 |
|
Физические свойства
Плотность стеклакак масса в единице объема зависит от плотности входящих в него компонентов и колеблется от 2,2 до 6,0 г/см3. По плотности можно примерно определить природу стекла. Например, плотность чисто кварцевого стекла равна 2,2 г/см3, натриево-известкового – 2,5, хрустального–3,5-6,0 г/см3.
Наибольшую плотность имеют стекла, содержащие окислы тяжелых металлов – РbО, BaO, ZnO. Плотность стекла зависит также от температуры: при повышении температуры она понижается. Кроме того, на плотность влияет состояние кварца: если кварц находится в кристаллическом состоянии, то плотность стекла равна 2,65 г/см3, если в стекловидном – 2,2 г/см3. Но плотность отожженного стекла примерно на 0,5 % больше, чем закаленного.
Теплоемкостьстекла зависит от химического состава и природы молекулярных связей. Между химическим составом и теплоемкостью существует линейная зависимость. Теплоемкость повышается с увеличением содержания в стекле ZnO, Li2O и снижается при введении РbО и ВаО.
С повышением температуры она увеличивается, особенно в интервале внутриструктурных превращений. Теплоемкость стекла находится в пределах от 0,3 до 1,05 кДж/(кг×°С).
Теплопроводностьстекла весьма невелика и составляет 0,7-1,34 Вт/(м×°С), что в 400 раз меньше теплопроводности меди. Она зависит от химического состава стекла. При замене кремнезема другими окислами теплопроводность уменьшается. С повышением температуры она возрастает, при нагревании до температуры размягчения стекла удваивается.
Теплопроводность стекла положительно влияет на его термическую стойкость, которая с увеличением теплопроводности повышается.
Коэффициент термического расширениязависит от химического состава стекла и температуры. Щелочные окислы резко повышают его, a SiO2, MgO заметно снижают, величина термического расширения стекла колеблется от 5,8×10–7 (кварцевого стекла) до 70-90×10–7 (стекол обычного состава). Термическое расширение отрицательно влияет на термическую стойкость стекла: чем оно выше, тем хуже стекло переносит колебания температуры.
Термическая стойкость зависит:
1) от свойств стекла (с увеличением модуля упругости, степени неоднородности стекла по составу термическая стойкость снижается);
2) размеров и формы изделий (при увеличении толщины изделий термическая стойкость понижается, изделия с острыми гранями и выступами имеют меньшую термостойкость);
3) от состояния их поверхности (при наличии царапин, трещин и других дефектов она снижается).
Стекло значительно лучше сопротивляется быстрому нагреву, чем резкому охлаждению. Это объясняется тем, что при быстром охлаждении в поверхностных слоях возникают большие растягивающие напряжения, а во внутренних, еще более нагретых, напряжения сжатия. При быстром нагревании в поверхностных слоях стекла возникают напряжения сжатия, во внутренних – напряжения растяжения. В данном случае напряжения сжатия легко противостоят меньшим напряжениям внутренних слоев, поэтому изделия не разрушаются. Таким образом, термостойкость стекла при быстром нагревании выше, чем при быстром охлаждении.
Высокую термическую стойкость имеют изделия с малым содержанием щелочных окислов и большим количеством окислов бора, титана и др. Для устранения дефектов, а, следовательно, для повышения термостойкости изделия подвергают термической обработке с последующим травлением плавиковой кислотой.
Показатель преломления стеклазависит:
1) от среды,
2) длины волны падающего света;
3) температуры (с повышением температуры он возрастает. В пределах температуры размягчения он изменяется в зависимости от структурных превращений в стекле);
4) от химического состава, по его величине можно судить о природе стекла. Для натриево-кальциево-силикатных стекол он колеблется в пределах от 1,48 до 1,52, а для хрустального – от 1,65 до 1,9. Показатель преломления повышается при введении в состав стекла окислов свинца, бора, двуокиси титана и трехокиси вольфрама и понижается при увеличении содержания кремнезема и окисла алюминия.
Игра света, характерная для изделий из хрустального стекла, объясняется высоким показателем преломления. Для лучшего выявления этой особенности хрустальные изделия изготавливают более толстостенными и украшают глубокими алмазными гранями.
Поглощение света стеклом является существенным его недостатком. Оконное стекло поглощает до 2 % проходящего через него светового потока, и, прежде всего, его ультрафиолетовую часть, наиболее важную для жизнедеятельности организма. Наибольшим светопропусканием, в том числе и ультрафиолетовых лучей, обладают кварцевое стекло, плавленый борный ангидрид и увиолевые стекла.
Солнцезащитные стекла получают следующим способом. На поверхность стекла, находящегося в состоянии, близком к размягчению, наносят окисно-металлические покрытия из пленкообразующих растворов. Такие пленки чаще всего бывают на основе хлоридов олова и сурьмы, олова, кобальта и др.
Отражение света стеклом зависит от его природы и характера поверхности. Большой световой поток отражается от ровной блестящей поверхности и меньший – от матовой; эти свойства стекла используют для нанесения на изделия рисунка матовой ленты.
Для снижения коэффициента отражения и повышения светосилы поверхность изделия покрывают тонкой пленкой с меньшим показателем преломления. Этот метод называется просветлением, он позволяет сократить коэффициент отражения стекла с 4-6 % до 0,7-0,3 %. Если коэффициент преломления этой пленки больше, чем стекла, то коэффициент отражения поверхности увеличивается. Нанесение слоев из различных окислов используют в стеклоделии с декоративной целью – для придания эффекта ирризации и получения люстровых слоев с повышенным коэффициентом отражения.
Электропроводность. Стекло – плохой проводник электричества, оно относится к изоляторам. При повышенной температуре и высоком напряжении электропроводность стекла возрастает.
Наиболее сильно влияют на электропроводность щелочные окислы; борный ангидрид и кремнезем снижают ее. Лучшим диэлектриком является чистый кварц.
Электрическая прочностьплавленого кварца возрастает при повышенном содержании кремнезема и щелочноземельных окислов и снижается с увеличением щелочных окислов. Окислы, повышающие удельное сопротивление стекла прохождению электрического тока, аналогично воздействуют и на его электрическую прочность.
Поверхностное натяжениесущественно влияет на освобождение стекломассы от различных газовых и воздушных включений в процессе ее варки. Наилучшее осветление стекломассы достигается при понижении поверхностного натяжения. У натриево-силикатных стекол с увеличением содержания SiO2 поверхностное натяжение снижается, у свинцово-силикатных – возрастает. Двухвалентные окислы металлов не оказывают заметного влияния на него. К2О, РbО, В2О3, Сr2О3 способствует понижению поверхностного натяжения натриево-известкового стекла.
Поверхностное натяжение расплавленного стекла в 3-4 раза выше, чем воды, и равняется 0,22-0,36 н/м2.
Показатели ряда физических свойств стекла могут быть определены расчетным путем по правилу слагаемости (аддитивности), согласно которому числовое значение свойства стекла может быть получено сложением числовых значений отдельных окислов, входящих в его состав. Несмотря на то, что результаты определения состава по правилу слагаемости имеют приближенное значение, оно дает возможность получить изделия с необходимыми показателями свойств.
Чем проще химический состав стекла, тем ближе его расчетные показатели к фактическим свойствам. Свойство любого стекла равно сумме произведений процентного содержания каждого из окислов на коэффициент рассматриваемого свойства данного окисла. Рассчитывается оно по следующему уравнению:
где к – искомый показатель свойства стекла данного состава; а – содержание отдельных окислов, %; с – коэффициент соответствующего показателя искомого свойства стекла данного состава.