Стекло -- неорганическое изотропное вещество, материал, известный и используемый с древнейших времён. Существует и в природной форме, в виде минералов (обсидиан -- вулканическое стекло), но в практие -- чаще всего, как продукт стеклоделия -- одной из древнейших технологий в материальной культуре. Структурно -- аморфное вещество, агрегатно относящееся к разряду -- твёрдое тело. В практике присутствует огромное число модификаций, подразумевающих массу разнообразных утилитарных возможностей, определяющихся составом, структурой, химическими и физическими свойствами.
Независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, стекло обладает физико-механическими свойствами твёрдого тела, сохраняя способность обратимого перехода из жидкого состояния в стеклообразное, и возможность кристаллизации (данное определение позволяет наблюдать, что фигурально к стёклам, в расширительном значении, относят все вещества по аналогии процесса образования и ряда формальных свойств -- на сём она исчерпываться, поскольку материал, как известно, прежде всего характеризуется своими практическими качествами, которые и определяют более строгую детерминацию стёкол как таковых в материаловедении).
Стёкла образуются в результате переохлаждения расплавов со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации. Благодаря этому стёкла обычно длительное время сохраняют аморфное состояние. Неорганические расплавы, способные образовать стеклофазу, переходят в стеклообразное состояние при температурах ниже температуры стеклования Tg (при температурах свыше Tg аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии).
В настоящее время разработаны материалы чрезвычайно широкого, поистине -- универсального диапазона применения, чему служат и присущие изначально (например, прозрачность, отражательная способность, стойкость к агрессивным средам, красота и многие другие) и не свойственные ранее стеклу -- синтезированные его качества (например -- жаростойкость, прочность, биоактивность, управляемая электропроводность и т. д.). Различные виды стёкол используется во всех сферах человеческой деятельности: от строительства, изобразительного искусства, оптики, медицины -- до измерительной техники, высоких технологий и космонавтики, авиации и военной техники. Изучается физической химией и другими смежными и самостоятельными дисциплинами.
Стекло может быть получено путём охлаждения расплавов, так чтобы избежать 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. Стекло может быть получено также путём аморфизации кристаллических веществ, например бомбардировкой пучком ионов, или при осаждении паров на охлаждаемые подложки. Вязкость аморфных веществ -- непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества. Обычно расплавы стеклообразующих веществ имеют высокую вязкость по сравнению с расплавами нестеклообразующих веществ.
Неорганические стёкла, благодаря полимерному строению могут становиться микрогетерогенным. Такие полимеры в стеклообразном состоянии приобретают индивидуальные качества, определяющие, в зависимости от характера этих структурных образований, на прозрачности и других свойствах стёкол. Присутствие в составе стекла соединений того или иного химического элемента, оксида металла, может определить его окраску, электропроводность, другие физические и химические свойства.
В твёрдом состоянии силикатные стёкла весьма устойчивы к обычным реагентам (за исключением плавиковой кислоты), и к действию атмосферных факторов. На этом свойстве основано его применение для изготовления посуды, оконных стёкол, стеклоблоков и других строительных материалов.
Для специальных целей выпускают химически-стойкое стекло, а также стекло, стойкое к тем или иным видам агрессивных воздействий.
Технология производства стекла
В качестве основного сырья для производства стекла используется кварцевый песок, кальцинированная сода, доломит, а также различные примеси. После смешивания в определённых пропорциях смесь попадает в высокотемпературные печи, где происходит плавление смеси и образование стекломассы, которая затем протекает вниз печи. Такой процесс называется «очисткой».
Существует два основных способа производства листового стекла, различающихся технологически на стадии формирования листового стекольного полотна из расплавленной стекломассы:
§ способ вертикального вытягивания. Считается устаревшим, однако до сих пор используется для производства менее качественных марок стекла, поскольку позволяет производить более дешёвое листовое стекло;
§ горизонтальный способ на расплаве металла. Способ производства т.н. флоат-стекла или термически полированного стекла. Эта технология отличается от первой тем, что стекломасса при выходе из печи попадает в ванну с расплавленным оловом, где происходит процесс формирования ленты стекла с помощью процесса флотации.
Флоат-стекло (полированное стекло) марок М1-М2 отличается идеально глянцевой поверхностью, высокой светопропускающей способностью (89-90%) и великолепными оптическими свойствами, исключающими искажение изображения. Этот вид стекла может применяться в многослойном остеклении и является основой для производства широкого спектра современных усовершенствованных стекол и стеклопакетов.
В странах Европы и США в основном используется флоат-производство как более современное и позволяющее производить стекло с заданными свойствами (закалённое, триплекс и т. д.).
Естественно, более совершенная технология производства стекла становится более капиталоёмкой, однако растущий мировой спрос именно на стекло качественных марок делает флоат-способ производства стекла всё более распространённым.
Виды стекол
В зависимости от основного используемого стеклообразующего вещества, стекла бывают оксидными (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные), фторидными, сульфидными и т. д.
Базовый метод получения силикатного стекла заключается в плавлении смеси кварцевого песка (SiO2), соды (Na2CO3) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na2O*CaO*6SiO2.
Кварцевое стекло получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты (обычно кварцит, горный хрусталь), его химическая формула -- SiO2. Кварцевое стекло может быть также природного происхождения, образующееся при попадании молнии в залежи кварцевого песка.
Кварцевое стекло характеризуется весьма малым коэффицинтом температурного расширения и потому его иногда используют в качестве материала для деталей точной механики, размеры которых не должны меняться при изменении температуры. Примером служит использование кварцевого стекла в точных маятниковых часах.
Оптическое стекло -- применяют для изготовления линз, призм, кювет и др.
Химико-лабораторное стекло -- стекло, обладающее высокой химической и термической устойчивостью.
Основные промышленные виды стекла
В качестве главной составной части в стекле содержится 70--75% двуокиси кремния (SiO2), получаемой из кварцевого песка при условии соответствующей грануляции и свободы от всяких загрязнений. Венецианцы для этого применяли чистый песок из реки По или даже завозили его из Истрии, тогда как богемские стеклоделы получали песок из чистого кварца.
Второй компонент -- окись кальция (CaO) -- делает стекло химически стойким и усиливает его блеск. На стекло она идёт в виде извести. Древние египтяне получали её из щебня морских раковин, а в средние века она приготовлялась из золы деревьев или морских водорослей, так как известняк в качестве сырья для приготовления стекла был ещё не известен. Первым подмешивать к стеклянной массе мел, как тогда назывался известняк, стали богемские стеклоделы в XVII веке.
Следующей составной частью стекла являются оксиды щелочных металлов -- натрия (Na2O) или калия (K2O), нужные для плавки и выделки стекла. Их доля составляет примерно 16--17%. На стекло они идут в виде соды (Na2CO3) или поташа (K2CO3), которые при температуре легко разлагаются на окиси. Соду сначала получали выщелачиванием золы морских водорослей, а в местности, удалённой от моря, применяли содержащий калий поташ, получая его выщелачиванием золы буковых или хвойных деревьев.
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)
Кальциево-натриевое стекло - «содовое стекло» можно с лёгкостью плавить, оно мягкое и потому легко поддаётся обработке, а, кроме того, чистое и светлое.
Калиево-кальциевое стекло - «поташное стекло», в отличие от калиевого, более тугоплавкое, твёрдое и не такое пластичное и способное к формовке, но обладает зато 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 сырьё для изготовления этого стекла, его называли ещё лесным стеклом. На килограмм поташа шла тонна древесины.
Свинцовое стекло (или «хрусталь») - получается заменой окиси кальция окисью свинца. Оно довольно мягкое и плавкое, но весьма тяжёлое, отличается сильным блеском и высоким коэффициентом светопреломления, разлагая световые лучи на все цвета радуги и вызывая игру света.
Боросиликатное стекло - это техническое стекло, оно дороже и более тугоплавко, по сравнению с традиционным. Высокая химическая стойкость, низкий коэффициент температурного расширения.
Прозрачное и цветное стекло
Прозрачное стекло
Рецептура прозрачного стекла была известна ещё в древности, о чём свидетельствуют античные флаконы и бальзамарии, в том числе и цветные,-- на помпейских фресках мы видим совершенно прозрачную посуду с фруктами. Но вплоть до средневековья, когда огромное распространение получают витражи, не приходится встречать образцов стеклоделия, выраженно обладающих этими свойствами.
Цветное стекло
Сплавленная из обычных сырых материалов стеклянная масса бесцветна, с лёгким желтовато-зелёным или голубовато-зелёным отливом, вызываемым различными минеральными примесями. Для того же, чтобы эту массу внутри неё самой окрасить, чаще всего применяют окислы металлов, добавляют их в шихту до или после плавки. Железистые соединения окрашивают стекло в голубовато-зелёный и жёлтый до красно-бурого цвет, окись марганца -- в жёлтый и коричневый до фиолетового, окись хрома -- в травянисто-зелёный, окись урана -- в желтовато-зелёный (урановое стекло), окись кобальта -- в синий (кобальтовое стекло), окись никеля в фиолетовый до серо-коричневого, окись сурьмы или сульфид натрия -- в жёлтый (в самый же красивый жёлтый окрашивает, однако, коллоидное серебро), окись меди -- в красный (так называемый медный рубин в отличие от золотого рубина, получаемого прибавкой коллоидного золота). Костяное стекло получается замутнением стекломассы пережжённой костью, а молочное -- прибавкой смеси полевого и плавикового шпата. Теми же прибавками, замутив стекломассу в очень слабой степени, получают опаловое стекло.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
