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

кварцевое стекло, поэтому при замене Si0 2 любыми дру­

Температура начала размягчения стекла в основном определяется его химическим составом. Тугоплавкие окислы, такие, как Si02 , А12 0з, повышают ее, легкоплав­ кие окислы типа L i 2 0 , Na2 0, К 2 0 понижают.

Наивысшей температурой размягчения обладает кварцевое стекло — 1200—1500°. Промышленные химиколабораторные стекла начинают размягчаться в области температур 600—800° С.

Тепловое расширение. Твердые тела при нагревании увеличиваются в объеме. Увеличение линейных разме­ ров тела при нагревании и есть тепловое линейное рас­ ширение. Для количественной характеристики линейного теплового (термического) расширения твердых тел вво­ дится особая величина, называемая коэффициентом ли­ нейного теплового расширения и обозначаемая гречес­ кой буквой а. Под коэффициентом линейного расшире­ ния понимается увеличение длины образца при нагрева­

20

где /о — длина образца при температуре 0°С; k — длина образца, нагретого до температуры f С.

Термическое расширение стекол имеет большое зна­ чение. Особенно большую роль играет коэффициент тер­ мического расширения при сваривании разнообразных стекол, чем часто пользуются при изготовлении химиколабораторных стекол. Необходимо, чтобы коэффициенты теплового расширения применяемых совместно стекол заметно не отличались друг от друга. В противном слу­ чае изделие окажется непрочным. Оно разрушится по «шву» от возникших напряжений.

В очень сильной степени термическое расширение влияет на термическую стойкость стекла. Можно сказать, что чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем ниже его термостойкость и, наоборот, чем меньше коэффициент термического расширения, тем больше термостойкость.

Коэффициент термического расширения стекол колеб­

а> 1 0 0 - 1 0 - 7 .

Внастоящее время ведутся работы по созданию хи­ мико-лабораторных стекол массового назначения с ко­ эффициентом термического расширения менее 51 •Ю - 7 .

Величина а стекла в значительной степени зависит от его химического состава. Наиболее сильно на терми­

гоплавкие окислы типа БЮг, АЬОз, а также В2О3, как правило, понижают его.

Термическая устойчивость. Термической устойчиво­ стью или термостойкостью называют способность стекла выдерживать, не разрушаясь, резкие изменения темпера­ туры. Термическая устойчивость играет существенную роль для ряда стекол, которые используются в условиях резкой смены температуры. Это относится прежде всего к химико-лабораторным и некоторым электровакуум­ ным стеклам, а также стеклам, используемым в косми­ ческой технике, и др.

Термостойкость стекла зависит от ряда его свойств

21

(упругости, прочности на растяжение, теплопроводно­ сти и теплоемкости), но главным образом — от коэффи­ циента термического расширения. Это легко понять, если рассмотреть причину разрушения стекла при резком охлаждении и нагревании.

Когда стекло охлаждается, его наружные слои стре­

Такая же картина наблюдается и при резком нагревании стекла. Только в случае охлаждения в стекле образуют­ ся напряжения растяжения, в случае же нагревания — напряжения сжатия. Из этого становится понятным, что чем выше коэффициент термического расширения стек­ ла, тем больше величина образующихся в стекле напря­ жений и тем меньше его термостойкость. Из этого также вытекает, что стекло лучше переносит резкое нагрева­ ние, чем охлаждение, так как при нагревании в нем об­ разуются напряжения сжатия, а при охлаждении — на­ пряжения растяжения. А выше уже отмечалось, что у стекла прочность на сжатие в 15—20 раз выше, чем на растяжение.

Химический состав стекла в значительной степени определяет его термостойкость. По этому поводу можно сказать, что окислы, повышающие коэффициент терми­ ческого расширения стекла, понижают его термостой­ кость, и наоборот.

Наибольшей термостойкостью обладает кварцевое стекло, оно выдерживает резкий перепад температур до 1000° С. Термостойкость химико-лабораторных стекол со­ ставляет 150—250° С.

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Преломление и дисперсия. При прохождении луча света из среды А в среду В с иной плотностью (рис. 4) он меняет своё направление на границе этих сред, так

прозрачной среды. Чем больше плотность, тем выше зна­ чение показателя преломления. Поскольку плотность

22

Коэффициент отражения R возрастает с увеличением показателя преломления, поэтому стекла, имеющие вы­ сокий показатель преломления (содержащие окислы тя­ желых элементов), имеют и повышенный коэффициент

23

отражения. Этой закономерностью широко пользуются при изготовлении хрустальных изделий с алмазной гранью.

Рассеяние света в основном зависит от состояния по­ верхности стекла и однородности его массы. Если поверх­ ность стекла шероховата пли в его массе имеются мел­ кие инородные включения, то луч света, падая на него, частично рассеивается. Такое стекло выглядит матовым, полупрозрачным. Оно распределяет свет более равно­ мерно.

Рассеивающими стеклами широко пользуются при из­ готовлении всевозможных изделии светотехнической ар­ матуры (абажуры, колпаки, плафоны).

Поглощение света. При падении пучка света на по­ верхность прозрачного тела часть света отразится, а часть пройдет через него преломляясь. Но если мы сло­

Поглощение света обусловлено присутствием в стекле соединений-красителей, вызывающих избирательное по­ глощение, т. е. поглощение лучей только определенной длины волны. Вследствие избирательного поглощения света стекла пропускают лучи определенных длин волн и выглядят поэтому цветными.

Особое значение поглощение имеет при производстве обесцвеченных стекол. Так, вследствие наличия во мно­ гих промышленных стеклах, в том числе и химико-лабо­ раторном, соединений железа, которые поглощают лучи определенных длин волн, они имеют зеленоватый от­ тенок.

Светопоглощение понижает общую светопрозрачность стекла (светопрозрачность оконного стекла составляет примерно 88%), поэтому для получения стекол с высо­ кой степенью прозрачности необходимо свести к мини­ муму содержание в сырьевых материалах нежелатель­ ных примесей.

ХИМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ

Химической устойчивостью называется способность стекла противостоять разрушающему действию воды, растворов солей, влаги и газов атмосферы. Это одно из важнейших свойств, так как на стекло, находящееся в эксплуатации, постоянно воздействует какой-либо реа-

24

гейт. Так на оконное Стекло воздействует влага атмос­ феры (пары, дожди) и др.

Химическую устойчивость стекла определяют обычно по разности веса образца до и после опыта. Для этого приготавливают порошок из испытуемого стекла или массивный образец стекла. Перед опытом точно взвеши­ вается испытуемый образец стекла. Затем его подвер­ гают обработке кипячением в избранной агрессивной среде. Чаще всего испытания проводят в растворах NaOIT, ЫагСОз, IT2SO4 и в дистиллированной воде. После опыта образец тщательно высушивают и взвешивают на аналитических весах. Потеря в весе стекла и характери­ зует его химическую устойчивость. Химическую устойчи­ вость определяют также титрованием кислотой (НС1) раствора, в котором было обработано испытуемое стек­ ло. В этом случае химическую устойчивость определяют количеством кислоты, затраченной на титрование. Есте­ ственно, что чем больше израсходовано кислоты на тит­ рование, тем меньше химическая устойчивость стекла.

Химическая устойчивость стекла и механизм его раз­ рушения подробно изучены академиком Гребенщиковым на примерах силикатных стекол. Природу химической устойчивости силикатных стекол и механизм их разруше­ ния можно представить следующим образом.

При воздействии воды или влаги воздуха на стекло силикаты поверхности гидролизуются. Щелочные сили­ каты при этом распадаются на едкую щелочь NaOH и гель кремниевой кислоты Si02 . Щелочь, как правило, вымывается из стекла дополнительно воздействующей влагой, а гель кремниевой кислоты остается на поверх­ ности стекла в виде более или менее равномерного слоя. Этот слой и замедляет разрушение стекла, так как по мере утолщения защитной пленки геля уменьшается ско­ рость разрушения силикатного стекла.

Иначе разрушаются боратные или фосфатные стекла, не содержащие кремнезема. Устойчивость таких стекол во много раз уступает устойчивости силикатных стекол и определяется она скоростью их растворения в том пли ином реагенте. Как правило, никакой защитной пленки,

Различают пять классов; их наименование и характери­ стика приведены в табл. 3.

25

Т а б л и ц а 3

Гидролитическая классификация стекол

Колнчсстпо НС1, израсхо ­ Гидролитические классы дованное на титрование, н м.1 (навеска стекла 5 г)

Химическая устойчивость силикатных стекол в основ­ ном зависит от их химического состава и определяется содержанием в них кремнезема. Si02 всегда и значитель­ но увеличивает химическую устойчивость стекла, щелоч­ ные же окислы, как правило, понижают ее.

В отношении других компонентов стекла можно ска­

химико-лабораторных стекол по отношению к различным реагентам.

26

Г Л А В А II

СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТЕКЛОВАРЕНИИ

§ 5. К Л А С С И Ф И К А Ц И Я СЫРЬЕВЫХ М А Т Е Р И А Л О В

Сырьевые материалы, используемые в производстве стекла, подразделяются на две группы: главные и вспо­ могательные.

Кглавным сырьевым материалам относятся вещества,

скоторыми в стекломассу вводятся кислотные, щелоч­ ные и щелочноземельные стеклообразующие окислы. Имеенно они придают стеклу основные физико-химиче­ ские свойства.

Квспомогательным сырьевым материалам относятся вещества, которые способствуют ускорению варки стек­ ла, улучшению качества стекломассы, ее окрашиванию или обесцвечиванию. Это — ускорители варки, осветли­ тели, обесцвечиватели, красители, глушители, окисли­ тели и восстановители.

Ксырьевым материалам, используемым в производ­

родности, влажности и содержания в них нежелательных примесей.

Большие колебания химического состава нарушают однородность стекла, поэтому при применении такого ви­ да сырья необходимо каждый раз корректировать состав шихты.

Весьма важно также постоянство зернового состава шихты. Известно, 'например, что шихта, состоящая из окатанных зерен песка, более склонна к расслаиванию, чем шихта, состоящая из пластинчатых остроугольных зерен.

Высокие требования предъявляются к сырьевым ма­ териалам по допустимому содержанию вредных приме­ сей, главным образом окрашиваемых окислов. Как из­ вестно, окислы железа, содержащиеся в песке и других сырьевых материалах, значительно ухудшают прозрач­ ность отекла, придавая ему неприятный желто-зеленый цвет.

В зависимости от вида стекла установлены различные допустимые пределы содержания окислов железа в сырьевых материалах.

27

§ 6. СЫРЬЕ Д Л Я ВВЕДЕНИЯ В " С Т Е К Л О М А С С У К И С Л О Т Н Ы Х О К И С Л О В

Двуокись кремния (кремнезем) Si02 . Молекулярный вес — 60,09; плотность — 2,665 г/см3.

Кремнезем — важнейшая составная часть промыш­ ленных стекол; большинство из них содержит от 60 до 75% Si02 .

Сырьем для ввода Si0 2 в стекло служат главным об­

предъявляемыми к химическим составам песков, являют­ ся: высокое содержание Si02 и минимальное содержание окрашивающих окислов (соединений железа). Допусти­ мое содержание окислов железа в песках для производ­ ства химико-лабораторных стекол составляет 0,03%.

В СССР есть много месторождений кварцевых песков, по качеству и мощности залежей которые удовлетворяют требованиям стекольной промышленности. Наиболее из­ вестные из них: Люберецкое (Московская обл.), ЧасовЯрское (Донецкая обл.), Новоселовское (Харьковская обл.), Попасиеиское (Луганская обл.), Будское (Орлов­ ская обл.), Ташлннское (Ульяновская обл.), Неболчииское (Ленинградская обл.), Лоевское (Гомельская обл.).

Химический состав кварцевых песков некоторых мес­

переходящего в стекло, и 43,55% воды. По внешнему ви­ ду борная кислота представляет собой блестящие чешуй­ ки или бесцветные мелкие кристаллы.

меняют безводную или кальцинированную буру Na2 B4 07 . Исходя из состава, в стекло вместе с бурой вводится и окись натрия.

28