Виды стекол

Стекло может быть получено путём охлаждения расплавов без кристаллизации. Практически любое вещество из расплавленного состояния может быть переведено в стеклообразное состояние. Некоторые расплавы (как то — отдельных стеклообразующих веществ) не требуют для этого быстрого охлаждения. Однако некоторые вещества (такие как металлосодержащие расплавы) требуют очень быстрого охлаждения, чтобы избежать кристаллизации. Так, для получения металлических стёкол необходимы скорости охлаждения 100000—1000000 К/с.

Согласно определению Комиссии по терминологии АН СССР (1932 г.) «стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их состава и температурной области затвердевания, и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым».

Из определения следует, что в стеклообразном состоянии могут находиться вещества, принадлежащие к разным классам химических соединений.

Вопрос классификации стекла достаточно сложный, так как различать этот материал можно по различным параметрам.

Классифицируют стекло по происхождению, химическому составу, основным свойствам и назначению.

По происхождению природное (вулканического или естественного происхождения) и искусственное стекло.

Стекло делят на неорганическое и органическое стекло.

Стекло органическое - оргстекло- это техническое название.

!!!!Эти органические материалы только формально именуются стеклом, и относятся к совершенно иному классу веществ.

Органические стекла представляют собой органические полимеры – полиакрилаты, поликарбонаты, полистирол, сополимеры винилхлорида с метилметакрилатом, находящиеся в стеклообразном состоянии. Наибольшее практическое применение нашли стекла на основе полиметилметакрилата. По своей технологии, механизму твердения и строению органические стекла существенно отличаются от неорганических и составляют особый объект изучения. Создан в 1928 году, с 1933 года началось его промышленное производство.

Органи́ческое стекло́ (оргстекло́), или полиметилметакрилат (ПММА) — синтетический полимер метилметакрилата, термопластичный прозрачный пластик, продаваемый под торговыми марками плексиглас, лимакрил, перспекс, плазкрил, акрилекс, акрилайт, акрипласт и др., также известный под названием акриловое стекло, акрил, плекс.

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, строительстве и архитектуре, приборостроении, остекления парников, куполов, окон, в медицине -протезы, линзы в оптике, контактные линзы, труб в пищевой промышленности и др.

Наибольшее распространение получило неорганическое стекло, характеризующееся высокими механическими тепловыми, химическими и др. свойствами. Основная масса неорганического стекла выпускается для строительства (главным образом, листовое стекло) и для изготовления тары.

Неорганические стекла делятся на несколько типов по химическому составу:

элементарные,

галогенидные,

халькогенидные,

оксидные,

металлические,

сульфатные,

нитратные,

карбонатные и др.

Неорганические стекла также классифицируют (относительно кислорода) на:

- кислородные (оксидные) стекла, в состав которых входят окислы фосфора, алюминия, бора и т.д;

- бескислородные стекла, стекла на основе

халькогенидов мышьяка (As2S3), сурьмы (Sb2Se3) и т.д., галогенидов бериллия

(BeFz) и т.д

Элементарные (одноатомные) стекла способны образовывать лишь небольшое число элементов – сера, селен, мышьяк, фосфор, углерод. Элементарными называются стекла, состоящие из атомов одного элемента. Стеклообразные серу и селен удается получить при быстром переохлаждении расплава; мышьяк – методом сублимации в вакууме; фосфор – при нагревании до 250 ºС под давлением более 100 МПа; углерод – в результате длительного пиролиза органических смол. Промышленное значение находит стеклоуглерод, обладающий уникальными свойствами, превосходящими свойства кристаллических модификаций углерода: он способен оставаться в твердом состоянии вплоть до 3700 ºС, имеет низкую плотность, порядка 1500 кг/м³, обладает высокой механической прочностью, электропроводностью, химически устойчив.

Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего компонента BeF2. Из других фторидов в состав стекла обычно вводят фториды алюминия, магния, кальция, стронция и бария. Фториды щелочных металлов непрактичны из-за малой химической стойкости. К наиболее ценным качествам фторобериллатных стекол относится их высокая устойчивость к действию жестких излучений (ультрафиолетовых, рентгеновских, –лучей) и таких агрессивных сред, как фтор и фтористый водород. Они обладают также повышенным пропусканием в крайних ближних областях спектра. Показатель преломления их ниже, чем любых других типов стекол, и при высоком содержании BeF₂ может быть даже более низким, чем у воды. Показатели преломления чистого BeF₂ и воды соответственно равны 1,275 и 1,33.

Фторобериллатные стекла являются уникальным классом стекол с анионной проводимостью.

Халькогенидными стеклами называют стекла, образованные из сульфидов, селенидов и теллуридов. Стеклообразователями в таких системах следует считать серу, селен и теллур. В сочетании с ними в состав стекол могут входить фосфор, кремний, германий, сурьма, висмут, олово, серебро, свинец, галлий, индий, таллий, цинк, кадмий, ртуть, медь, золото. Такие элементы, как бор и алюминий, в халькогенидных системах дают стекла, легко разлагающиеся в воздухе, и поэтому для синтеза устойчивых систем не применяются.

Главными стеклообразователями среди двойных соединений являются селениды мышьяка, германия, фосфора и сульфиды мышьяка, германия. Халькогенидные стекла весьма разнообразны по составу. Все они непрозрачны для видимого света, но отличаются прозрачностью в широкой инфракрасной области спектра. Халькогенидные стекла быстро и легко кристаллизуются, поэтому для перевода расплавов в стеклообразное состояние приходится прибегать к быстрому охлаждению (от 1 до 200 град/сек).

Все халькогенидные стекла легкоплавки. Стеклообразный сульфат мышьяка размягчается при 212 ºС, а селенид – при 187 ºС. Чтобы избежать окисления, плавка стекол осуществляется в вакууме в запаянных кварцевых ампулах.

Халькогенидные стекла прозрачны в ИК-области спектра, обладают полупроводниковой проводимостью электронного типа, обнаруживают внутренний фотоэффект. Стекла применяются в телевизионных высокочувствительных камерах, в ЭВМ в качестве переключателей или элементов запоминающих устройств.

 Оксидные стекла - самый обширный класс стекол имеют наибольшее значение в технике и в строительстве.

Условно составы стекол выражают в виде суммы оксидов входящих в них элементов. Каждый из стеклообразующих оксидов SiO₂, GeO₂, В₂О₃, Р₂О₅, As₂O₃ в комбинации с промежуточными или модифицирующими оксидами образовать стекла.

Стекла получают названия по виду стеклообразующего оксида.

В зависимости от основных стеклообразующих компонентов (стеклообразователей) различают оксидные стекла:

силикатные — Si02; Оно составляет около 90% получаемого в мире стекла (натрий-кальциевое).

алюмосиликатные — А1203, Si02;

боросиликатные — В203, Si02;

бороалюмосиликатные — В203, А1203, Si02;

 алюмофосфатные — А1203, Р205;

бороалюмофосфатные — В203, А1203, Р205;

алюмосиликофосфатные — А1203, Si02, P203;

фосфорванадатные — Р205, V205;

силикотитанатные — Si02, Ti02;

силикоцирконатные — Si02, ZrOr

!!! Если в составе стекла содержится два и более стеклообразователей, то они перечисляются в названии стекла по мере увеличения их содержания. Например, Al₂O₃·2,5P₂O₅ – алюмофосфатное стекло; Na₂O·2CaO·6SiO₂ – силикатное стекло; Na₂O·B₂O₃·8SiO₂ – боросиликатное стекло

!!! В полном наименовании стекла сначала перечисляют оксиды одновалентных элементов, затем двухвалентных и т. д. в порядке возрастания их молярной концентрации.

!!! Название главного элемента, образующего стекло, всегда ставится в конце.

Стеклообразующие оксиды определяют его важнейшие свойства.

Силикатные стекла. Главнейшее значение в практике принадлежит классу силикатных стекол. С ними не могут сравниться по распространенности в быту и в технике никакие другие классы стекол. Решающие преимущества силикатных стекол обусловлены их дешевизной, экономической доступностью, высокой химической устойчивостью в наиболее распространенных химических реагентах и газовых средах, высокой твердостью, сравнительной простотой промышленного производства.

Различаются три главных вида стекла: 1) Содово-известковое стекло (1Na2O: 1CaO: 6SiO2) 2) Калийно-известковое стекло (1K2O: 1CaO: 6SiO2) 3) Калийно-свинцовое стекло (1K2O: 1PbO: 6SiO2)

1) Кальциево-натриевое стекло - «Содовое стекло» можно с легкостью плавить, оно мягкое и потому легко поддается обработке, а кроме того, чистое и светлое.

2) Калиево-кальциевое стекло - «Поташное стекло», в отличие от натриевого, более тугоплавкое, твердое и не такое пластичное и способное к формовке, но обладает сильным блеском. Оттого что раньше его получали непосредственно из золы, в которой много железа, стекло было зеленоватого цвета, и в XVI веке для его обесцвечивания начали применять перекись марганца. А так как именно лес давал сырье для изготовления этого стекла, его называли еще лесным стеклом. На килограмм поташа шла тонна древесины.

3) Свинцовое стекло (или «хрусталь»), получается заменой окиси кальция окисью свинца. Оно довольно мягкое и плавкое, но весьма тяжелое, отличается сильным блеском и высоким коэффициентом светопреломления, разлагая световые лучи на все цвета радуги и вызывая игру света.

Боросиликатное стекло

Включение оксида бора вместо щелочных составляющих шихты придает этому стеклу свойства тугоплавкости, стойкости к резким температурным скачкам и агрессивным средам. Изменение состава и ряд технологических особенностей, в свою очередь, сказывается на себестоимости — оно дороже обычного силикатного. Боросиликатные стекла отличаются повышенной термостойкостью.

Боратные стекла. Стеклообразный борный ангидрит легко получается путем простого плавления борной кислоты при 1200-1300оС. Благодаря отличным электроизоляционным качествам и сравнительной легкоплавкости боратные стекла широко применяются в электротехнике. Некоторые боратные стекла представляют интерес для оптотехники.

Фосфатные стекла используют в производстве технических и оптических стекол, эмалей, а также электровакуумной промышленности.

Кварцевое стекло— 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, оптических прибо­ров, изоляционных материалов, ртутных ламп, применяемых в медицине и др.

Многовековая история стеклоделия связана с изготовлением силикатных стекол, основывающихся на системе Na₂O –СаО–SiО₂. Только во второй половине XX в. было показано, что натрий–кальций–силикатные стекла составляют небольшую часть безграничного мира неорганических стекол.

!!! Помимо названных кислотных оксидов в состав стекла входят оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов. Из щелочных оксидов используют оксиды натрия — Nа2О, оксиды калия — К2О, оксиды лития — Li2О; из щелочно-земельных — оксиды кальция — СаО, оксиды магния — МgО, оксиды цинка — ZnО, оксиды бария — ВаО, оксиды свинца — РbО. Каждый оксид привносит присущие ему свойства.

!!! Промышленные составы стекол содержат, как правило, не менее 5 компонентов, а специальные и оптические стекла могут содержать более 10 компонентов.

По количеству компонентов делят на:

-однокомпонентное кварцевое стекло на основе диоксида кремния Si02, широко использующееся в технике и быту, наиболее простое по составу.

- двухкомпонентные — бинарные щелочно-силикатные стекла состава Me20—nSi02, где Me—Na, К;п=2...4, так называемые растворимые (жидкие) стекла, имеют большое промышленное значение, широко применяются в строительстве для получения кислотостойкого цемента, а также для реставрационных работах.

- многокомпонентные оксидные стекла Основу промышленных стекол — оконного, архитектурно-строительного, сортового, автомобильного, тарного и других — составляют композиции тройной системы Na₂0(K₂0)CaOSi0₂ при массовых содержаниях (%): Si0₂ - 60...80, СаО - 0...10, _Na20 - 10...25.

Промышленные составы силикатных стекол кроме Si02, Na20, СаО содержат MgO, который способствует снижению склонности к кристаллизации, и оксид алюминия А1203, повышающий химическую стойкость стекол. Сортовые стекла содержат К,0, РЬО, ZnO

В общем виде можно отметить влияние главных составляющих стекла.

Кремнезем Si02 — главная составная часть всех силикатных стекол; в обычных стеклах его концентрация составляет 70...73% по массе. Он повышает вязкость и тугоплавкость стекломассы, улучшает химические и физические свойства стекла, повышает прочность, химическую и термическую стойкость, снижает плотность, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), показатель светопреломления.

Оксид алюминия Al₂0₃ повышает тугоплавкость, вязкость и температуру размягчения, поверхностное натяжение расплава стекла, улучшает механические свойства, теплопроводность, химическую стойкость, снижает ТКЛР.

Оксид бора В₂0₃ снижает температуру плавления, вязкость, поверхностное натяжение и склонность расплава стекла к кристаллизации и ТКЛР, увеличивает термо- и химическую стойкость, улучшает химические свойства.

Оксиды щелочных металлов (Na₂0, K₂0, Li₂0) играют роль плавней, снижая температуру плавления стекольной шихты и вязкость расплава. В обычных стеклах концентрация их не превышает 14... 15 %. Они повышают плотность, ТКЛР, диэлектрическую проницаемость и снижают химическую стойкость, электросопротивление стекла.

Поташ К₂С0₃ 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 CaO, MgO, ZnO и РЬО повышают механическую прочность, химическую стойкость, показатель светопреломления стекла и улучшают внешний вид стеклоизделий.

Таблица 1 Соотношение различных оксидов в стеклах

Стекло	SiO2	B2O3	Al2O3	Na2O	K2О	CaО	MgO	Pb3O4	ВаО	ZnO
Оконное	72	–	2	14	–	9	3	–	–	–
Бутылочное	70	–	3	17	–	8	2	–	–	–
Хрустальное	56	–	–	–	11	–	–	33	–	–
Лабораторное	85	9	2	4	–	–	–	–	–	–
Оптическое	34	13	3	–	–	–	–	–	46	4