Стекло: особенности строения и свойства. Понятие о стеклообразном состоянии вещества. Сырьевые материалы для производства стекла. Основы технологии производства стекла

В природе вещества существуют в одном из четырех агрегат­ных состояний: плазменном, газообразном, жидком и твердом. Твердое состояние имеет две формы — кристаллическую и аморфную. Частный случай аморфного состояния — стекло­образное. Кристаллические тела имеют правильную геометри­ческую решетку, которая образована частицами (ионами или атомами), расположенными в строго повторяющемся порядке. У стекловидных веществ, в отличие от кристаллических тел, нет такой решетки. Составляющие стекло частицы расположены геометрически правильно только в относительной близости друг от друга, а при некотором удалении этот порядок нарушается. Таким образом, в стекле отсутствует правильный порядок в рас­положении элементарных геометрических ячеек. Стекловидное состояние занимает как бы промежуточное положение между кристаллическим и жидким. Четкость форм изделий из стекла делает его сходным с твердыми кристаллическими телами; по асимметричности структуры и изотропности оно сходно с жид­костями. Стеклом называют аморфные тела, получаемые путем пере­охлаждения расплава независимо от их состава и температурной области твердения. Стекла обладают в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым. Это определение стекла отражает наи­более типичные его свойства. Для кристаллических тел характерна постоянная для каждого вещества температура плавления. Стекла не имеют определенной температуры твердения и плавления, они размягчаются в широком интервале температур. Свойства кристаллических тел при их за­твердевании в процессе кристаллизации изменяются скачками, т.е. внезапно, в то время как свойства стекол при их затвердевании изменяются постепенно.По происхождению стекла разделяют на природные и искус­ственные. К природным относят стекла, образованные в процессе деятельности вулканов (извержение магм), например обсидиано­вое. К искусственным относят все стекла, создаваемые в резуль­тате труда человека. Искусственные стекла бывают органические и неорганические. Подавляющее большинство искусственных промышленных стекол относится к неорганическим. Современные промышленные стекла содержат не менее 5-7 компонентов, а специальные технические — более 10. В за­висимости от стеклообразующего оксида, на основе которого получено то или иное стекло, происходит и его название. Так, наи­более распространено силикатное стекло, получаемое на основе оксида кремния Si0₂, боратное — на основе оксида бора— Вг0₃, фосфатное — на основе фосфорного ангидрида Р₂0₅. Кроме того, в состав стекол входят оксиды натрия, калия, кальция, магния, алюминия, бария, свинца, цинка, марганца, меди и др. Основные сырьевые компоненты для производства материа­лов из стекла — кварцевый песок, сода, мел, доломит, известняк. При этом в стекломассу вводятся кислотные, щелочные и щелоч­ноземельные оксиды, от которых непосредственно зависят все основные эксплуатационно-технические свойства стекла. Большое влияние на свойства строительных стекол оказывают вспомогательные компоненты — осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, окислители, восстановители. Осветлители вводят в шихту для освобождения стекломассы от видимых пузырей, т. е. для ее осветления. Этим ускоряется про­цесс стекловарения. Действие осветлителей заключается в том, что при нагревании они разлагаются с выделением большого ко­личества газообразных продуктов. Улетучиваясь из стекломассы, они способствуют удалению из нее и других газов (пузырей). Обесцвечиватели вводят в стекломассу, чтобы устранить не­желательные сине-зеленые или желто-зеленые оттенки, которые стекломасса приобретает из-за примесей железа в сырьевых материалах. Стекло обесцвечивают химическим и физическим способами. Красители служат для окрашивания стекла в тот или иной цвет. Обычно в качестве красителей используют соединения металлов. По механизму их действия различают молекулярные и коллоидные красители. Молекулярные красители, введенные в стекломассу, растворяются в ней. Окраска таких стекол не из­меняется при повторной тепловой обработке. К коллоидным относятся те красители, которые при введении их в стекломассу равномерно распределяются в ней в виде мельчайших коллоидных частиц, например, соединения золота, меди, селена, серебра. Большинство светопрозрачных стекол варят в окислительной среде. Это делают в основном для перевода оксида железа двух­валентного FeO, содержащегося в сырье и придающего стеклу зеленоватый оттенок, в оксид Fe₂O_r Вместе с тем существует группа стекол (цветные), для варки которых требуется вос­становительная среда. Для регулирования этих условий варки в стекломассу вводят окислители или восстановители. Описание технологического процесса. Варка стекла—процесс многостадийного превращения шихты в жидкую стекломассу. При нагревании стекольной шихты про­исходят сложные физические, химические и физико-химические процессы. При этом выделяют следующие стадии стекловарения: силикатообразование при температуре 1100-1150 °С, стеклообразование (1150-1250 °С), осветление (дегазация), гомогенизация (1450-1600 °С) и студка (1200-1300 °С), т.е. охлаждение. На этом этапе производится подготовка стекломассы к формованию. Варка стекла производится в печах различного типа. Формование стекла производится следующими способами: прессование, прокат, вытягивание, на расплаве металла (флоат-способ). Последние два способа широко распространены в сте­кольной промышленности при производстве листового стекла. Способ вертикального вытягивания состоит в транспорти­ровании снизу вверх с помощью валков машины ленты стекло­массы после студки. Лента выдавливается из стекломассы погруженным в нее специальным приспособлением (шамотной лодочкой).Флоат-способ — это новейший и наиболее прогрессивный способ производства листового стекла. Он отличается макси­мальной производительностью и высоким качеством вырабаты­ваемой продукции. Флоат-способом получают стекло с огненно-полированной поверхностью, не уступающее по качеству стеклу, обработанно­му механическим способом. При этом его себестоимость в 2раза меньше, чем полированного стекла. В связи с большой произ­водительностью, более низкой себестоимостью и высоким ка­чеством стекла флоат-способ вытесняет способы полированного стекла на конвейерных линиях механической обработки, поэтому его применяют и в производстве оконного стекла. Особенность флоат-способа заключается в том, что фор­мование происходит на поверхности расплавленного металла (олова). Отжиг стекла — прогресс охлаждения стеклоизделий, устраняющий остаточные напряжения в стекле. В результате снижаются полученные при формовании внутренние температур­ные напряжения, возникающие вследствие более высокой ско­рости остывания наружных слоев стекла по сравнению с внутрен­ними. Наружные слои стремятся к сжатию, а внутренние, более нагретые, препятствуют этому.

Отделку лицевой поверхности стекла производят механи­ческим, химическим способами и путем нанесения различных покрытий.

Свойства: К важнейшим свойствам стекла можно отнести плотность, прочность, твердость, хрупкость, теплопроводность, термическую устойчивость, оптические свойства.

Плотность зависит от химического состава стекла и бывает от 2,2 до 7,5 г/см3. В некоторой степени плотность стекла зависит от температуры, с повышением которой плотность стекла уменьшается.

Прочность —способность материала выдерживать нагрузку на сжатие, растяжение и т. д. Предел прочности на сжатие колеблется от 500 до 2000МШ, на растяжение от 35 до 100 МПа.

Твердость — способность стекла оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. Твердость стекла по шкале Мооса равна 7. Некоторые виды стекол бывают твердостью 5—6 по шкале Мооса.

Теплопроводность — это способность материала, в данном случае стекла, проводить тепло без перемещения вещества этого материала. У стекла коэффициент теплопроводности равен 0,0017—0,032 кал/(см-с-град). У оконных стекол эта цифра равна 0,0023. Как видно, коэффициент теплопроводности стекла весьма незначителен.

Тепловое расширение — это увеличение линейных размеров тела при его нагревании. У стекла оно незначительное и равняется 88• 10~7.

Термическая устойчивость — способность стекла выдерживать резкие изменения температуры не разрушаясь. Термостойкость оконных стекол равняется 80—90°С. Термостойкость стекла во многом зависит от его химического состава. Следует указать, что кварцевое стекло выдерживает резкий перепад температур, который достигает до 1000°С.

Оптические свойства подразумевают светопрозрачность, светопоглощение, отражение и преломление света. Светопоглощение стеклом света невелико. В оконном стекле оно равняется примерно 88%. Для получения стекол с высокой степенью прозрачности необходимо сырьевые материалы до минимума очищать от нежелательных примесей, окрашивающих стекло.

Прозрачное стекло одинаково пропускает все цвета спектра. Кроме того, надо знать, что чем лучше отполировано стекло, тем больше оно пропускает света, и наоборот. Различные царапины и загрязнения сильно снижают прозрачность.