книги из ГПНТБ / Саркисов, П. Д. Технология стеклодувных работ учеб. пособие

§3. СВОЙСТВА Р А С П Л А В А С Т Е К Л О М А С С Ы

Ксвойствам расплава стекломассы относят: вязкость, скорость твердения, кристаллизацию и поверхностное натяжение. Значение этих свойств при производстве стек­ ла очень велико. Именно они определяют технологиче­ ские процессы изготовления стеклонзделий.

Вязкость. При движении слоев жидкости между ни­ ми образуются силы, замедляющие движения одних слоев относительно других, которые пропорциональны площади соприкосновения слоев и разности скоростей их передвижения. Коэффициент пропорциональности rj на­

0,01 пз, а вязкость стекломассы при температуре ее осветления (1500° С) равна 100 пз. В то же время вяз­ кость твердого стекла имеет весьма высокое значение и равна 101 5 —1017 пз. Из этого можно сделать вывод, что вязкость стекломассы решающим образом влияет как на протекание процессов осветления и гомогенизации стекла, так и на формование стеклонзделий.

Свойство стекломассы постепенно увеличивать свою вязкость с уменьшением температуры позволяет изготов­ лять изделия самыми различными способами и разных конфигураций.

В начале выработки стекло пластично и может при­ нять при определенном усилии любую форму, к концу выработки вязкость его увеличивается и изделие затвер­ девает настолько, что оно способно сохранить свою фор­ му при дальнейшей обработке и транспортировке. Имен­ но способность стекла постепенно изменять свою вяз­ кость в зависимости от температуры позволяет придавать стеклу различную форму при его обработке на стекло­ дувной горелке.

Значения вязкости, соответствующие различным этапам варки и выработки стекла, приведены в табл. 2.

Формование большинства изделий механизированны­ ми способами происходит при значениях -вязкости 104— 4 - 10 8 лз .

Вязкость в сильной степени, как уже говорилось вы­ ше, зависит от температуры. На рис. 2 приведена кри­ вая изменения вязкости в зависимости от температуры.

11

Т а б л и ц а 2

Значения вязкости для различных этапов варки и выработки стекла

В зависимости от скорости нарастания вязкости при по­ нижении температуры в области формования различают «длинные» и «короткие» стекла. Температурный интер­ вал, в котором вязкость равна 104—4-108 пз, называется

рах повышает вязкость, а при высоких температурах в

изделий большое значение имеет скорость твердения стекол. Технологический режим формования стеклоиз-

12

делий строится таким образом, чтобы процесс придания изделию геометрической формы происходил при пластич­ ном состоянии стекла (соответствующих значениях вяз­ кости), а к окончанию процесса формования необходи­ мо, чтобы стекло затвердело и его без задержки можно было бы транспортировать на дальнейшую обработку. Существует правило, что чем быстрее стекло затверде­ вает, тем быстрее следует его вырабатывать, и наоборот. Это правило лежит в основе выбора типа стекол для формования стеклоизделий различными способами.

Так, при выработке стеклоизделий способами вытя­ гивания листового стекла и труб, непрерывной прокатки, механизированной выработки бутылок и тары исполь­ зуются быстротвердеющие стекла.

Выработка изделий сложной конфигурации способом прессования, а также выдувание тонкостенных изделии требует стекол с малой скоростью твердения.

Скорость твердения стекол, так же как и вязкость, в сильной степени зависит от температуры и химического состава. Кроме того, скорость твердения зависит от фор­ мы и размера изделий (чем крупнее изделие и чем мень­ ше его поверхность, тем медленнее оно остывает и затвер­ девает), от первоначальной температуры стекла (чем она выше, тем быстрее стекло охлаждается и твердеет),

характеризуется работой, которую необходимо затра­ тить для того, чтобы увеличить поверхность жидкости на единицу. Измеряется оно в динах на сантиметр (дин/см). Поверхностное натяжение расплавленной стекломассы

влияет на удаление пузырей и на однородность стекло­ массы. Величина поверхностного натяжения, например, в значительной мере определяет рост газового пузыря и тем самым подъемную силу пузыря и скорость его уда­ ления из стекломассы.

Влияет оно и на скорость перемешивания и растворе­ ния в стекломассе свилей — сотообразных или пучкообразных сплетений отдельных слоев стекломассы, отли-

13

чающихся по химическому составу. Так, если поверхно­ стное натяжение стекла свили больше поверхностного натяжения основного стекла, то свиль стремится принять шарообразную форму, что затруднит ее растворение. И наоборот, если поверхностное натяжение основного стекла больше поверхностного натяжения стекла свили, то свиль будет стремиться растянуться в пленку и охва­

менение поверхностного натяжения S1O2, Ti0 2 , Незначительное влияние на поверхностное натяжение

обычных промышленных стекол оказывает и изменение температуры.

Кристаллизационная способность стекол. Кристалли­ зационной способностью стекла называют склонность его. к кристаллизации. Кристаллизация при производстве

свойства стеклонзделий. Кристаллизация стекла объяс­ няется способностью расплавленной стекломассы в опре­ деленных температурных условиях кристаллизоваться. Особо важное значение имеют кристаллизационные свойства при проведении стеклодувных работ.

Стекла, склонные к интенсивной кристаллизации при температурах формования, практически не пригодны для изготовления лабораторной посуды на стеклодувных горелках, так как в этих случаях стекло попадает в бла­ гоприятные для образования и роста кристаллов тем­ пературные условия.

Знание температурных условий, при которых крис­ таллизация возникает и развивается, позволяет правиль­ но определить рациональный режим выработки стеклоизделий с целью ликвидации возможных кристаллиза­ ционных явлений.

Кристаллизация стекла (как и любого другого веще­ ства) начинается с возникновения мелких кристаллов (не видимых вооруженным глазом). Затем при опреде­ ленных благоприятных условиях эти кристаллы могут расти, достигая значительных размеров (до нескольких сот микрон и больше). Первое явление, связанное с об-

14

разованием центров кристаллизации, получило название способности кристаллизации; второе явление, связанное со скоростью роста кристаллов, получило название ско­ рости кристаллизации. Естественно предположить, что оба эти явления взаимосвязаны. Только наличие двух этих факторов приводит к заметной кристаллизации стекла.

Ранее говорилось, что температура оказывает значи­ тельное влияние на кристаллизацию стекла. Существует такая температура, выше которой кристаллизация про­ исходить не может; она называется температурой верх­ него предела кристаллизации. Температура, ниже ко­ торой также невозможна кристаллизация, носит назва­ ние температуры нижнего предела кристаллизации.

При температурах выше верхнего предела кристалли­ зации кристаллы растворяются в расплаве; при темпе­ ратурах ниже нижнего предела кристаллизации они не образовываются из-за повышенной вязкости стекла. На рис. 3 приведены кривые зависимости способности крис­ таллизации (кривая 1) и скорости кристаллизации (кри-

Рис. 3. Кривые зависимости способности кри­ сталлизации (1) и скорости кристаллизации (2)

от температуры

вая 2) от температуры. Точка Г[ соответствует темпера­ туре нижнего предела кристаллизации, точка Т2 — верхнему пределу кристаллизации. Точки Т/ и Т2' соответствуют температурам максимальной способности кристаллизации и максимальной скорости кристаллиза­ ции. Наконец, заштрихованный участок показывает ту область температур Т3—Г4, в которой совпадают оба явления кристаллизации. Именно область температур Т3—Т4 представляет наибольшую опасность в промыш­ ленных условиях с точки зрения возникновения кристал­ лизации. В практике производства стекла температурный

15

режим выработки устанавливают таким образом, чтобы за возможно короткий срок преодолеть эту область тем­ ператур, не дать тем самым возможности стеклу закри­ сталлизоваться.

На процесс кристаллизации наряду с температурой большое влияние оказывает химический состав стекла. Влияние отдельных окислов носит сложный характер и зависит от конкретного состава стекла. Существует ряд закономерностей, которых придерживаются при опреде­ лении состава стекла. Известно, что увеличение числа компонентов ведет к уменьшению склонности стекла к кристаллизации.

Влияние химического состава стекла на его кристал­ лизацию характеризуется следующим образом: склон­ ность к кристаллизации при замене одних окислов дру­ гими уменьшается с повышением вязкости стекла в тем­

В стеклодувной практике, чтобы уменьшить кристал­ лизацию и получить чистый спай, в пламя горелки вводят раствор поваренной соли.

§4 . СВОЙСТВА СТЕКОЛ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Плотность. Плотностью называется отношение мас­ сы тела к его объему. Определяется она по формуле

висимости от атомного веса элементов, входящих в его состав.

В состав самых тяжелых стекол (так называемых флинтов) входит много свинца, в состав легких стекол — окислы элементов с малым атомным весом — лития, бернлия, бора.

Большинство распространенных промышленных сте­ кол (оконное, тарное, сортовое, кварцевое, термостойкое

16

стекла при растяжении примерно таким же образом, как п на сжатие. Однако в значительно большей степени, чем химический состав, на прочность стекла при растяжении оказывают влияние другие факторы. И прежде всего со­ стояние поверхности стекла. Наличие на ней каких-либо

верхность от повреждений, например покрывать его кремнийорганнческими пленками.

Твердость. Под твердостью понимают способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. Твердость — важное свойство стекла, так как от нее зависит продолжитель­ ность всех видов механической обработки (в производ­ стве полированного стекла), а также пригодность стекол к таким условиям службы, при которых они работают на истирание (часовые камни, строительные детали и т. д.).

Характеризовать твердость силикатных стекол по шкале Мооса не очень удобно, так как значения твердо­ сти для подавляющего большинства этих стекол находят­ ся в пределах 5—7.

К твердым сортам относят боросилпкатные малоще­ лочные стекла с содержание Вг03 до 10—12% (к ним относится большинство химико-лабораторных стекол). Стекла с большим содержанием щелочных окислов име­ ют меньшую твердость. Наиболее мягкие — многосвин­ цовые силикатные стекла.

Хрупкость. Хрупкими называют материалы, которые при небольшом превышении их прочности внезапно раз­ рушаются. Хрупкость стекол определяется их прочно­ стью на удар. Большая хрупкость стекол часто ограничи­ вает их применение.

Хрупкость стекла зависит от состава в незначитель­ ной степени. Известно, что при увеличении в составе сте­ кол В 2 0 3 , Si02 , А12 03 , Z r 0 2 и MgO их хрупкость несколь­ ко понижается. Гораздо большее влияние на хрупкость стекол оказывают однородность, конфигурация и толщп-

18

на стенок изделий. Чем менее в стекле посторонних включений, чем более оно однородно, тем выше его хрупкость.

Теплоемкость стекла определяется его химическим составом. Для стекол различных составов значения теп­

можно отметить, что удельная теплоемкость меди равна

теплоемкостью, остывают значительно медленнее, чем стекла с повышенной теплоемкостью.

С повышением температуры теплоемкость увеличи­ вается, причем до температуры начала размягчения стек­ ла она увеличивается незначительно, а при пластичном состоянии стекла начинает возрастать быстрее. Увеличе­ ние теплоемкости с повышением температуры наблю­ дается у стекол и в расплавленно-жидком состоянии.

Теплопроводность. Теплопроводность веществ изме­ ряется количеством тепла, переносимым через единицу площади поперечного сечения образца в единицу време­

19