Главная | Обратная связь

Состав и свойства стекла.

Производство стекла включает этап подготовки сырья и варку стекломассы при температуре около 1500 °С. Ос­новными сырьевыми материалами являются кварцевый песок, известняк» сода и другие минеральные вещества. После расплавления смеси компонентов и охлаждения об­разуется твердый материал аморфно-кристаллической структуры, составными частями которого являются окси­ды кремния, натрия и кальция. Для придания стеклу спе­цифических свойств, например повышенного блеска, прозрачности, светопреломления, термостойкости и т. д., в его состав вводят оксиды свинца, алюминия, магния, бора и др. Таким образом, состав стекла является важным фактором, обусловливающим свойства и назначение изде­лий, в связи с чем представляется целесообразным рассмотреть группы и характеристику стекла по этому признаку.

По природе главного стеклообразующего оксида стекло может быть силикатное (стеклообразователь SiO2), фосфатное (Р2О5), боратное (В2О3), смешанное и др.

Для изготовления посуды и художественно-декоратив­ных изделий применяются силикатные стекла, ко­торые по особенностям состава подразделяются на два вида: бессвинцовые (обыкновенные) и свинцовые (хрустальные).

Основными видами обыкновенных стекол (в зависи­мости от названия главного стеклообразующего оксида) являются известково-натриевое, известково-калиевое, известково-натриево-калиевое.

Хрустальные стекла (в зависимости от содержания оксида свинца) вырабатывают трех видов: тяжелый хрус­таль (свыше 30 % РЬО), легкий хрусталь (до 25 % РЬО) и полухрусталь (до 13 % РЪО).

Фосфатные и боратные стекла используют главным образом в технических и специальных целях. Смешанные стекла, например боросиликатные, применяются для получения термически устойчивых из­делий (кухонная посуда), в оптике и для других целей.

Одной из разновидностей специальных стекол являет­ся ситалл - новый класс материалов, полученный направ­ленной кристаллизацией стекол специальных составов и обладающий рядом специфических свойств.

Все свойства стекла можно подразделить на две груп­пы: физико-механические и химические.

Основными показателями физико-механиче­ских свойств стекол являются их плотность, проч­ность, хрупкость, твердость, теплопроводность, тепловое расширение, термическая стойкость, прозрачность.

Плотность зависит от состава, температуры и «тепло­вого прошлого» стекла. С повышением температуры плот­ность стекла уменьшается, а медленное его охлаждение увеличивает данный показатель. Самой высокой плот­ностью обладают хрустальные стекла - (3-6) • 10~3 кг/м3, самой низкой - боросиликатные - 2,38 • 10~3 кг/м3; обык­новенные стекла занимают промежуточное положение -(2,4-2,5)-Ю-3 кг/м3.

Прочность определяет назначение изделий, однако при различных типах деформаций стекло ведет себя по-разному. Например, обладая высокой прочностью при сжатии и значительно меньшей при растяжении и изги­бе, оно может обладать наиболее низкой ударопрочностью. Прочность на сжатие большинства посудных сте­кол находится на уровне чугуна и составляет 5-20 МПа. Прочность стекол при растяжении и изгибе в 15—20 раз меньше, чем при сжатий, что объясняется состоянием по­верхности (наличие микротрещин, царапин, инородных включений и т. п.).

В настоящее время в отечественной и мировой практи­ке широко используют методы упрочнения стекол с помощью травления (обработка плавиковой кислотой), огне­вой полировки, закаливания (нагревание по специально­му графику до заданной температуры с последующим рез­ким охлаждением), ионного обмена (выдерживание в растворе сернокислой соли щелочных металлов).

Хрупкость оценивается по ударной прочности, т. е. суммарной серии ударов до разрушения изделия, и зави­сит от формы, размеров, термической обработки образцов. Оксиды бора, алюминия, магния снижают хрупкость из­делий из стекла.

Твердость определяет пригодность изделий к различ­ным условиям обработки, а также их назначение. Высо­кой твердостью обладают кварцевые, боросиликатные и ситалловые стекла, пониженной - хрустальные.

Стекла, имеющие низкую теплопроводность, терми­чески менее устойчивы. Сказанное относится, прежде всего, к толстостенным изделиям и изделиям из хрустального стекла. Наибольшей теплопроводностью обладают квар­цевые, боросиликатные и ситалловые стекла.

Тепловое расширение определяет термическую стой­кость стекол и особенности декорирования, назначение изделий. Оксиды кремния, алюминия, бора, титана уменьшают коэффициент термического расширения, а ок­сиды калия, натрия, лития, наоборот, повышают его, тем самым снижая термическую стойкость изделий.

В процессе эксплуатации стекло постоянно испытыва­ет резкие перепады температур. Способность противосто­ять этим воздействиям характеризует показатель терми­ческой стойкости. Термостойкость обычных посудных стекол колеблется в пределах 20-150 °С, в то время как посуда из кварцевого стекла выдерживает перепады тем­ператур от 20 до 900 °С, из жаростойкого боросиликатного стекла - в пределах 20-600 °С, ситалловая - свыше 600 °С.

Прозрачность. Данное свойство стекла характеризует­ся способностью пропускать световые лучи видимой части спектра. Самые прозрачные оптические стекла пропуска­ют более 91 % светового потока, у обыкновенных стекол этот показатель значительно ниже.

Химические свойства стекол характеризуются, прежде всего, их химической устойчивостью, т. е. спо­собностью противостоять разрушающему действию химических реагентов (щелочей, кислот, влаги, солей и др.). Химическая стойкость посудных стекол определяется 3—4-м классом из пяти принятых. К первому классу с наи­большей химической устойчивостью относят специаль­ные стекла. В их состав для повышения данного показате­ля вводят редкоземельные элементы (лантан, цирконий, литий), на поверхность наносят кремнийорганические пленки и др.

Ознакомившись с основными показателями свойств, можно отметить следующие отличительные черты наибо­лее распространенных видов посудных стекол.

Обыкновенные стекла - наиболее легкие, хрупкие, дос­таточно твердые и термостойкие, имеют средние показате­ли оптических свойств (пропускание, поглощение, прелом­ление и отражение сбега), высокую химическую стойкость.

Хрустальные стекла значительно плотнее, а, следова­тельно, тяжелее, мягче обыкновенных, термически и хи­мически менее устойчивы, однако по оптическим свой­ствам они значительно превосходят обыкновенные.

Боросиликатные стекла по плотности и массе занима­ют промежуточное положение: из-за зеленоватого оттенка по оптическим свойствам значительно уступают первым двум, однако превосходят их по твердости, термической и химической устойчивости.

Ситаллы по многим показателям свойств схожи с боросиликатными стеклами, однако более термически, меха­нически и химически устойчивы. По сравнению с обыкно­венными стеклами они в 4-10 раз прочнее, способны вы­держивать перепады температуры до 1000 °С. Ситаллы имеют бело-молочный цвет, поэтому прозрачность, луче­преломление и другие оптические свойства у них ниже.