>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебное пособие

Стеклодувное дело

   

§ 1. Химический состав и свойства стекла

Началом изготовления стекла и изделий из него надо считать третье тысячелетие до нашей эры. Впервые стеклянные нзделия появились в Древнем Египте и Передней Азии. В нашей стране в X—XI вв. на территории современной Украины существовало стекольное производство. В дореволюционной России стекольная промышленность была представлена в основном полукустарными предприятиями. При советской власти началось развитие и техническое перевооружение стекольной промышленности. В настоящее время стекольная промышленность является одной из важных отраслей народного хозяйства.

Стекло представляет собой сплав, состоящий из силикатов металлов, в основном щелочных и щелочноземельных, и кремнезема. Стекло является типичным представителем веществ, находящихся в так называемом стеклообразном состоянии. В отличие oт кристаллических веществ, которые характеризуются строго определенной ориентировкой атомов или ионов в пространстве (кристаллической решеткой), стекло не имеет ярко выраженной кристаллической решетки, хотя и состоит из отдельных микрокристаллических структур. Эти микрокристаллические структуре расположены в толще стекла беспорядочно.

Стекло и другие вещества, находящиеся в стеклообразном состоянии, обладают следующими свойствами:

  1. отсутствием строго определенной температуры плавления (стекло постепенно размягчается, и достаточно плавно переходит в жидкое состояние);
  2. изотропностью (свойства стекла в отличие от кристаллических веществ, например горного хрусталя, одинаковы во всех на правлениях);
  3. отсутствием спайности (при раскалывании стекло образует так называемый раковистый излом).

Для стекла характерно наличие аномального интервала, т. е такого интервала температур, в пределах которого свойства стекла резко меняются (рис. 1).

Рис. 1. Схематическая кривая изменения вязкости от температуры:
t1 — температура отжига. t2 — температура начала размягчения, t3 — t4 — интервал рабочей температуры, t5 — температура разжижения

В состав стекла входят следующие основные компоненты: кремнезем, силикаты натрия, калия и кальция. Силикаты кальций частично или полностью, заменяются в различных специальных сортах стекла силикатами цинка, бария, магния, свинца и др. В качестве кислотного компонента в стекло добавляют борный ангидрид В2О3. Обычно состав стекла выражается процентным содержанием оксидов, которые в виде силикатов образуют массу стекла. Кремнезем SiО2 является основной составной частью стекла. Его содержание в стекле колеблется от 60 до 80%.

В состав строительного (оконного) стекла кроме кремнезема входит оксид натрия Na2О, оксид кальция СаО и небольшие количества оксидов магния MgO и алюминия А12О3, содержащихся в сырьевых материалах. Хрусталь и оптическое стекло содержат значительные количества оксида свинца РbО. Обычное бутылочное стекло содержит оксид алюминия AI2O3 и оксиды железа, придающие стеклу буро-желтый (Fе2O3) или грязно-зеленый (FeO) цвет. Для окраски стекла в стекломассу вводят оксиды некоторых металлов. При введении оксида кобальта стекло окрашивается в синий цвет, оксида марганца — в фиолетовый, оксида хрома — в изумрудно-зеленый и т. д.

В состав различных марок лабораторного стекла, применяемого в стеклодувном деле, кроме оксидов натрия и кальция входят оксиды калия КгО, магния MgO, алюминия А12O3. В некоторые стекла входят оксиды цинка ZnO, свинца РЬО, бария ВаО и циркония ZrO2. В табл. 1 приведен процентный состав различных марок лабораторного стекла.

Вязкость (внутреннее трение). Вязкостью или точнее коэффициентом внутреннего трения называется способность жидкостей и газов под действием внешних сил оказывать сопротивление перемещению одного слоя жидкости относительно другого слоя.

Динамическая вязкость — это сила внутреннего трения, препятствующая перемещению одного слоя жидкости площадью в 1 м2 и толщиной в 1 м относительно другого такого же слоя, двигающегося со скоростью в 1 м/с (один метр в секунду).

Коэффициент внутреннего трения имеет размерность Па•с (паскаль•секунда). В системе СГС коэффициент внутреннего трения выражается в пуазах (1П=0,1 Па×с). Так как вязкость определяется силой внутреннего трения между молекулами или агрегатами молекул, то присутствие в жидкой фазе полимерных молекул или пространственных агрегатов значительно повышает вязкость. Важнейшим свойством стекла является значительная вязкость даже в расплавленном состоянии. Ниже приведена для сравнения вязкость ряда веществ при опредеопределенной температуре.

Вязкость расплавленного стекла в среднем при -температуре 1480—1500°C составляет 9—11 Па•с, а в момент затвердевания увеличивается до 1012—1013 Па•с. Резкое возрастание вязкости при сравнительно быстром охлаждении препятствует кремнезему и силикатам принять упорядоченную ориентировку в пространстве. Стекло можно формовать, т. е. выдувать из него различные изделия тогда, когда вязкость колеблется в пределах от 102 (начало формования) до 108 Па•с (конец формования). При вязкости 1012 Па•с стекло становится хрупким.

Температура, при которой вязкость стекла приближается к 1012 Па•с, называется температурой отжига. При температуре ниже температуры отжига стекло хрупко, при более высокой температуре становится вязким.

В стеклодувной практике чаще всего пользуются термином температура размягчения стекла, подразумевая под ней температуру, при которой стекло приобретает заметную текучесть. Эта температура не является строго определенной, она выше температуры отжига.

Вязкость стекла зависит от его состава. У некоторых стекол она меняется с температурой плавно в широком интервале температур (такие стекла называют длинными), у других сортов вязкость меняется довольно резко — з узком интервале температур (такие стекла называются короткими, например стекла типа «Пирекс»). Самым коротким стеклом является кварцевое.

Поверхностное натяжение. Поверхность жидкости или расплава стремится сократиться под действием сил поверхностного натяжения, которые определяются неуравновешенностью сил молекулярного притяжения в любой точке поверхностного слоя. Количественной мерой поверхностного натяжения является работа, которую необходимо затратить, чтобы увеличить поверхность на 1 м2. Единица поверхностного натяжения (коэффициента поверхностного натяжения) — Н/м (ньютон на метр).

Под влиянием поверхностного натяжения любая поверхность стремится сократиться. Этим объясняется то, что жидкость, или расплав, в небольшой массе принимает форму шара, т. е. тела, у которого при наибольшем объеме наименьшая поверхность.

Поверхностное натяжение стекла в расплавленном состоянии при температуре 1100°С колеблется в пределах 0,02—0,03 Н/м. Она значительно отличается от поверхностного натяжения воды при обычной температуре (0,073 Н/м). Вследствие большого поверхностного натяжения стекло легко оплавляется, «осаживается» и «перемещается».

Только благодаря значительной вязкости и поверхностному натяжению стекло можно формовать, придавая ему ту или иную форму. При разогревании цилиндрической стеклянной трубки в процессе размягчения поверхностное натяжение способствует уменьшению поверхности стекла, благодаря этому диаметр трубки уменьшается (поверхность при этом сокращается), а края трубки стремятся приобрести сферическую форму, что заставляет отверстие на конце суживаться, а затем и совсем запаиваться. Суммарное поверхностное натяжение по внешнему периметру больше, чем по внутреннему. Отверстие в боковой части, наоборот, при разогреве трубки расширяется, так как поверхностное натяжение своим воздействием уменьшает поверхность, стягивает размягченное стекло в противоположные стороны от отверстия, увеличивая размер отверстия. Отсутствие резких углов и сглаженность стеклянных изделий при переходе от одной поверхности к другой, находящейся под углом к ней, также является следствием поверхностного натяжения.

Плотность. Плотность - отношение массы тела к его объему. Плотность стекла колеблется в пределах 2,2—7,0 г/см3 (2200—7000 кг/м3) в зависимости от состава. Чем больше в составе стекла оксидов тяжелых элементов РЬО, ВаО, тем больше плотность. У оптических тяжелых флинтов она доходит до 7,3 г/см3. Плотность химико-лабораторйых стекол не выходит за пределы 2,29—2,56 г/см3.

Твердость. Для характеристики твердости можно использовать сопротивление, которое оказывает материал вдавливанию индикатора (твердого конуса или шарика), или относительную шкалу Мооса, где материалы расположены в виде ряда, в котором каждый более твердый материал царапает другой, менее твердый. За единицу твердости по этой шкале взята твердость наиболее мягких материалов — талька и графита (твердость равна 1). Наиболее твердый материал — алмаз (его твердость равна 10) , твердость корунда А12О3 равна 9. Твердость стекла колеблется от 5 до 6,7. Наиболее твердое стекла — это «Пирекс» и кварцевое.

Микротвердость, определяемая по размеру отпечатка алмазной пирамиды под нагрузкой 0,2 кг, для стекла от 40 до 100-102 МПа.

Прочность. Прочность стекла определяется его сопротивлением разрушению. Количественной характеристикой прочности является наименьшее усилие, необходимое для разрушения образца стекла. Определяют предел прочности при сжатии, растяжении и изгибе. Предел прочности для стекла ири сжатии равен (4,9-19,6)х102 МПа, при растяжении —(0,35—1)х102 МПа, при изгибе — (0,05-0,2)х102 МПа. Наибольшей прочностью обладает стекло при сжатии и наименьшей при изгибе, поэтому толщина участков стекла в местах изгиба должна быть большей. Прочность при сжатии у стекла сравнима с прочностью чугуна, равной (6-11,8)х102 МПа.

Хрупкость. Хрупкость материала определяется заметным отсутствием пластической деформации при разрушении под действием внешних сил. Стекло обладает очень малой, практически незаметной упругой деформацией и является типично хрупким материалом, что ограничивает его техническое применение. Количественно хрупкость стекла определяется пределом прочности при ударном изгибе (удельная ударная вязкость). Для определения ударной вязкости образец стекла в виде балочки размером 120х25х6 мм устанавливается на две опоры маятникового копра и ударом медведки маятника разрушается. Минимальное усилие, вызывающее разрушение, фиксируется как предел прочности при ударном изгибе. Эта величина колеблется для стекла в пределах 0,0015—0,0002 МПа.

Тепловое расширение. Поскольку стекло является изотропным материалом, оно одинаково расширяется во всех направлениях. Мерой, определяющей поведение стекла при нагревании, является термический коэффициент линейного расширения (измеряемый в °С-1)

т. е. отношение увеличения длины образца при нагревании его на 1°С к первоначальной длине образца. Линейное расширение стекла имеет большое значение при спаивании различных стекол, при впаивании металла в стекло. Только те спаи стекла со стеклом или с металлом будут прочными и не будут растрескиваться при охлаждении, у которых термические коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) близки по величине друг к другу.

Термическая устойчивость. Термической устойчивостью называется способность стекла без разрушения выдерживать резкие колебания температуры. Максимальная разность температур, которую может выдержать стекло, не растрескиваясь, является мерой термической устойчивости.

При практическом определении термической устойчивости стеклянные палочки длиной 30 и диаметром 4 мм последовательно нагревают до определенной все увеличивающейся температуры, а затем быстро охлаждают, опуская в воду с температурой 20°С. Нагревание и охлаждение производят до тех пор, пока образцы не треснут. Наивысшую температуру перепада, при которой образцы еще не трескаются, записывают. Разность между этой температурой и температурой воды 20°С и будет термической устойчивостью.

Теплопроводность. Теплопроводностью или коэффициентом теплопроводности называется количество теплоты, переносимой на определенное расстояние (толшину, длину) через единицу поверхности сечения за единицу времени при разности температур в один градус. Единица теплопроводности — Вт/(м•°С).

Ниже приведены значения теплопроводности ряда веществ.

Стекло имеет сравнительно низкую теплопроводность, медленно остывает, что позволяет выдувать из него различные изделия.

Химическая стойкость. Она имеет большое значение при выборе стекла для производства химической посуды. Химической стойкостью стекла называют его способность противостоять разрушающему действию агрессивных сред — воды, кислот, щелочей. Химическую стойкость стекла выражают отношением убыли в весе навески стекла, которое подверглось в течение определенного времени действию агрессивных сред (воды, кислоты или щелочи), к первоначальной навеске в процентах или к 100 см2 поверхности стекла. Слабее всего противостоит стекло действию воды и щелочей. Увеличение в стекле содержания щелочных оксидов (Na2О и К2О) уменьшает химическую стойкость стекла. Добавки оксидов свинца, цинка, циркония, магния, бария, борного ангидрида и т. д. повышают химическую стойкость стекла. Особенно сильно увеличивает химическую стойкость стекла добавление диоксида циркоциркония.

Водостойкость термометрических и медицинских стекол определяется по ГОСТ 19809—74 путем кипячения измельченной навески стекла (2 г) в 50 мл воды в течение часа с последующим титрованием ее 0,01 н. раствором НС1. Число миллилитров 0,01 н. раствора НС1, прошедшее и а титрование, навески в 1 г, и будет мерой водостойкости стекла. В зависимости от количества миллилитров 0,01 н. соляной кислоты стекла разделяются на пять гидролитических классов.

 

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru