Содержание

1. Свойства стекол

2. Производство стекла

3. Типы стекол

1. Кварцевое стекло

2. Натриево – силикатные стекла

3. Известковые стекла

4. Свинцовые стекла

5. Боросиликатные стекла

1. Варка стекла

5. Переработка в изделия

5.1 Изделия из стекла и область их применения

6. Последние достижения в области производства стекла

   1. Плоское стекло

   2. Стеновые стеклоблоки

   3. Стекловолокно

   4. Специальное кварцевое стекло

   5. Пеностекло

   6. Металлизация

   7. Проводящие покрытия

   8. Электротехнические изделия

   9. Светочувствительные стекла

   10. Стеклокерамика

7. Ситаллы

   1. Технические ситаллы

   2. Строительные ситаллы

Стекло и ситаллы

Любой материал, который при охлаждении переходит из жидкого состояния в твердое без кристаллизации, правильно называть стеклом независимо от его химического состава. Под это определение подпадают как органические, так и неорганические материалы. Однако стекла , используемые в широком обиходе, почти всегда изготавливают из неорганических оксидов.

1. Свойства стекол

Область применения стекол определяется их свойствами. Так, для листовых строительных стекол важны прочность на сжатие и растяжение, термические свойства, химическая устойчивость, светопрозрачность. Ниже рассмотрены важнейшие свойства стекла, ха­рактеризующие его в твердом состоянии.

Плотность.

Плотностью называется отношение массы тела к его объему. Определяется она по формуле р = т / V , где р — плот­ность, г/см³; т — масса, г; V — объем, см³.

Стекло имеет плотность от 2,2 до 7,5 г/см³. Она определяется химическим составом. В состав тяжелых стекол (флинтов) входит много свинца, в состав легких — окислы элементов с малой атомной массой — лития, бериллия, бора. Большинство промышленных строительных стекол (оконное, полированное, профильное) имеет плотность 2,5—2,7 г/см³ в частности оконное стекло 2,55 г/см³. Плотность стекол в некоторой степени зависит и от температуры. Так, с повышением температуры плотность стекол уменьшается.

Прочность.

Прочностью называется способность материала со­противляться внутренним напряжениям, возникающим в результа­те действия внешних нагрузок. Прочность характеризуется преде­лом прочности. В зависимости от направления действия нагрузки определяют предел прочности при сжатии, растяжении, изгибе и т.д.

Предел прочности стекол при сжатии R (кгс/мм², Па) измеряют величиной разрушающей силы F (кгс), действующей на попереч­ное сечение S (мм²) образца перпендикулярно действующей силе: R =F/S.

Предел прочности на сжатие для различных видов стекла ко­леблется от 50 до 200 кгс/мм², например прочность оконного стекла 90—100 кгс/мм². Для сравнения можно указать, что прочность на сжатие чугуна 60—120, стали 200 кгс/мм².

На прочность стекла оказывает влияние его химический состав. Так, окислы СаО и В₂О₃ значительно повышают прочность, РЬО и А1₂О₃ в меньшей степени, МgО, ZnО и Fе₂О₃ почти не изменяют ее.

Предел прочности при растяжении определяют по формуле R = P/S, где R — предел прочности при растяжении, кгс/мм² (Па); P — средняя величина разрушающего усилия, кгс; S — площадь шейки образца в момент разрыва, мм².

Из механических свойств стекол прочность на растяжение явля­ется одним из важнейших. Объясняется это тем, что стекло работа­ет на растяжение хуже, чем на сжатие. Обычно прочность стекла на растяжение составляет 3,5—10 кгс/мм², т. е. в 15—20 раз мень­ше, чем на сжатие.

Прочность стекла на растяжение зависит от состояния поверх­ности стекла. Наличие на ней каких-либо повреждений (трещин, царапин) снижает прочность стекла в 4—5 раз. Поэтому для сохра­нения заданной прочности стекла необходимо оберегать его поверх­ность от повреждений, например покрывать кремний органическими пленками. Химический состав влияет на прочность стекла при растяжении примерно так же, как и на прочность при сжатии.

Твердость. Твердость — это способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. От твердости зависит продолжительность всех видов механической обработки (в производстве полированного автомобильного и техни­ческого стекла).

К твердым сортам относят боросиликатные малощелочные стек­ла с содержанием В₂О₃ до 10—12%, твердость которых по шкале Мооса равна 7. Стекла с большим содержанием щелочных окислов имеют меньшую твердость. Наиболее мягкие — многосвинцовые силикатные стекла, твердость которых по шкале Мооса равна 5—6.

Хрупкость.

Хрупкость стекол определяется способностью про­тивостоять удару. Большая хрупкость стекол ограничивает их при­менение. В лабораторных условиях вместо хрупкости определяют микрохрупкость стекла, которая измеряется числом микротрещнн, образовавшихся на поверхности стекла при вдавливании в него ал­мазной пирамидки.

На хрупкость стекол влияют однородность, конфигурация и толщина изделий: чем меньше посторонних включений в стекле, чем более оно однородно, тем выше его хрупкость. Хрупкость стекол практически не зависит от состава. При увеличении в со­ставе стекол В₂О₃, SiO₂, А1₂Оз, ZrО₂, МgО хрупкость незначи­тельно понижается.

Теплоемкость.

Удельная теплоемкость характеризуется количе­ством теплоты, необходимым для нагревания 1 г вещества на 1°С. Измеряется она в кал/г-град, ккал/кг-град (Дж/кг-К).

Стекла имеют удельную теплоемкость от 0,08 до 0,25 кал/г-град в зависимости от химического состава. Окислы тяжелых элементов РЬО, ВаО, как правило, понижают теплоемкость стекол, а окислы легких элементов типа Li₂О повышают ее.

С повышением температуры теплоемкость стекла увеличивает­ся, причем до температуры начала размягчения она увеличивается незначительно, а при пластичном состоянии начинает возрастать быстрее. Увеличение теплоемкости стекла с повышением темпера­туры происходит и в расплавленно-жидком состоянии.

Теплопроводность.

Теплопроводность веществ измеряется коли­чеством тепла, переносимым через единицу площади поперечного сечения образца в единицу времени при разности температур, рав­ной единице:

Q = ,

где Q — переносимое количество тепла, кал; — коэффициент теплопроводности, кал/см-с-град или ккал/м-ч-град (вт/м-град); S — площадь, через которую происходит теплопередача, см²; а — толщина образца, см; I — разность температур, ° С; - время, с. Стекло плохо проводит тепло. Коэффициент теплопроводности, стекол 0,0017—0,032 кал/см-с-град, в частности для оконных стекол он равен 0,0023. Наибольший коэффициент теплопроводности имеет кварцевое стекло, поэтому при замене SiO₂ любыми другими окислами теплопроводность стекла понижается.

С повышением температуры теплопроводность стекол увеличи­вается. Так, при нагревании стекла до его температуры начала размягчения величина ее повышается примерно в два раза.

Температура начала размягчения.

Температура начала размяг­чения стекла характеризует температуру, при которой стекло (стеклоизделие) начинает деформироваться. Она играет существен­ную роль при производстве стекла. Например, температуру отжига стекла принимают обычно на 20—30° С ниже температуры начала его размягчения, с тем чтобы изделие не деформировалось при теп­ловой обработке.

Температура начала размягчения стекла в основном определяет­ся его химическим составом. Тугоплавкие окислы (размягчающие­ся при высоких температурах), такие, как SiO₂, А1₂О₃, повышают температуру начала размягчения стекла, легкоплавкие окислы типа Nа₂О, К₂O, Li₂О понижают ее.

Наивысшей температурой начала размягчения обладает квар­цевое стекло (1200—1500° С). Большинство обычных строительных стекол, в том числе и оконное, начинает размягчаться при 550— 700° С.

Тепловое (термическое) расширение.

Твердые тела при нагре­вании увеличиваются в объеме. Увеличение линейных размеров тела при нагревании и есть тепловое линейное расширение. Для количественной характеристики линейного теплового расширения твердых тел служит коэффициент линейного теплового расшире­ния а. Под коэффициентом линейного расширения понимают увели­чение длины образца при нагревании его на 1° С, отнесенное к дли­не образца до нагревания, т. е.

где α — коэффициент линейного расширения, 1/град; l₀ — длина образца при температуре 0° С, см; l_t — длина образца, нагретого до температуры t, ° С, см.

Иногда пользуются значениями коэффициента объемного рас­ширения стекла, равным 3а.

Коэффициент линейного теплового расширения стекол колеб­лется от 5-10~⁷ до 200 -10~⁷. Самый низкий коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло — а = 5,8-10~⁷ (соответственно коэффициент объемного расширения 3а=17,4- 10~⁷). Оконное стек­ло имеет коэффициент линейного расширения 88·10^-7 (у металлов, как правило, 100·10^-7).

Величина α стекла в значительной степени зависит от его хими­ческого состава. Наиболее сильно на термическое расширение сте­кол влияют щелочные окислы: чем больше содержание их в стекле, тем больше а. Тугоплавкие окислы типа SiO₂, А1₂О₃, МgО, а также В₂О₃, как правило, понижают а.

Коэффициент термического расширения важно знать при спаи­вании (спекании или сваривании) разных стекол, при производстве сортовых или листовых накладных стекол. Коэффициенты теплово­го расширения совмещаемых стекол должны быть близкими по ве­личине, в противном случае такое изделие разрушится по шву от возникших напряжений.

Термическая устойчивость.

Термической устойчивостью (термо­стойкостью) называют способность стекла выдерживать, не разру­шаясь, резкие изменения температуры. Термическая устойчивость играет существенную роль для стекол, которые используются в ус­ловиях резкой смены температуры.

Наибольшей термостойкостью обладает кварцевое стекло, оно выдерживает резкий перепад температур до 1000° С. Термостой­кость оконных стекол составляет 80—90° С.

Термостойкость стекла зависит от упругости, прочности на ра­стяжение, теплопроводности, теплоемкости и главным образом от коэффициента термического расширения: чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем ниже его термостойкость, и, наоборот, чем меньше коэффициент термического расширения, тем больше термостойкость.

Когда стекло охлаждается, его наружные слои стремятся умень­шиться в объеме. Этому препятствуют внутренние слои, остываю­щие медленно из-за малой теплопроводности стекла. Образующие­ся напряжения между наружными и внутренними слоями приводят к разрушению стекла. Те же процессы протекают и при резком на­гревании стекла. Разница заключается в том, что при охлаждении в стекле образуются напряжения растяжения, а при нагрева­нии — напряжения сжатия. Следовательно, чем выше коэффи­циент термического расширения стекла, тем больше величина обра­зующихся в стекле напряжений и тем меньше его термостойкость. Из этого также вытекает, что стекло лучше переносит резкое нагре­вание, чем охлаждение, так как при нагревании в нем образуются напряжения сжатия, а при охлаждении — растяжения. А стекло работает на сжатие в 15—20 раз лучше, чем на растяжение.

Химический состав стекла во многом определяет его термостой­кость: окислы, повышающие коэффициент термического расшире­ния стекла, понижают его термостойкость, и наоборот.

Оптические свойства.

Под оптическими свойствами стекла под­разумевают его светопрозрачность, светопоглощение, отражение и преломление света.

При падении пучка света на поверхность прозрачного тела часть света отражается, а часть проходит через него, преломляясь. Но если сложить свет, отраженный и преломленный, то не получится количества света, которое падает на стекло, — небольшая часть света поглощается стеклом.. Поглощение света обусловлено при­сутствием в стекле соединений-красителей, вызывающих избира­тельное поглощение, т. е. поглощение лучей только с определенной длиной волны. Так, из-за наличия в стекле, в том числе и оконном, соединений железа оно имеет зеленоватый оттенок.

Светопоглощение понижает общую светопрозрачность стекла (светопрозрачность оконного стекла составляет примерно 88%), поэтому для получения стекол с высокой степенью прозрачности необходимо свести к минимуму содержание нежелательных приме­сей в сырьевых материалах.

Химическая стойкость.

Химической стойкостью называется способность стекла противостоять разрушающему действию воды, растворов солей, влаги и газов атмосферы.

Стойкость стекла к действию щелочей называется щелочестойкостью, к действию кислот — кислотостойкостью.

Химическую стойкость стекла определяют по разности массы образца до и после испытания. Для испытания приготовляют порошок из стекла или массивный образец стекла, взвешивают его и затем кипятят в агрессивной среде, чаще всего в растворах NaОН, Na₂СОз, НС1 и дистиллированной воде. После опыта образец высу­шивают и взвешивают на аналитических весах. "Потеря в массе стекла и характеризует его химическую стойкость.

Химическую стойкость определяют также титрованием кислотой (НС1) раствора, в котором было обработано испытуемое стекло. В этом случае химическая стойкость характеризуется количеством кислоты, затраченной на титрование: чем больше израсходовано кислоты на титрование, тем меньше химическая стойкость стекла.

Щелочестойкость оконного стекла определяют по потере массы с 1 дм² пластины стекла при обработке ее в кипящем однонормальном растворе углекислого натрия в течение 3 ч. Потеря при этом не должна превышать 38 мг с 1 дм² поверхности.

В зависимости от способности стекол противостоять разрушаю­щему действию воды и других агрессивных растворов их подраз­деляют на гидролитические классы, которые определяются количе­ством НС1, пошедшим на титрование.