощается стеклом. Поглощение света обусловлено присутствием в стекле красителей, которые вызывают избирательное поглощение, то есть поглощение луча определенной длины. Такими свойствами обладают оксиды Fe, FeO, Fe₂O₃. Светопоглощение ниже общей светопрозрачности стекла (светопрозрачность оконного стекла равна 88 %). Для получения стекла с большей светопрозрачностью сводят к …………..

оконное стекло состоит:

SiO₂ – 72 %

Al₂O₃ – 1,5 %

CaO – 8,5 %

MgO – 3,5 %

Na₂O + K₂O – 14 %

Основные реакции, проходящие при варке стекла:

До 300⁰С – MgNa₂(CO₃)₂

300⁰C – MgCO₃ начало диссоциации → MgO + CO₂

400⁰С – СаNa₂(CO₃)₂

420⁰С – СаСО₃ → СаО + СО₂

В интервале температур 340…620⁰С –

MgNa₂(CO₃)₂ + SiO₂ → MgSiO₃ + Na₂SiO₃ + CO₂

450…700⁰C – MgCO₃ + SiO₂ → MgSiO₃ + CO₂

585…900⁰C – Са Na₂(CO₃)₂ + SiO₂ → CaSiO₃ + Na₂SiO₃ + CO₂

700…900⁰C – Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂

600…920⁰C – CaCO₃ + SiO₂ → CaSiO₃ + CO₂

720…880⁰C – появляется жидкая фаза силиката магния и натрия с кремнеземом и 2-х углекислых солей с Na₂CO₃

980…1 150⁰C – MgO + SiO₂ → MgSiO₃

1 010…1 150⁰C – CaO + SiO₂ → CaSiO₃

1 200⁰C - CaSiO₃ + MgSiO₃ → CaSiO₃ · MgSiO₃

1 150…1 200⁰C – полное растворение зерен кварца и силикатов кальция и магния.

На скорость протекания стеклообразования влияет температура. При повышении температуры на 10⁰С до 1 450⁰С скорость увеличивается на 5 %. Скорость протекания стеклообразования в 8…9 раз ниже скорости силикатообразования. Повышенное содержание в растворе щелочей ускоряет процесс.