Меню Рубрики

Все о стекле с точки зрения химии

Цели урока. Обучающие: проследить за историей развития стеклоделия, рассмотреть физико-химические свойства стекла, области применения и способы получения стекол.

Воспитательные: воспитать у учащихся экологическую культуру, культуру труда, развить интерес к учению, инициативность и любознательность.

Развивающие: способствовать формированию научного мировоззрения, общенаучных умений и навыков.

Оборудование и реактивы. Горелка, стекловолокно, ткань, различные типы стекол.

Пою перед тобой в восторге похвалу.
Не камням дорогим, не злату, но Стеклу.
М.В.Ломоносов

Учитель. Задача химической отрасли промышленности состоит в том, чтобы изменять природные материалы так, чтобы они стали полезными. Мало кто представляет, какие превращения происходят при производстве стекла, как работают химические предприятия. Но ведь промышленность – это наш социальный партнер, и ответственность за производство химических продуктов с минимальным риском и к общей выгоде лежит на всех. Познакомимся сначала с историей открытия стекла.

1-й ученик. Стекло сопутствует человеку на всех этапах его истории. Начало стеклоделия теряется в глубине веков. Наиболее ранняя теория происхождения стекла предложена Плинием Старшим (78 г. н.э.). «Существует предание, – пишет Плиний, – будто бы к устью реки пристал корабль торговцев содой. Рассевшись по берегу, они готовили обед, и поскольку не оказалось камней, чтобы подставить под котелки, они подложили куски соды; когда эти последние разогрелись и смешались с береговым песком, тогда потекли ручьи новой жидкости, что и явилось началом стекла».

В более поздние времена не раз предпринимались попытки воспроизвести этот опыт, но они оказались безуспешными. По-видимому, «теория» Плиния – всего лишь легенда.

2-й ученик. Есть теория, что рукотворное стекло было изобретено случайно, как побочный продукт других ремесел. В те времена обжиг глиняных изделий происходил в обычных ямах, вырытых в песке, а топливом служила солома или тростник. Образующаяся при сгорании зола, т.е. щелочь, при высокой температуре в контакте с песком давала стекловидную массу.

Некоторые считают стекло побочным продуктом выплавления меди.

Учитель. Начало древнего стеклоделия восходит к середине III тысячелетия до н. э. и связано с цивилизациями в долинах рек Нила, Тигра и Евфрата, островом Крит и отдельными народами, например финикийцами. В Египте производство стекла достигло расцвета к 1350 г. до н.э., когда центром стеклоделия стала столица Фивы. От этой эпохи до нас дошли стеклянные кувшины и бусы, которые носили представители царствующего дома. Это были предметы роскоши, доступные только очень влиятельным и состоятельным людям. Из цветных стекол научились изготавливать подделки под драгоценные камни, которые ценились наравне с драгоценностями из природных камней. Уже в Древнем Египте умели изготавливать цветные бусы в подражание многим драгоценным камням.

Известно, что с древних времен камням-самоцветам приписывались чудодейственные свойства, помогающие их обладателям. Так, считалось, что сапфир придает ясность мыслям; изумруд отгоняет дурные сны, отводит черные мысли и успокаивает сердце; бирюза приносит счастье в любви; аметист смягчает злобу, обуздывает ветер и предохраняет от опьянения; яшма исцеляет все болезни. Эти же свойства приписывались и цветным стеклам.

3-й ученик. Во всех музеях, где собраны плоды труда безымянных мастеров далеких эпох, взгляды посетителей всегда привлекают витрины, в которых лежат изделия из стекла: прозрачная посуда, разноцветные бусы и украшения из кусочков окрашенного стекла неправильной формы.

Стеклоделие в России прошло тернистый путь. Развилось оно в IX–X вв., т.е. намного раньше, чем в Америке (XVII в.) и многих других странах Западной Европы. В X–XI вв. в Киеве уже существовали мастерские для производства стеклянных браслетов, бус, колец и тонких бокалов. На территории Киево-Печерской лавры была найдена мастерская по производству цветной мозаики. Мозаикой украшен Михайловский собор, Успенская церковь в Киеве, соборы в Чернигове.

4-й ученик. Первый стеклянный завод в России был построен шведом Елисеем Кохтом в 1635 г. около Москвы, но широкое развитие стеклоделие получило лишь с середины XVIII в. Огромный вклад в производство стекла внес М.В.Ломоносов, основавший в 1753 г. Усть-Рудицкую фабрику. Он создал русское мозаичное производство, сам конструировал и изготавливал различные оптические приборы.

В своем «Письме о пользе стекла» ученый и поэт говорит о его использовании в изготовлении различной посуды, украшений, в строительстве, оптике, астрономии, метеорологии, электричестве. Поэтому понятен тот восторг, который вызывает у него это вещество:

«Из чистого Стекла мы пьем вино и пиво
И видим в нем пример бескорыстных сердец,
Кого льзя видеть сквозь, тот подлинно не льстец.
Стекло в напитках нам не может скрыть примесу;
И чиста совесть рвет притворств гнилу завесу.

Во зрительных трубах Стекло являет нам,
Колико дал Творец пространство небесам.

Далече до конца Стеклу достойных хвал,
На кои целый год едва бы мне достал».

Важную роль в развитии русского стеклоделия сыграли Императорский хрустальный и стекольный завод в Петербурге, Гусевский хрустальный завод, Дятьковский и другие, открытые в разное время.

5-й ученик. Начиная с XIX в. производство стекла вышло на новый, промышленный уровень. Этому способствовали многочисленные научные открытия и исследования. В 1910 г. французский ученый Эдуард Бенедиктус изобрел способ производства особо прочного пуленепробиваемого стекла. Такое стекло известно как ламинированное и названо «триплекс».

В 1959 г. английская компания «Пилкингтон бразерс Лтд.» предложила современную методику изготовления высококачественного стекла, сочетающего в себе отличные оптические свойства полированного стекла и экономичность. Расплавленное стекло вытекает в ванну на поверхность расплавленного олова, где оно выравнивается за счет сил поверхностного натяжения и полируется снизу расплавом олова, а сверху – горячим воздухом. Этот способ производства стекла применяется сегодня наиболее широко.

С развитием современных технологий появились полностью автоматизированные предприятия, выпускающие бутылки и стаканы, вазы и флаконы, оконное и защитное стекло, стеклянные полые кирпичи и стеклянную черепицу, стеклянное волокно и изоляцию и множество других полезных изделий.

Учитель. Сейчас стекло получают на современных автоматизированных заводах, и нас поражает не только его прозрачность и твердость, но и удивительно низкая стоимость. Химики-технологи научились создавать стекло практически без отходов: побочные продукты реакции вновь возвращаются в производство, уменьшая количество исходных веществ и удешевляя процесс изготовления стекла.

Люди уже забыли времена, когда стекло считали предметом роскоши. Во Франции 200 лет назад оконные стекла даже облагались особым налогом!

Существует четыре типа стекла: жидкое (концентрированные растворы силикатов натрия и калия), типичное, кварцевое и органическое.

Жидкое стекло получают сплавлением оксида кремния(IV) со щелочами и карбонатами:

Пропитанные жидким стеклом изделия из дерева и тканей плохо загораются, поэтому таким способом обрабатывают материалы, идущие на изготовление театральных декораций.

(Демонстрационный опыт «Горение стекловолокна и обычной ткани».)

Изделия из стекла

Чтобы стекло было нерастворимым в воде, в него вводят третий компонент – известняк CaCO3:

Химический состав оконного стекла отвечает формуле:

однако на практике наблюдаются отклонения от этого состава.

Типичные стекла подразделяют на:

– оконное и бутылочное;

(Демонстрация различных типов стекол.)

Всем известна детская игрушка – калейдоскоп: горсточка пестрых осколков стекла отражается в трех плоских зеркальцах, образуются удивительно красивые фигуры, меняющиеся при повороте.

Долго калейдоскоп был лишь игрушкой, но в наши дни его используют для создания орнаментов обоев, ковров, тканей. В калейдоскопе использованы стекла различного цвета. Для их получения в стекло искусственно вводят добавки: оксид кобальта позволяет получить синий цвет; оксид хрома(III) – изумрудно-зеленый, оксид марганца(II) – фиолетовый, соединения железа(II) – зеленый.

В других случаях введением примесей добиваются изменений свойств стекла. Например, стекло, содержащее оксид кадмия, задерживает нейтроны, оксид свинца(II) – рентгеновские лучи, оксиды ванадия – ультрафиолетовый свет.

Стекло – аморфное вещество. Ионы металла без какой-либо четкой последовательности располагаются в пустотах силикатной сетки, поэтому стекло, в противоположность кристаллу, не обладает определенной температурой плавления, а в процессе нагревания размягчается постепенно.

Структура стекла подобна структуре кристаллического тела: она представляет собой решетку, в узлах которой расположены атомы. Но в отличие от кристаллической решетки структура стекла неправильная, в ней нет регулярного повторения одних и тех же структурных элементов.

Основу структуры силикатного стекла составляют тетраэдры [SiO4], которые связываются друг с другом, образуя пространственную решетку.

Стекло – это некристаллический твердый материал.

Стеклянные изделия вызывают неподдельное удивление, восторг перед превращениями веществ, происходящими в природе и творимыми человеком.

«Изумление – есть начало философии», – писал армянский мыслитель и полководец Давид Непобедимый, родившийся пятнадцать веков назад. А философия объединяет все науки.

Л и т е р а т у р а

Крицман В.А. Книга для чтения по неорганической химии. М.: Просвещение, 1984; Ломоносов М.В. Письмо о пользе стекла. Сочинение. М.: Современник, 1987; Колтун М. Мир химии. М.: Детская литература, 1988; Химия. Справочник школьника. М.: Слово, 1999.

Важнейшим из химических свойств оптических стекол с точки зрения механической их обработки является химическая устойчивость. Установление какого-либо общего критерия химической устойчивости, способного учесть все многообразие действующих факторов, невозможно.

В оптическом производстве установлено два показателя химической устойчивости: устойчивость к действию влажной атмосферы и устойчивость к действию пятнающих реагентов — воды, слабокислых водных растворов и т.п.

По устойчивости к действию влажной атмосферы оптические стекла разделяют на следующие группы:

  • для силикатных стекол: А — неналетоопасные, Б — промежуточные, В — налетоопасные;
  • для несиликатных стекол: а — устойчивые, у — промежуточные, д — неустойчивые

Большинство стекол по устойчивости к влажной атмосфере имеют наивысшие группы — А(а).

По устойчивости к действию пятнающих реагентов силикатные и несиликатные стекла делят на следующие группы:

  1. непятнающиеся;
  2. средней пятнаемости;
  3. пятнающиеся;
  4. нестойкие стекла, требующие применения защитных покрытий.

В отличие от устойчивости к действию влажной атмосферы оптические бесцветные стекла по своей устойчивости к действию пятнающих реагентов характеризуются большим разнообразием свойств. Наиболее устойчивыми (1 группа) являются кроны, кронфлинты, большинство баритовых флинтов, флинты и легкие флинты. Пятнающимися и нестойкими (3 и 4 группы) являются тяжелые и сверхтяжелые кроны, тяжелые баритовые флинты, тяжелые и особые флинты.

Учет химических свойст оптических стекол необходим, с одной стороны, для предотвращения нежелательного воздействия жидкой фазы обрабатывающих суспензий и окружающей среды на полированные поверхности заготовок оптических деталей на всех стадиях их обработки. С другой стороны, для целенаправленного изменения структуры поверхности при травлении штрихов, цифр и других знаков; образовании просветляющих, защитных и прочих покрытий определенной толщины за счет гидролиза поверхности; интенсификации процессов полирования путем введения в состав полирующих композиций водных растворов окислителей; изменении прочностных и других свойств оптического контакта за счет разницы толщины гидролизных пленок и т.п.

При этом одни и те же свойста в зависимости от обстоятелств могут выстепать как положительные, так и отрицательные.

Стекло — сообщение доклад по химии 9 класс

Стекло универсально в применении и на данный момент в мире широко используется практически во всех сферах жизни. В максимально нагретом виде стеклу можно придать нужную форму. Со средневековья существовала профессия мастера, который умел выдувать сосуды, игрушки, вазы из стекла.

В изначальном агрегатном состоянии стекло жидкое. К такому состоянию его приводит температура в +2500 градусов. При остывании стекло затвердевает. Прозрачными бывают не все стекла. После остывания оно может быть матовое. Этимология слова «стекло» различное. На разных языках существует различное значение. Например, с английского – стекло означает «блестеть», «сиять», с немецкого –«светлый».

Самыми первыми мастерами стеклоизделия были Египтяне и оставались ими долгое время. В основном стекло использовали для создания плиток в оформление внутренних залов и парадных. Археологи помимо облицовочных плиток нашли украшения, предположительно созданные 2500 году до нашей эры. Вавилонские жители широко использовали стеклянную посуду в быту, которую сейчас находят археологи. Азия, предположительно, овладела мастерством остекления 6000 назад до нашей эры.

Об овладении техникой ходят целые легенды. Одна из них говорит об Античном времени. Все началось с того, что финикийские купцы странствовали по песчаному берегу и решили из песочных камней сложить костер для обогрева. Когда утром они проснулись, то обнаружили стеклянный слиток. Но даже благодаря легендам учёные так и не установили точное место происхождения я изобретения технологии по созданию стекла. Это звание не могут разделить между собой Древний Египет, Финикия, Месопотамия. Притом всем стекло и техника Его плавки отличаются друг от друга у каждой страны. Важно отметить, что стекло каждого столетия отличается друг от друга достаточно значительно.

Структуру стекла активно изучал Ломоносов. Песок – основной материал, из которого изготавливают стекло, а в нем содержится кальций и натрий, который плавится и остужается в твердую форму. В современном мире люди изготавливают из стекла игрушки, посуду, украшение, фрески, картины, мебель для ванны и окна. Такое широкое использование стекла упростила нашу жизнь во множество раз и глубоко в ней укоренилось на тысячелетия.

Это хрупкий прозрачный материал, получаемый из кварцевого песка (70%), соды и извести. Для изменения цвета, в стекло добавляют различны оксиды металлов. Для создания бронированного стела, пластины накладываются друг на друга и скрепляются между собой полимерной пленкой, после чего полученный материал прогревают в печи и прокатывают станком бод большим давлением (подобная технология используется для изготовления стекол для автомобилей, так как такая конструкция не позволяет разбитому стеклу разлетаться на осколки)

Физические свойства стекла:

  • Плотность от 2400 до 2600 кг/м 3
  • Прочность стекла при растяжении от 30 до 60 МПа
  • Хрупкое

Оптические свойства

  • Теплопроводность от 0,6-0,8 Вт/(м C)
  • Звукоизолирующая способность
  • Химическая стойкость
  • Твердость по шкале Мооса составляет 6-7 единиц
  • Температура плавления 425-600

Образование:

Стекло образуется из шихты, в состав которой входит: кремнезем, глинозем, оксид натрия, кальция, магния. Для получения специальных свойств, вводят оксид бара, свинца и бария.

Стекловарение происходит в три этапа:

Силикатообразование. Образование сложных силикатов при температуре 900 C.

Стеклообразование. На этой стадии стекломасса становится однородной и весьма прозрачной, но в ней по-прежнему много пузырей, поэтому данную массу нагревают до температуры 1200 С. Благодаря этому концентрация растворов силикатов выравнивается и в конечном итоге образуется однородная масса.

Гомогенизация и студка стекла. Для гомогенизации полученную массу приводят в движение, после того, как стекломасса становится вязкой, ее растягивают на тонкие пластины. В конечном итоге получившееся стекло остужают.

Отдельным этапом происходит формование, оно может производиться с помощью вытяжки, прокатки или прессования.

Разновидности стекла:

  • Листовое
  • Оконное листовое стекло
  • Деревянные оконные блоки
  • Пластиковые окна
  • Особенность: пропускание ультрафиолетовых лучей до 70%
  • Витринное
  • Светорассеивающее
  • Увиолевое (пропускает до 80% ультрафиолетовых лучей)
  • Теплоизоляционное
  • Закаленное
  • Армированное
  • Ламинированное
  • Отделочное
  • Стемалит
  • Марблит
  • Светочувствительное
  • Электротехнические
  • Пеностекло
  • Специальное кварцевое стекло
  • Стекловолокно
  • Стеклокерамика

Интересные ответы

Первые замки феодалов начали появляться еще во времена норманнов – точнее, они даже являлись непосредственной защитой от них как врагов. Причем, не только от них, а и от множества других воинствующих народов и племен

Меркурий — одна из девяти планет, входящих в солнечную систему. Она располагается ближе всех к нашей звезде, и обладает самым маленьким размером среди четырёх планет до пояса астероидов.

Как только начнется лето нужно думать о безопасности. Многие люди в летнее время любят купаться в речках и водоемах. Неважно, какой будет водоем нужно знать и соблюдать специальные правила поведения и меры безопасности.

В Солнечной системе открыты и изучаются 8 планет. Юпитер является самой большой из них. Но что еще скрывает в себе эта планета? Это и предстоит выяснить.

С наступлением зимы и морозов, порой, не хочется выходить на улицу, и вместо прогулок выбираешь теплый плед и чай с малиной и лимоном. Но намного интересней и полезней, потеплее одеться и заняться спортом на свежем

Популярная химия

Главное меню

Стекло – один из самых древних и универсальных по своим свойствам материалов, известных человеку.

Со стеклом человек познакомился очень давно. Найденные археологами фаянсовые украшения, относящиеся к периоду первой династии фараонов, говорят о том, что в Египте стекло было известно ещё 5 тысяч лет назад. Обнаруженная при раскопках в Месопотамии цилиндрическая печать из стекла относится к периоду династии Аккада, то есть имеет возраст более 4 тысяч лет. Изделия из стекла, найденные в Японии и Индии, произведены примерно 2 тысячи лет назад. Но единого мнения о времени и месте появления стекла у учёных нет.

Как же появилось стекло?

Одна из легенд гласит, что финикийские купцы готовили пищу на песчаном берегу во время стоянки. Очаг они сложили не из камней, а их кусков африканской соды. Топливом служила солома. Проснувшись утром, они обнаружили на пепелище слиток из стекла.

Русским мастерам секреты стеклянного производства были знакомы более тысячи лет назад. В те времена щёлочь, песок и известь были сырьём для получения стекла. В качестве щёлочи использовали золу растений или соду.

Химический состав стекла


Стёкла бывают естественными и искусственными. Естественное стекло может образоваться, например, при извержении вулкана или при попадании молнии в залежи кварцевого песка. Но в природе так мало возможностей для образования естественного стекла, что для своих нужд человечество давно научилось получать искусственное стекло.

Стекло – аморфное тело, получаемое переохлаждением расплава, который состоит из различных окислов.

В зависимости от того, какой окисел является основным компонентом, различают силикатные стёкла (SiO2), боратные (В203), фосфатные (Р205) и комбинированные (боросиликатные и др.).

Силикатное стекло

Наиболее распространено силикатное стекло. Основная его составная часть – двуокись кремния (SiO2). На 70-75% стекло состоит из неё. Получают двуокись кремния из кварцевого песка. Окись кальция (CaO) – второй компонент стекла, придающий ему химическую стойкость и блеск. В давние времена источником окиси кальция служили морские раковины или зола деревьев, так как люди не были знакомы с известняком. Кроме этих двух компонентов, в состав стекла входят оксид натрия (Na2O) и оксид калия (K2O), которые необходимы для плавки стекла. Источниками оксидов служат сода (Na2CO3) и поташ (K2CO3). Если стекло состоит только из кремнезёма высокой чистоты, оно называется кварцевым.

Физические свойства стекла


По физическим свойствам стёкла подразделяются на обычные, жаростойкие и цветные.

Обычные стёкла

Известны три группы обычных стёкол: иззвестково-натриевое, известково-калиевое и известково-натриево-калиевое.

Известково-натриевое , или содовое, стекло применяется для выпуска оконных стёкол, посуды.

Высокая термостойкость известково-калиевого, или поташного, стекла позволяет применять его в производстве аппаратуры и высококачественной посуды.

Известково-натриево-калиевое стекло обладает высокой химической стойкостью. Наиболее часто применяется в производстве посуды.

Хрупкость – основной недостаток обычных стёкол. Для расширения области применения обычного стекла его закаливают и получают закалённое стекло, которые называется сталинит. Из обычного стекла создают также триплекс – многослойное стекло.

Жаростойкие стёкла

Жаростойкие стёкла называют огнеупорными, термостойкими. Они применяются в изделиях, которые эксплуатируются в особых условиях. К жаростойким стёклам относятся боросиликатное стекло, лабораторное стекло и ситаллы.

Высокая антикоррозийная стойкость боросиликатного стекла и его теплостойкость позволяет использовать это стекло для создания специальных установок в химическом машиностроении. Из такого стекла получается также прекрасная жаростойкая кухонная посуда. Такая же высококачественная посуда может быть изготовлена и из лабораторного стекла. А ситаллы успешно используются в машиностроении.

Цветные стёкла

После застывания стеклянная масса имеет голубовато-зелёный или желтовато-зелёный оттенок. Но если ввести в шихту различные оксиды металлов, которые в процессе варки стекла изменяют его структуру, то после остывания стекло сможет выделять определённые цвета из проходящего через него светового спектра.

Такие стёкла применяются для изготовления художественных изделий, витражей, посуды.

Стекло соединило в себе две стихии: огонь и лёд. Огонь помогает стеклу появиться на свет. На лёд стекло становится похожим, когда застывает в форме какого-нибудь изделия.

Современным людям невозможно представить свою жизнь без стекла. Оно окружают нас повсюду: дома, в транспорте, на работе и на отдыхе. Невозможно назвать хотя бы одну отрасль промышленности, в которой стекло не использовалось бы.

База знаний студента. Реферат, курсовая, контрольная, диплом на заказ

Стекло — Химия

Общеобразовательная школа №1248.

Реферат по химии на тему:

Учеником 9-го класса

Москва 2004 год

Общая характеристика стекла.

Стекло, твёрдый аморфный материал, полученный в процессе переохлаждения расплава. Для стекла характерна обратимость перехода из жидкого состояния в метастабильное, неустойчивое стеклообразное состояние. При определённых температурных условиях кристаллизуется. Стекло не плавится при нагревании подобно кристаллическим телам, а размягчается, последовательно переходя из твёрдого состояния в пластическое, а затем в жидкое. По агрегатному состоянию стекло занимает промежуточное положение между жидким и кристаллическим веществами. Упругие свойства делают стекло сходным с твёрдыми кристаллическими телами, а отсутствие кристаллографической симметрии (и связанная с этим изотропность) приближает к жидким. Склонность к образованию стекла характерна для многих веществ (селен, сера, силикаты, бораты и др.).

Стеклом называют также отдельные группы изделий из стекла, например строительное стекло, тарное стекло, химико-лабораторное стекло и др. Изделия из стекла могут быть прозрачными или непрозрачными, бесцветными или окрашенными, люминесцировать под воздействием, например, ультрафиолетового и g-излучения, пропускать или поглощать ультрафиолетовые лучи и т.д. Наибольшее распространение получило неорганическое стекло, характеризующееся высокими механическими тепловыми, химическими и др. свойствами. Основная масса неорганического стекла выпускается для строительства (главным образом листовое) и для изготовления тары. Эти виды продукции получают преимущественно из стекла на основе двуокиси кремния (силикатное стекло); применение находят также и др. кислородные (оксидные) стекла, в состав которых входят окислы фосфора, алюминия, бора и т.д. К бескислородным неорганическим стеклам относятся стекла на основе халькогенидов мышьяка (As2S3), сурьмы (Sb2Se3) и т.д., галогенидов бериллия (BeFz) и т.д.По назначению различают: строительное стекло (оконное, узорчатое, стеклянные блоки и т.д.), тарное стекло, стекло техническое (кварцевое стекло, светотехническое стекло, стеклянное волокно и т.д.), сортовое стекло и т.д. Вырабатываются стекла, защищающие от ионизирующих излучений, стекла индикаторов проникающей радиации, фотохромные стекла с переменным светопропусканием, стекло, применяемое в качестве лазерных материалов, увиолевое стекло, пеностекло, растворимое стекло и др. Растворимое стекло, содержащее около 75% 3102, 24% Na2O и др. компоненты, образует с водой клейкую жидкость (жидкое стекло); используется как уплотняющее средство, например, для изготовления силикатных красок, конторского клея, в качестве диспергаторов и моющих средств, для пропитки тканей, бумаги и пр. Химический состав некоторых видов стекла приведён в таблице.

Физико-химические свойства стекла. Свойства стекла зависят от сочетания входящих в их состав компонентов. Наиболее характерное свойство стекла — прозрачность (светопрозрачность оконного стекла 83—90%, а оптического стекла — до 99,95%). Стекло типично хрупкое тело, весьма чувствительное к механическим воздействиям, особенно ударным, однако сопротивление сжатию у стекла такое же, как у чугуна. Для повышения прочности стекло подвергают упрочнению (закалка, ионный обмен, при котором на поверхности стекла происходит замена ионов, например натрия, на ионы лития или калия, химическая и термохимическая обработка и др.), что ослабляет действие поверхностных микротрещин (трещины Гриффитса), возникающих на поверхности стекла в результате воздействия окружающей среды (температура, влажность и пр.) и являющихся концентраторами напряжений, и позволяет повысить прочность стекла в 4—50 раз. Обычно для устранения влияния микротрещин применяют стравливание или сжатие поверхностного слоя. При стравливании дефектный слой растворяется плавиковой кислотой, а на обнажившийся бездефектный слой наносится защитная плёнка, например из полимеров. При закалке поверхностный слой сжимается, что препятствует раскрытию трещин. Плотность стекла 2200—8000 кг/м 3 , твёрдость по минералогической шкале 4,5—7,5, микротвёрдость 4—10 Гн/м 2 , модуль упругости 50—85 Гн/м 2 . Предел прочности стекла при сжатии равен 0,5—2 Гн/м 2 , при изгибе 30—90 Гн/м 2 , при ударном изгибе 1,5—2 Гн/м 2 . Теплоёмкость стекла 0,3—1 кДж/кг — К, термостойкость 80°— 1000 °С, температурный коэффициент расширения (0,56—12) 10 9 1/К. Коэффициент теплопроводности стекла мало зависит от его химического состава и равен 0,7—1,3 Вт/(м . К). Коэффициент преломления 1,4—2,2, электрическая проводимость 10 -8 —10 -18 Ом -1. см 1 , диэлектрическая проницаемость 3,8—16.

Технология стекла. Производство стекла состоит из следующих процессов: подготовки сырьевых компонентов, получения шихты, варки стекла, охлаждения стекломассы, формования изделий, их отжига и обработки (термической, химической, механической). К главным компонентам относят стеклообразующие вещества (природные, например SiO2, и искусственные, например Na2CO3), содержащие основные (щелочные и щёлочноземельные) и кислотные окислы. Главный компонент большинства промышленных стекол — кремнезём (кремния двуокись), содержание которого в стекле составляет от 40 до 80% (по массе), а в кварцевых и кварцоидных от 96 до 100%. В стекловарении обычно в качестве источника кремнезёма используют кварцевые стекольные пески, которые в случае необходимости обогащают. Сырьём, содержащим борный ангидрид, являются борная кислота, бура и др. Глинозём вводится с полевыми шпатами, нефелином и т.д.; щелочные окислы — с кальцинированной содой и поташом; щёлочноземельные окислы — с мелом, доломитом и т.п. Вспомогательные компоненты — соединения, придающие то или иное свойство, например окраску, ускоряющие процесс варки и т.д. Например, соединения марганца, кобальта, хрома, никеля используются как красители, церия, неодима, празеодима, мышьяка, сурьмы — как обесцвечиватели и окислители, фтора, фосфора, олова, циркония — как глушители (вещества, вызывающие интенсивное светорассеяние); в качестве осветлителей применяют хлорид натрия, сульфат и нитрат аммония и др. Все компоненты перед варкой просеиваются, сушатся, при необходимости измельчаются, смешиваются до полностью однородной порошкообразной шихты, которая подаётся в стекловаренную печь. Процесс стекловарения условно разделяют на несколько стадий: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизацию и охлаждение («студку»). При нагревании шихты вначале испаряется гигроскопическая и химически связанная вода. На стадии силикатообразования происходит термическое разложение компонентов, реакции в твёрдой и жидкой фазе с образованием силикатов, которые вначале представляют собой спекшийся конгломерат, включающий и не вступившие в реакцию компоненты. По мере повышения температуры отдельные силикаты плавятся и, растворяясь, друг в друге, образуют непрозрачный расплав, содержащий значительное количество газов и частицы компонентов шихты. Стадия силикатообразования завершается при 1100—1200 °С. На стадии стеклообразования растворяются остатки шихты, и удаляется пена — расплав становится прозрачным; стадия совмещается с конечным этапом силикатообразования и протекает при температуре 1150—1200 °С. Собственно стеклообразованием называют процесс растворения остаточных зёрен кварца в силикатном расплаве, в результате чего образуется относительно однородная стекломасса. В обычных силикатных стеклах содержится около 25% кремнезёма, химически не связанного в силикаты (только такое стекло оказывается пригодным по своей химической стойкости для практического использования). Стеклообразование протекает значительно медленнее, чем силикатообразование, оно составляет около 90% от времени, затраченного на провар шихты и около 30% от общей длительности стекловарения. Обычная стекольная шихта содержит около 18% химически связанных газов (СО2, SO2, O2 и др.). В процессе провара шихты эти газы в основном удаляются, однако часть их остаётся в стекломассе, образуя крупные и мелкие пузыри. На стадии осветления при длительной выдержке при температуре 1500—1600 °С уменьшается степень перенасыщения стекломассы газами, в результате чего пузырьки больших размеров поднимаются на поверхность стекломассы, а малые растворяются в ней. Для ускорения осветления в шихту вводят осветлители, снижающие поверхностное натяжение стекломассы; стекломасса перемешивается специальными огнеупорными мешалками или через неё пропускают сжатый воздух или др. газ. Одновременно с осветлением идёт гомогенизация — усреднение стекломассы по составу. Неоднородность стекломассы обычно образуется в результате плохого перемешивания компонентов шихты, высокой вязкости расплава, замедленности диффузионных процессов. Гомогенизации способствуют выделяющиеся из стекломассы газовые пузыри, которые перемешивают неоднородные микроучастки и облегчают взаимную диффузию, выравнивая концентрацию расплава. Наиболее интенсивно гомогенизация осуществляется при механическом перемешивании (наибольшее распространение эта операция получила в производстве оптического стекла). Последняя стадия стекловарения — охлаждение стекломассы («студка») до вязкости, необходимой для формования, что соответствует температуре 700—1000 °С. Главное требование при «студке» — непрерывное медленное снижение температуры без изменения состава и давления газовой среды; при нарушении установившегося равновесия газов образуется т. н. вторичная мошка (мелкие пузыри). Процесс получения некоторых стекол отличается специфическими особенностями. Например, плавка оптического кварцевого стекла в электрических стекловаренных печах ведётся сначала в вакууме, а в конце плавки — в атмосфере инертных газов под давлением. Производство каждого типа стекла определяется технологической нормалью. Формование изделий из стекломассы осуществляется механическим способом (прокаткой, прессованием, прессовыдуванием, выдуванием и т.д.) на стеклоформующих машинах. После формования изделия подвергают термической обработке (отжигу). В результате отжига (выдержки изделий при температуре, близкой к температуре размягчения стекла) и последующего медленного охлаждения происходит релаксация напряжений, появляющихся в стекле при быстром охлаждении. В результате т. н. закалки в стекле возникают остаточные напряжения, обеспечивающие его повышенную механическую прочность, термостойкость и специфический (безопасный) характер разрушения в сравнении с обычным стеклом (закалённые стекла применяют для остекления автомобилей, вагонов и т.п. целей).

Виды стекла.

Строительное стекло, изделия из стекла, применяемые для остекления световых проёмов, устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок, облицовки и отделки стен, лестниц и др. частей зданий. К строительному стеклу относят также тепло- и звукоизоляционные материалы (пеностекло и стекловата) и стеклянные трубы. Строительное стекло подразделяют на листовое оконное стекло, полированное, витринное, армированное, узорчатое, цветное, профилированное, стеклоблоки, стеклопакеты, марблит, коврово-мозаичное, увиолевое стекло, стемалит и некоторые др. виды.

Оконное строительное стекло вырабатывается в виде плоских листов размером от 400 Х 400 до 1600 Х 2200 мм и толщиной от 2 до 6 мм, плотность 2470—2500 кг/м 2 средняя прочность при симметричном изгибе 40Мн/м 2 (400 кгс/см 2 ), светопропускание 84—87%.

Полированное строительное стекло обладает минимальными оптическими искажениями, применяется для остекления витрин и оконных проёмов в общественных зданиях, для зеркал и т.д. Из полированного закалённого стекла толщиной 10—20 мм изготовляют стеклянные полотна для дверей размером от 2200 Х 700 до 2600 Х 1040 мм.

Узорчатое строительное стекло имеет с одной стороны рифлёную поверхность, предназначается для рассеяния света. Размеры его от 400 Х 400 до 1200 Х 1800 мм при толщине 3—6,5 мм. Узорчатое строительное стекло с матовым или «морозным» рисунком используют для остекления лестничных клеток, внутренних перегородок.

Цветное строительное стекло может быть окрашенным по всей толщине или состоять из 2 слоев — основного бесцветного и тонкого цветного: применяют для витражей, декорирования мебели, остекления зданий.

Профилированное строительное стекло — стекло с профилем швеллерного или коробчатого типа (стекор). Применяется как стеновой материал (гаражи, киоски, автобусные остановки и т.д.), толщина 6 мм, светопропускание 0,6—0,75%.

Марблит — прокатанное глушенное цветное строительное стекло для облицовки стен внутренних помещений промышленных и общественных зданий.

Стеклянные трубы применяются в качестве трубопроводов на заводах химической и пищевой промышленности и в сельском хозяйстве; характеризуются повышенной коррозионной стойкостью в сравнении с металлическими. Потери на трение при протекании жидкости в стеклянных трубах на 22% ниже, чем у новых чугунных, и на 6,5% ниже, чем у новых стальных. Стеклянные трубы выпускаются с внутренним диаметром от 38 до 200 мм.

Стекло оптическое— прозрачное стекло любого химического состава, обладающее высокой степенью однородности. Содержат 46,4% РЬО, 47,0% Si0 и другие оксиды; кроны — 72% SiO щелочные и другие оксиды.

Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др.

Стекло строительное— изделия из стекла, применяемые в строительстве. Строительное стекло служит для стекления световых проёмов, устройства прозрач­ных и полупрозрачных перегородок, облицовки и отделки стен, лестниц и других частей зданий. К строительным стеклам, относят также тепло- и звукоизоляционные материалы из стекла (пеностекло и стеклянная вата), стеклянные трубы для скрытой электропро­водки, водопровода, канализации и других целей, архитектурные детали, элементы стекложелезобетонных перекрытий и т. д. Большая часть ассор­тимента строительного стекала служит для остекления световых проё­мов: листовое оконное стекло, зеркальное, рифлё­ное, армированное, узорчатое, двухслойное, пусто­телые блоки и др. Тот же ассортимент стекла может быть использован и для устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок.

Листовое оконное стекло, наиболее широко применяемое в строительстве, вырабаты­вается из расплавленной стекломассы, главным образом вер­тикальным или горизонтальным непрерывным вытя­гиванием ленты, от которой по мере её охлаждения и затвердевания отрезаются от одного конца листы требуемых размеров. Существен­ным недостатком листового оконного стекла являет­ся наличие некоторой волнистости, искажающей пред­меты, просматриваемые через него (в особенности под острым углом).

Зеркальное стекло обрабатывается шлифованием и полировкой с обеих сторон, благо­даря чему оно обладает минимальными оптическим искажениями. Современный наиболее распростра­нённый способ производства зеркального стекла состоит в горизонтальной непрерывной прокатке стекломассы между двумя валами, отжиге отформо­ванной ленты в туннельной печи, шлифовке и поли­ровке на механизированных и автоматизированных конвейерных установках. Зеркальное стекло изго­товляется толщиной от 4 мм и выше (в особых слу­чаях — до 40 мм), для варки его применяют высоко­качественные материалы, поэтому оно обладает и более высоким светопропусканием, чем обычное оконное стекло; применяется главным образом для остекления окон и дверей в общественных зданиях, витрин и для изготовле­ния зеркал; механические свойства мало отличаются от механических свойств оконного стекла.

Прокатное узорчатое стекло имеет узорчатую поверхность, получаемую путём про­катки между двумя валками, один из которых рифлё­ный; вырабатывается как бесцветное, так и цветное; применяется в тех случаях, когда требуется полу­чить рассеянный свет.

Узорчатое стекло с матовыми или «морозным» рисунком применяется для внутренних перегородок, дверных филёнок и осте­кления лестничных клеток; изготовляется путём обработки поверхности оконного или зеркального стекла. Матовый рисунок получается обработкой поверхности струей песка под шаблон. Рисунок, напоминающий морозный узор на стекле, получают нанесением на поверхность слоя животного клея, который в процессе сушки отрывается вместе с верх­ними слоями стекла.

Армированное стекло содержит в тол­ще своей проволочную сетку; оно более прочно, чем обычное; при разбивании ударами или растрескивании во время пожара осколки его рассыпаются, будучи связанными арматурой; поэтому армирован­ное стекло применяют для остекления фонарей промышленных и общественных зданий, кабин подъёмников, лестничных клеток, проёмов противопожарных стен. Вырабатывается методом непре­рывного проката между валками с закаткой про­волочной сетки, сматываемой с отдельного бара­бана. Волнистое армированное стекло, по форме напоминающее волнистые асбестоцементные листы, применяется для устройства перегородок, фонарей, перекрытия стеклянных галерей и пассажей.

Сдвоенные (пакетные) стекла с воз­душной или светорассеивающей прослойкой (например, из стеклянного волокна) обладают хорошими теп­лоизоляционными свойствами; изготовляются путём склейки 2 оконных стекол с прокладной рамкой. Тол­щина сдвоенных стекол с воздушной прослойкой 12—15 мм.

Пустотелые стеклянные блоки изготовляются путём прессования и последующей сварки двух стеклянных полукоробок; применяются для заполнения световых проёмов, главным образом в промышленных зданиях; обеспечивают хорошую осве­щённость рабочих мест и обладают высокими тепло­изоляционными свойствами. Укладка блоков в проёмы производится на строительном растворе в виде панелей, перевязанных металлическими переплё­тами.

Облицовочное стекло (марблит) пред­ставляет собой непрозрачное цветное листовое стекло. Изготовляется путём периодической прокатки стекломассы на литейном столе с последующим от­жигом в туннельных печах. Применяется для от­делки фасадов и интерьеров жилых и общественных зданий. К облицовочному стеклу относится также цветное металлизированное стекло.

Стекло кварцевое— содержит не менее 99% SiO- (кварца). Кварцевое стекло выплав­ляют при температуре более 1700° С из самых чистых разновидностей кристал­лического кварца, горного хрусталя, жильного кварца или чистых кварцевых песков. Кварцевое стекло пропускает ультрафиолето­вые лучи, имеет очень высокую темпера­туру плавления, благодаря небольшому коэффициенту расширения выдерживает резкое изменение температур, стойкое по отношению к воде и кислотам. Кварцевое стекло применяют для изготовления лаборатор­ной посуды, тиглей, оптических прибо­ров, изоляционных материалов, ртутных ламп («горное солнце»), применяемых в медицине и др.

Стекло органическое (плекси­глас) — прозрачная бесцветная пласти­ческая масса, образующаяся при полиме­ризации метилового эфира метакриловой кислоты. Лег­ко поддается механической обработке. Применяется как листовое стекло в авиа- и машиностроении, для изготовления бытовых изделий, средств защиты в ла­бораториях и др.

Стекло рсстворимое— смесь си­ликатов натрия и калия (или только натрия), водные растворы которых назы­ваются жидким стеклом. Растворимое стекло применяют для изготовления кислотоупорных цемен­тов и бетонов, для пропитки тканей, изго­товления огнезащитных красок, силикагеля, для укрепления слабых грунтов, канцелярского клея и др.

Стекло химико-лабораторное— стекло, обладающее высокой хи­мической и термической стойкостью. Для повышения этих свойств в состав стекла вводят оксиды цинка и бора.

Стекловолокно— искусственное волокно строго цилиндрической формы с гладкой поверхностью, получаемое вы­тягиванием или расчленением расплав­ленного стекла. Широко применяется в химической промышленности для фильтрации горячих кислых и щелочных растворов, очистки горячего воздуха и газов, изготовления сальниковых наби­вок в кислотных насосах, армирования стеклопластиков и др.

Оптическое стекло.

Стекло для оптических приборов изготовлялось уже в 18 веке, однако возникновения собственно производства оптического стекла относится к началу 19 века, когда швейцарским учёным П. Гинаном был изобретён способ механического размешивания стекломас­сы во время варки и охлаждения — круговым движе­нием глиняного стержня, вертикально погруженного в стекло. Этот приём, сохранившийся до настоящего времени, позволил получить стекло высокой степени однородности. Производство оптического стекла получило дальней­шее развитие благодаря совместным работам немецких учёных Э. Аббе и Ф. О. Шотта, в результате которых в 1886 возник известный стекольный завод товарище­ства Шотт в Иене (Германия), впервые выпустивший огромное многообразие современных оптических стекол. До 1914 производство оптического стекла существовало только в Англии, Франции и Германии. В России начало производства оптического стекла относится к 1916. Оно достигло большого развития только после Великой Октябрь­ской социалистической революции благодаря рабо­там советских учёных Д. С. Рождественского, И. В. Гребенщикова, Г. Ю. Жуковского, Н. Н. Качалова и др.

Основное требование, предъявляемое к оптическому стеклу— это высокая степень однородности. Отсутствие одно­родности вызывает отклонение лучей света от их правильного пути, что делает стекло негодным для его прямого назначения. Однородность оптического стекла нару­шается причинами химического и физического порядка. Хими­ческая неоднородность обусловлена местными из­менениями химического состава и устраняется размешиванием оптического стекла в процессе варки. Физическая неодно­родность вызывается напряжениями, возникающими в процессе охлаждения оптического стекла, и устраняется тщатель­ным отжигом. Оптическое стекло должно иметь определённые оптические свойства— точные величины показателей преломления для лучей различных длин волн. Боль­шой ассортимент оптического стекла с различными показателями преломления и средней дисперсией имеет огромное значение при расчёте и конструировании оптических систем для снижения их дефектов, в частности для уничтожения вредного влияния вторичного спектра и исправления качества изображения.

Оптические свойства стекла зависят от его химического состава. Разнообразным сочетанием окислов удаётся получить стекло с требуемыми значениями оптических постоянных. Некоторые сорта оптического стекла, например, не содер­жат кремнезёма (основного составляющего любого стекла), другие содержат обычно применяемые окислители, но в чрезвычайно больших количествах. Прозрачность оптического стекла должна быть высокой, порядка 90—97% на 100 мм пути луча в стекле. Оптическое стекло должно быть химически устойчивым по отношению к действию влажной ат­мосферы и к действию слабых кислот, характери­зующему «пятнимость» их, т. е. чувствительность к прикосновению рук.

Для производства оптического стекла применяются такие же сырьевые материалы, как и для других типов стекол. Однако требования к чистоте сырья весьма высоки. Особенно вредными примесями являются соединения железа и хрома, окрашивающие стекло и увеличивающие его светопоглощепие. Варка оптического стекла производится в одно-, двухгоршковых печах. Важ­нейшая операция в производстве оптического стекла— размешивание стекла в процессе варки и, особенно в процессе охлаждения. Для разделки оптического стекла применяются три способа:

1) охлаждение стекла вместе с горшком с последующей разбивкой на куски и формовкой этих кусков в нагретом состоянии;

2) отливка стекло­массы в железную форму;

3) прокатка в лист отлитой на стол стекломассы.

Оптические стекла выпускаются стекло­варенными заводами в виде прямоугольных кусков различных размеров «плитки» и в виде заготовок — «прессовки» (линзы, призмы).

К оптическим стеклам можно отнести также и специально окра­шенные цветные стекла, применяемые для изготов­ления точных светофильтров, которые в виде плоско-параллельных пластин часто применяются в оптических приборах и служат для изменения спек­трального состава проходящего через них света. Эти цветные стекла изготовляются на заводах оптического стекла теми же приёмами, что и оптическое стекло.

Общеобразовательная школа №1248.Реферат по химии на тему:Стекло Работа выполнена

Все о стекле с точки зрения химии

История стекла уходит в глубокую древность. Известно, что в Египте и Месопотамии его умели делать уже 6000 лет назад. Вероятно, стекло начали изготавливать все же позже, чем первые керамические изделия, так как для его производства требовались более высокие температуры, чем для обжига глины. Если для простейших керамических изделий было достаточно только глины, то в состав стекла необходимо минимум три компонента.

Изделия из стекла так же, как и из керамики, практически не подвергаются атмосферным воздействиям и хорошо сохраняются даже под слоем земли. Эти изделия оказались важнейшими документами далекого прошлого. Они донесли до нас бесценную информацию об уровне культуры и техники древних народов. Благодаря стеклу до нашего времени дошли величайшие художественные произведения различных эпох культуры человечества.

Первый стекольный завод в России был построен в 1636 г. близ г. Воскресенска под Москвой. На нем выдували оконное стекло и стеклянную посуду. Через 30 лет в селе Измайлово, также под Москвой, был построен завод, на котором изготовляли высококачественные стаканы, графины, фляги, рюмки, кувшины и др. Особенно быстро стеклоделие развилось при Петре I. В XVIII в. около Москвы действовало шесть стекольных заводов.

Главный потребитель стекла в настоящее время – строительная индустрия. Больше половины всего вырабатываемого стекла приходится на оконное для остекления зданий и транспортных средств: автомашин, железнодорожных вагонов, трамваев, троллейбусов. Кроме того, стекло используют в качестве стенового и отделочного материала в виде пустотелых кирпичей, блоков из пеностекла, а также облицовочных плиток. Примерно треть производимого стекла идет на изготовление сосудов различного типа и назначения. Это прежде всего стеклянная тара – бутылки и банки. В большом количестве стекло расходуется на изготовление столовой посуды. Стекло пока незаменимо для производства химической посуды. В довольно большом количестве из стекла изготавливают вату, волокно и ткани для тепловой и электрической изоляции.

Относительная дешевизна стеклянных строительных материалов обусловливается широким распространением, а следовательно, доступностью и дешевизной сырья. Расплавленное стекло является удобным материалом для формования в изделия механизированным способом. Стекло хорошо поддается механической обработке. Это также снижает стоимость стеклянных изделий. Стекло пилят так же, как дерево, но для этого в кромку дисковой пилы зачеканивают алмазный или иной твердый порошок. Его можно сверлить обыкновенными стальными сверлами, применяя специальную смачивающую жидкость. Стекло колют на куски при помощи простого инструмента, напоминающего колун для дров, но действующим не ударом, а постепенно нарастающим усилием. Стекло можно обрабатывать на токарном станке резцами из особо твердой стали, вытачивая фигурные колонки так же, как из дерева или металла. Стекло шлифуют и полируют, применяя обычные абразивные порошки, инструменты и методы, давно известные и широко используемые в металлообрабатывающем производстве. Стекло можно сварить из одного кварцевого песка, химическая формула которого SiO2. Однако для этого нужна очень высокая температура (выше 1700°C). Получение таких температур в печах промышленного типа связано с большими трудностями. Обычные печи, в которых используются твердое, жидкое или газообразное топливо, для этого не годятся. Для плавления кварцевого песка применяют электрические печи специального устройства или горелки, в которых сжигается водород в токе кислорода. Расплавленный кварцевый песок представляет собой столь густую и вязкую массу, что из нее трудно удалить воздушные пузырьки и придать изделиям нужную форму.

В стекловарении используют только самые чистые разновидности кварцевого песка, в которых общее количество загрязнений не превышает 2. 3%. Особенно нежелательно присутствие железа, которое даже в ничтожных количествах (десятые доли %) окрашивает стекло в зеленоватый цвет. Если к песку добавить соду Na2CO3, то удается сварить стекло при более низкой температуре (на 200. 300°). Такой расплав будет иметь менее вязкий (пузырьки легче удаляются при варке, а изделия легче формуются). Но! Такое стекло растворимо в воде, а изделия из него подвергаются разрушению под влиянием атмосферных воздействий. Для придания стеклу нерастворимости в воде в него вводят третий компонент – известь, известняк, мел. Все они характеризуются одной и той же химической формулой – CaCO3.

Стекло, исходными компонентами шихты которого является кварцевый песок, сода и известь, называют натрий-кальциевым. Оно составляет около 90% получаемого в мире стекла. При варке карбонат натрия и карбонат кальция разлагаются в соответствии с уравнениями:

В результате в состав стекла входят оксиды SiO2, Na2O и CaО. Они образуют сложные соединения – силикаты, которые являются натриевыми и кальциевыми солями кремниевой кислоты.

В стекло вместо Na2O с успехом можно вводить K2О, а CaО может быть заменен MgO, PbO, ZnO, BaO. Часть кремнезема можно заменить на оксид бора или оксид фосфора (введением соединений борной или фосфорной кислот). В каждом стекле содержится немного глинозема Al2O3, попадающего из стенок стекловаренного сосуда. Иногда его добавляют специально. Каждый из перечисленных оксидов обеспечивает стеклу специфические свойства. Поэтому, варьируя этими оксидами и их количеством, получают стекла с заданными свойствами. Например, оксид борной кислоты B2O3 приводит к понижению коэффициента теплового расширения стекла, а значит, делает его более устойчивым к резким температурным изменениям. Свинец сильно увеличивает показатель преломления стекла. Оксиды щелочных металлов увеличивают растворимость стекла в воде, поэтому для химической посуды используют стекло с малым их содержанием. В табл. 1 приведен состав (в %) некоторых типичных промышленных стекол.

–

Стекло SiO2 B2O3 Al2O3 Na2O K2О CaО MgO Pb3O4 ВаО ZnO
Оконное 72 – 2 14 – 9 3 – –
Бутылочное 70 – 3 17 – 8 2 – – –
Хрустальное 56 – – – 11 – – 33 – –
Лабораторное 85 9 2 4 – – – – – –
Оптическое 34 13 3 – – – – – 46 4

Сода – сырье относительно дорогое и имеющее огромный спрос со стороны различных отраслей народного хозяйства. Поэтому в качестве источника Na2O при варке стекла используют также природный минерал Na2SO4. В СССР его огромные залежи имеются на месте бывшего залива Кара-Богаз-Гол (рядом с Каспийским морем). Однако в этом случае варка стекла требует более высоких температур. Кроме того, в шихту необходимо вводить уголь для восстановления серы в соответствии с уравнением

При варке стекла первым плавится оксид щелочного металла, после чего в этом расплаве начинают растворяться зерна кварца и известняка, вступая в химическое взаимодействие. Поэтому чем больше в стекле оксидов щелочных металлов, тем при меньших температурах оно плавится. В Древнем Египте, когда техника получения высоких температур была несовершенна, в стеклоделии преобладали рецепты с повышенным содержанием оксидов щелочных металлов (до 30%) и малым содержанием извести (около 3. 5%). В эллинистическую эпоху, с усовершенствованием техники получения высоких температур, содержание оксидов щелочных металлов снижается до 16. 17%, а извести повышается до 10%. Естественно, что такие стекла стали более стойкими к воде. В настоящее время варка стекла проводится при температуре 1400. 1500°C в течение нескольких часов. Процесс варки стеклоделы делят на три стадии: провар шихты, осветление (удаление «мошки» и «свилей»), студка – осторожное охлаждение.

Мошкой стеклоделы называют мелкие пузырьки газа, распределенные по всей массе стекла. Ее удаление из жидкой массы производят «бурлением» при помощи деревянной чурки или обыкновенного сырого картофеля. Помещенные в жидкое стекло, они дают обильное выделение газов, которые и очищают от мошки всю массу. Ее наличие в изделиях считается браком. Мошка особенно недопустима в оптических стеклах.

Стекольным свилем называют нитеобразные потоки, подобные тем, которые можно наблюдать в процессе растворения сахара в воде при медленном перемешивании. Свиль – это видимая граница двух соседних участков стекольной массы. Наличие свилей свидетельствует о плохой перемешанности стекольной массы при варке, т.е. о его низком качестве.

Охлаждение стекла, а точнее изделия из него проводят медленно, чтобы избежать в нем напряжений. При быстром охлаждении стекла поверхностные слои тела затвердевают и могут иметь температуру, близкую к комнатной, а внутренние части, вследствие низкой теплопроводности, могут иметь температуру до 1000°C. Поскольку внутренние части при охлаждении сжимаются, а наружные уже не уменьшаются в размере, в них возникают высокие поверхностные сжимающие напряжения. Внутренние слои, наоборот, испытывают высокие растягивающие напряжения. Такое стеклянное тело называют «закаленным». Закаленное стекло обладает высокой механической прочностью. Однако у него есть и недостатки. При нарушении поверхностного слоя (например, нанесение царапины), т.е. при нарушении сжимающих и растягивающих сил, закаленное стекло разлетается вдребезги.

При медленном охлаждении стеклянного тела растягивающие и сжимающие напряжения не возникают. Такое стекло называют «отожженным». Мелкие изделия, например столовая посуда, отжигаются (охлаждаются) в течение нескольких часов. Крупные и прецизионные изделия, например линзы астрономических объективов диаметра 1 м и более, отжигаются в течение нескольких месяцев.

Окраску стекла осуществляют введением в него оксидов некоторых металлов или образованием коллоидных частиц определенных элементов. Так, золото и медь при коллоидном распределении окрашивают стекло в красный цвет. Такие стекла называют золотым и медным рубином соответственно. Серебро в коллоидном состоянии окрашивает стекло в желтый цвет. Хорошим красителем является селен. В коллоидном состоянии он окрашивает стекло в розовый цвет, а в виде соединения CdS·3CdSe – в красный. Такое стекло называют селеновым рубином. При окраске оксидами металлов цвет стекла зависит от его состава и от количества оксида-красителя. Например, оксид кобальта (II) в малых количествах дает голубое стекло, а в больших – фиолетово-синее с красноватым оттенком. Оксид меди (II) в натрий-кальциевом стекле дает голубой цвет, а в калиево-цинковом – зеленый. Оксид марганца (П) в натрий-кальциевом стекле дает красно-фиолетовую окраску, а в калиево-цинковом – сине-фиолетовую. Оксид свинца (II) усиливает цвет стекла и придает цвету яркие оттенки.

Бутылочное стекло низкого сорта, как правило, имеет окраску, которая зависит от присутствия в нем ионов Fe 2+ и Fe 3+ . Стекольное сырье трудно очищается от железа и поэтому в дешевых сортах оно всегда присутствует. Ионы Fe 2+ хорошо поглощают лучи света с длиной волны примерно 600 ммк (желтые и красные) и, следовательно, окрашивают стекло в дополнительный голубой цвет. Ионы Fe 3+ поглощают лучи с длиной волны 500 ммк (синие и фиолетовые), окрашивая стекло в желтоватый цвет. Важно отметить, что ионы Fe 2+ в области видимого света имеют удельное поглощение, примерно в 10 раз большее, чем ионы Fe 3+ . Поскольку в стекле одновременно содержатся как ионы Fe 2+ , так и ионы Fe 3+ , они и придают стеклу зеленоватую окраску (бутылочный цвет).

Существуют химические и физические способы обесцвечивания стекла. В химическом способе стремятся все содержащееся железо перевести в Fe 3+ . Для этого в шихту вводят окислители – нитраты щелочных металлов, диоксид церия СеO2, а также оксид мышьяка (III) As2O3 и оксид сурьмы (III) Sb2O3. Химически обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счет ионов Fe 3+ ) в желтовато-зеленоватый цвет, но обладает хорошим светопропусканием. При физическом обесцвечивании в состав стекла вводят «красители», т.е. ионы, которые окрашивают его в дополнительные тона к окраске, создаваемой ионами железа, – это оксиды никеля, кобальта, редкоземельных элементов, а также селен. Диоксид марганца MnO2 обладает свойствами как химического, так и физического обесцвечивания. В результате двойного поглощения света стекло становится бесцветным, но его светопропускание понижается. Таким образом, следует различать светопрозрачные и обесцвеченные стекла, поскольку эти понятия различны.

Следует также отметить, что окрашенное стекло иногда предохраняет содержимое бутылок от нежелательного фотохимического воздействия. Поэтому окраску бутылочного стекла иногда специально усиливают.

Одним из важнейших свойств стекла является прозрачность. Однако в ряде случаев стеклу специально придают непрозрачность путем его «глушения». Это процесс, в результате которого стекло становится непрозрачным. Вещества, способствующие помутнению стекла, называют глушителями. Глушение происходит вследствие распределения по всей массе стекла мельчайших кристаллических частиц. Они представляют нерастворившиеся частицы глушителя или частицы, выделившиеся из жидкой массы при охлаждении стекла. Эти частицы обычно прозрачны, но их показатель преломления отличается от показателя преломления стекла. Поэтому падающий на них луч отклоняется от прямолинейного направления и стекло перестает быть прозрачным. В далеком прошлом в качестве глушителей стекла использовали костяную муку, содержащую фосфат кальция Ca3(PO4)2, а также оксиды олова SnO, мышьяка As2O3 и сурьмы Sb2O3. В настоящее время для этой цели применяют криолит Na3[AlF6], плавиковый шпат CaF2 и другие фторидные соединения.

Сильно заглушенное стекло (белого цвета) называют молочным. Для его изготовления чаще всего используют криолит. Молочное стекло используют главным образом для изготовления осветительной арматуры.

Несмотря на то что возраст стеклоделия оценивается в 6 тыс. лет, прозрачное и бесцветное стекло люди научились варить лишь на пороге новой эры. До этого производилось непрозрачное окрашенное в различные тона стекло и из него изготавливались главным образом мелкие изделия: бусы, браслеты, пуговицы, кольца, печатки, шахматные фигуры и др. Стеклодувы античной эпохи начали широко применять холодную обработку стекла: рельефную резьбу, гравировку, шлифовку. Как только было получено прозрачное стекло, стеклоделы стали стремиться изготовить из него оконные пластины. Ученые предполагают, что оконное стекло вначале было цветным. Это объясняется тем, что бесцветное стекло получить было весьма непросто, так как сырье обычно содержит различные примеси, которые придают стеклу окраску. Особенно часто в сырье присутствуют соединения железа. Получение пластин для остекления окон оказалось весьма непростым делом. Изготовление полых изделий довольно сложной формы путем выдувания для человека было более простой задачей, чем получение листового стекла. Эта задача была решена лишь к концу средневековья. При раскопках Помпеи, погребенной под пеплом вулкана Везувия в 79 г. н.э., было установлено, что в очень редких случаях в окна были вставлены пластины стекла, которые были довольно толстыми. По-видимому, тонкое листовое стекло итальянские стеклоделы еще не научились делать.

Считают, что метод выдувания, так же как и способ варки прозрачного стекла, был открыт в период смены летоисчисления. Поводов для его открытия было предостаточно. Для получения высоких температур в металлургии был уже известен способ дутья. При варке стекла, требующей также высоких температур, дутье, в частности, проводилось при помощи легких человека. Для этого использовались длинные и полые тростниковые трубки, конец которых обмазывался глиной. Последнее было необходимо для того, чтобы трубка не загоралась. Таким образом, для открытия метода выдувания стеклянных изделий были созданы все предпосылки. Нужен был только случай, когда конец трубки прикоснется к жидкой стекольной массе. Если это произошло, то, продолжая дуть в трубку, человек должен получить что-то похожее на пузырь. Следующим шагом было помещение выдуваемого «пузыря» в деревянную форму, и полое стеклянное изделие почти готово. Как здесь не вспомнить хорошо известное изречение, что «все гениальное просто».

Вероятно, метод выдувания изделий из стекла был изобретен в различных местах, где культивировалось стеклоделие, примерно в одно и то же время. Однако принято считать, что способ выдувания был изобретен в Александрии в I в. до н.э. На первый взгляд, удивительно, что люди научились делать стеклянные изделия сложной полой конфигурации, но не умели делать листовое стекло. Однако для этого были свои весьма основательные технические затруднения.

Печь варки стекла

Оконное стекло

Впервые оконное стекло, хотя и весьма несовершенное, появилось на рубеже старой и новой эры летоисчисления у римлян. Однако после падения Римской империи секреты его производства были утеряны и в начальный период средневековья в Европе оконного стекла не знали. Естественно возникает вопрос, а что же было в окнах? Часто окна закрывались сплошными деревянными ставнями. В теплые дни они открывались, впуская дневной свет внутрь помещения. В иное время окна закрывались и помещение освещали свечами. В России свечи, которые были дороги, часто заменялись горящей лучиной.

В некоторых дворцах, парадных зданиях и культовых сооружениях в Европе в мелкие ячейки в оконных проемах вставляли пластинки слюды, которые ценились очень дорого. В домах простых людей для этой цели использовались бычий пузырь и промасленная бумага или ткань. В середине XVI в. даже во дворцах французских королей окна закрывались промасленным полотном или бумагой. Лишь в середине XVII в. при Людовике XIV в окнах его дворца появилось стекло в виде маленьких квадратиков, вставленных в свинцовый переплет. Листовое стекло большой площади долго не умели получать. Поэтому даже в XVIII в. застекленные окна имели мелкий переплет. Обратите внимание на реставрированные здания петровской эпохи, например на Меньшиковский дворец в Санкт-Петербурге. Однако вернемся к истокам производства оконного стекла.

Как уже было сказано, римляне научились изготовлять оконное стекло в конце старой эры. Они делали это путем отливки и раскатывания жидкого стекла в форму в виде противня, который изготавливался из глины. Отливки извлекались из формы еще в горячем виде, пока стекло сохраняло пластичность. Таким способом получали оконное стекло толщиной около 10 мм и площадью до 0,5 м 2 . Поскольку прилегающая к форме сторона листа оказывалась шероховатой, то стекло не было прозрачным.

Такое стекло находили при раскопках в западноевропейских колониях Рима, а также на Востоке вплоть до Черноморского побережья. Как уже было отмечено, после распада Римской империи это ремесло пришло в упадок и способ производства был забыт и никогда не возобновлялся. Новый способ производства оконного стекла был разработан несколько столетий спустя, т.е. в средние века. Этот способ принципиально отличался от древнеримского, так как получался не отливкой, а выдуванием. Вначале выдували шар, который раскатыванием на плитке и размахиванием в воздухе превращался в подобие большой ампулы. После отрезания верхней и нижней части получался цилиндр. Последний разрезался вдоль твердым минералом и на раскаленной глиняной плите разглаживался в лист деревянной гладилкой. Стекло получалось довольно тонким, хотя и небольшого размера. Сторона, прилегавшая к плите при разглаживании, также получалась шероховатой, а значит, стекло опять же было непрозрачным.

На территории древнеславянского государства археологи многократно находили фрагменты стеклянных кругов диаметром 200. 250 мм с хорошо заделанными кромками. Ученые сходятся во мнении, что эти стеклянные круги служили для остекления окон крупных общественных зданий, например храма Киевской Софии и других церквей домонгольской Руси. Считают, что способ их производства сводился к следующему. В форме выдувался сосуд, похожий на конусообразный графин. Дно этого «графина» обрезалось и кромка завертывалась.

В конце средневекового периода в Европе начали широко применять «лунный» способ изготовления листового стекла. В его основу также был положен метод выдувания. При этом способе вначале выдувался шар, затем он сплющивался, к его дну припаивалась ось, а около выдувательной трубки заготовка обрезалась. В результате получалось подобие вазы с припаянной ножкой-осью. Раскаленная «ваза» вращалась с большой скоростью вокруг оси и под действием центробежной силы превращалась в плоский диск. Толщина такого диска была 2. 3 мм, а диаметр доходил до 1,5 м. Далее диск отделялся от оси и отжигался. Такое стекло было гладким и прозрачным. Характерная его особенность – наличие в центре диска утолщения, которое специалисты называют «пупком». Лунный способ производства сделал листовое стекло доступным для населения. Однако на смену ему уже в начале XVIII в. пришел другой более совершенный «халявный» способ, который использовался во всем мире почти в течение двух столетий. По существу, это было усовершенствование средневекового способа выдувания, в результате которого получался цилиндр. «Халявой» называли формируемую массу стекла на конце выдувной трубки. Она доходила до 15. 20 кг и из нее в итоге получались листы стекла площадью до 2. 2,5 м 2 .

Этот способ позволил получать оконное стекло хорошего качества и относительно недорогое для широких слоев населения. Таким образом, проблема светлого и теплого жилища была разрешена лишь в XVIII в. Это было достигнуто трудом многих поколений стеклоделов в течение двух тысячелетий.

Однако «халявный» способ трудно поддавался механизации, а потребности в оконном стекле росли быстрыми темпами. Поэтому поиски новых способов продолжались и в результате в начале XX в. был внедрен в промышленность механизированный процесс. В основе его лежало наблюдение американца Кларка, сделанное в первой половине XIX в. Оно состояло в том, что если на поверхность жидкого стекла положить железный стержень («приманку»), а затем поднимать его, то стеклянная масса приварится (приклеится) к стержню и потянется за ним в виде полотна. При остывании на воздухе получается стеклянный лист. Однако он получался не с параллельными кромками, а в виде клиновидного полотнища. Следующим шагом на пути разработки механизированного способа было изобретение бельгийца Фурко. Он предложил положить на поверхность расплавленной массы керамический брус («лодочку») с продольной щелью. Керамика легче расплавленной стеклянной массы и потому лодочка плавает на поверхности. Если нажать на лодочку, то расплавленная масса выдавливается из щели. На нее опускают «приманку» и тянут вверх. Если скорость подъема приманки будет равна скорости выдавливания стекломассы, то получится правильное полотнище с параллельными кромками. Дальнейшее завершение решения проблемы носит чисто технический и конструкторский характер – устанавливаются подъемные валики, холодильник и другие приспособления. Толщина листа зависит от скорости подъема и скорости охлаждения листа.

В настоящее время оконное стекло производят по данному способу. Имеется и несколько другой вариант технологического оформления процесса производства листового стекла, который используют в США. В нем вместо лодочки с каждого борта полотна располагается пара роликов, между которыми и проходит полотно. Ролики препятствуют сужению полотна и потому отпадает необходимость в лодочке.

В современном строительстве для остекления общественных зданий, гостиниц и витрин магазинов, а также для авто- и вагоностроения, широко используют стекло толщиной 6. 8 мм и даже до нескольких сантиметров. Такое стекло называют зеркальным. Оно изготавливается методом проката с последующей шлифовкой и полировкой. Когда говорят о здании, построенном из стекла и бетона, то имеют в виду именно такое зеркальное стекло.

Из сказанного видно, какими усилиями далось человеку прозрачное стекло. Однако в некоторых деталях промышленного и бытового интерьера необходимо, чтобы стекло, наоборот, было непрозрачным, но пропускало свет. Стекло для таких целей подвергают пескоструйной обработке или грубой шлифовке. В настоящее время с этой же целью изготавливают узорчатое листовое стекло, т.е. имеющее какой-либо рисунок. Его получают прокатом на столах или между вальцами, на которые нанесен рисунок.

Мелкие стеклянные изделия делают матовыми обработкой фтороводородной (плавиковой) кислотой. Последняя взаимодействует с диоксидом кремния, находящимся на поверхности, с образованием летучего тетрафторида кремния SiF4 в соответствии с уравнением

Вряд ли современный человек может оценить тот комфорт и удобство, которое дает ему прозрачное листовое стекло. Человек рождается в светлом и теплом помещении и принимает это как должное.

Производство листового стекла

Фотохромные стекла

Фотохромные стекла изменяют окраску под действием излучения. В настоящее время получили распространение очки со стеклами, которые при освещении темнеют, а в отсутствие интенсивного освещения вновь становятся бесцветными. Такие стекла применяют для защиты от солнца сильно остекленных зданий и для поддержания постоянной освещенности помещений, а также на транспорте. Фотохромные стекла содержат оксид бора B2O3, а светочувствительным компонентом является хлорид серебра AgCl в присутствии оксида меди (I) Cu2O. При освещении происходит процесс

AgCl – [hν (свет)] → Ag 0 + Cl 0

Выделение атомарного серебра приводит к потемнению стекла. В темноте реакция протекает в обратном направлении. Оксид меди (I) играет роль своеобразного катализатора.

При интенсивном облучении стекла (в том числе и лабораторного) γ-лучами нейтронами и в меньшей мере α-, и β-лучами также происходит окрашивание стекла (чаще в темные и черные цвета). Это связано с изменением структуры стекла и образования ионов, которые играют роль «цветовых центров». При нагревании стекла до температур, близких к температуре размягчения, окраска исчезает. Иногда подобные стекла используют в качестве дозиметров больших доз излучений.

Витраж – это декоративная орнаментальная или тематическая композиция, изготовленная из кусков разноцветного стекла, заполняющая оконный проем. Витраж широко использовался для архитектурного оформления готических храмов. Позже в виде витражей начали выполняться гербы городов в городских ратушах и других зданиях общественного назначения. В подражание этому дворянские дома в виде витражей стали оформлять семейные гербы.

Искусство витража получило развитие в эпоху средневековья и достигло наибольшего расцвета в эпоху Возрождения. Слово витраж происходит от франц. vitre – оконное стекло. Кроме разноцветного стекла использовались стекла, расписанные красками. В качестве последних широко применяли тонкорастертые смеси оксидов металлов (меди, железа и др.) с легкоплавким стеклом. Смеси замешивались на воде, вине или растительном масле и в виде кашицы наносились на стекло. После высыхания расписанное стекло подвергалось обжигу при умеренной температуре. По описанию монаха Теофила в XII в. витражи изготавливались следующим образом. Заранее нарезанные и хорошо подогнанные друг к другу куски цветного стекла обертывались по краям полосками свинца. Обернутые куски раскладывались на столе и плотно подгонялись один к другому, а затем свинцовые перемычки спаивались припоем из сплава олова и свинца. Спаивание проводилось с обеих сторон.

В настоящее время искусство витража начинает возрождаться. Особенно ярко проявляется это в Прибалтике.

Хрусталь, хрустальное стекло

Хрусталь, хрустальное стекло – это силикатное стекло, содержащее различное количество оксида свинца. Часто на маркировке изделия указывается содержание свинца. Чем больше его количество, тем выше качество хрусталя. Хрусталь характеризуется высокой прозрачностью, хорошим блеском и большой плотностью. Изделия из хрусталя в руке чувствуются по массе.

Строго хрусталем называют свинцово-калиевое стекло. Хрустальное стекло, в котором часть K2О заменена на Na2O, а часть PbO заменена на CaO, MgO, BaO или ZnO, называют полухрусталем.

Считают, что хрусталь был открыт в Англии в XVII столетии.

Кварцевое стекло

Его получают плавлением чистого кварцевого песка или горного хрусталя, имеющих состав SiO2. Для изготовления кварцевого стекла требуется очень высокая температура (выше 1700°C).

Расплавленный кварц обладает высокой вязкостью и из него трудно удаляются пузырьки воздуха. Поэтому кварцевое стекло часто легко узнается по заключенным в нем пузырькам. Важнейшим свойством кварцевого стекла является способность выдерживать любые температурные скачки. Например, кварцевые трубы диаметром 10. 30 мм выдерживают многократное нагревание до 800. 900°C и охлаждение в воде. Брусья из кварцевого стекла, охлаждаемые с одной стороны, сохраняют на противоположной стороне температуру 1500°C и потому используются в качестве огнеупоров. Тонкостенные изделия из кварцевого стекла выдерживают резкое охлаждение на воздухе от температуры выше 1300°C и потому с успехом используются для высокоинтенсивных источников света. Кварцевое стекло из всех стекол наиболее прозрачно для ультрафиолетовых лучей. На этой прозрачности отрицательно сказываются примеси оксидов металлов и особенно железа. Поэтому для производства кварцевого стекла, идущего на изделия для работы с ультрафиолетовым излучением, предъявляются особо жесткие требования к чистоте сырья. В особо ответственных случаях кремнезем очищается переводом в тетрафторид кремния SiF4 (действием плавиковой кислоты) с последующим разложением водой на диоксид кремния SiO2 и фтороводород HF.

Кварцевое стекло прозрачно и в инфракрасной области.

Ситаллы – стеклокристаллические материалы, получаемые регулируемой кристаллизацией стекла. Стекло, как известно, – это твердый аморфный материал. Его самопроизвольная кристаллизация в прошлом приносила убытки на производстве. Обычно стекломасса довольно стабильна и не кристаллизуется. Однако при повторном нагревании изделия из стекла до определенной температуры стабильность стекломассы снижается и она переходит в тонкозернистый кристаллический материал. Технологи научились проводить процесс кристаллизации стекла, исключая его растрескивание.

При производстве изделий из стеклокристаллических материалов сначала формуют стеклянные изделия, которые повторным нагреванием подвергают направленной кристаллизации.

Ситаллы обладают высокой механической прочностью и термостойкостью, водоустойчивы и газонепроницаемы, характеризуются низким коэффициентом расширения, высокой диэлектрической проницаемостью и низкими диэлектрическими потерями. Они применяются для изготовления трубопроводов, химических реакторов, деталей насосов, фильер для формования синтетических волокон, в качестве футеровки электролизных ванн и материала для инфракрасной оптики, в электротехнической и электронной промышленности.

Прочность, легкость и огнестойкость обусловили применение ситаллов в жилищном и промышленном строительстве. Из них изготавливают навесные самонесущие панели наружных стен зданий, перегородки, плиты и блоки для внутренней облицовки стен, мощения дорог и тротуаров, оконные коробки, ограждения балконов, лестничные марши, волнистую кровлю, санитарно-техническое оборудование. В быту с ситаллами чаще встречаются в виде белой непрозрачной жаростойкой кухонной посуды. Установлено, что ситаллы выдерживают около 600 резких тепловых смен. Изделия из ситаллов не царапаются и не прогорают. Их можно снять с плиты в раскаленном до красна состоянии и опустить в ледяную воду, извлечь из холодильника и поставить на открытое пламя, не опасаясь растрескивания или разрушения.

Ситаллы – один из видов стеклокристаллических материалов, которые ведут свою историю всего лишь с 50-х годов текущего столетия, когда был выдан на них первый патент.

«Безопасные» стекла

Вероятно, каждому городскому жителю довелось видеть на автотранспорте разбитое лобовое стекло. Первым из «безопасных» стекол, примененных для остекления автомобилей, был триплекс. Он и в настоящее время несет свою службу. При ударе на триплексе образуются многочисленные радиальные и концентрические трещины, но не осколки. Это резко снижает возможность ранения осколками стекла пассажиров. Триплекс состоит из пакета, образованного из двух или более листов обыкновенного стекла, между которыми проложена прозрачная пластичная пленка, прочно соединенная со стеклом склеивающим составом. Благодаря прочной склейке образующиеся при ударе осколки удерживаются на прокладке. Наиболее широко распространенным является трехслойный триплекс. В качестве органической прокладки в нем используют целлулоид. Его изготовление включает следующие операции: стекла покрываются с одной стороны раствором желатина в воде и высушиваются, целлулоидная прокладка обрабатывается с двух сторон дигликолево-спиртовым составом, собранный пакет помещается в вакуум, а затем подогревается до 100°C и прессуется в автоклаве при давлении около 15 атм. Заключительной операцией после обточки абразивными кругами является шпаклевка кромок триплекса смолистыми составами, предотвращающая действие воды на желатин и расслаивание изделия.

В промышленном строительстве широко применяют «армированное» стекло, внутрь которого введена металлическая сетка. Это стекло также может быть отнесено к безопасным, так как при ударе его осколки не рассыпаются, а удерживаются сеткой. «Армированные» стекла обладают противопожарными свойствами, поскольку задерживают развитие пламени в помещениях. Это происходит потому, что от пламени такие стекла не высыпаются из рамы, а лишь растрескиваются. В результате они препятствуют образованию сквозняков, раздувающих огонь.

Пеностекло

Пеностекло – пористый материал, представляющий собой стеклянную массу, пронизанную многочисленными пустотами. Оно обладает тепло- и звукоизоляционными свойствами, небольшой плотностью (примерно в 10 раз легче кирпича) и высокой прочностью, сравнимой с бетоном. Пеностекло не тонет в воде и потому используется для изготовления понтонных мостов и спасательных принадлежностей. Однако его главная область применения – строительство. Пеностекло является исключительно эффективным материалом для заполнения внутренних и наружных стен зданий. Оно легко поддается механической обработке: пилением, резанием, сверлением и обтачиванию на токарном станке.

Для изготовления пеностекла используют стеклянный бой и различные отходы стекольного производства. К ним добавляют пенообразователи, которые образуют газы при высокой температуре: кокс, мел и др. Стеклянный бой и пенообразователи подвергаются тонкому измельчению и хорошо перемешиваются. Смесь помещается в железные формы и нагревается в печи до 700. 800°C, при которых пылинки стекла спекаются и образуют полости. При дальнейшем повышении температуры пенообразователи приводят к образованию газов, растягивающих стеклянные полости (процесс вспенивания). Затем следует довольно резкое охлаждение, в результате чего вязкость стекольной массы повышается, пена становится устойчивой и при дальнейшем охлаждении окончательно закрепляется.

Стеклянная вата и волокно

При нагревании стекло размягчается и легко вытягивается в тонкие и длинные нити. Тонкие стеклянные нити не имеют и признаков хрупкости. Их характерным свойством является чрезвычайно высокое удельное сопротивление разрыву. Нить диаметром 3. 5 мкм имеет сопротивление на разрыв 200. 400 кг/мм 2 , т.е. приближается по этой характеристике к мягкой стали. Из нитей изготавливают стекловату, стекловолокно и стеклоткани. Не трудно догадаться об областях использования этих материалов. Стекловата обладает прекрасными тепло- и звукоизоляционными свойствами. Ткани, изготовленные из стеклянного волокна, обладают чрезвычайно высокой химической стойкостью. Поэтому их применяют в химической промышленности в качестве фильтров кислот, щелочей и химически активных газов. Вследствие хорошей огнестойкости стеклоткани применяют для пошива одежды пожарных и электросварщиков, театральных занавесей, драпировок, ковров и т.п. Стеклоткани кроме огнестойкости и химической стойкости обладают также высокими электроизоляционными свойствами.

Переработка в стекловату осуществляется продавливанием стекломассы через термостойкую пластину с многочисленными отверстиями («фильерами»). Вытекающие через фильеры нити захватываются вращающимся барабаном, наматываются на него и растягиваются. Растяжение нити (утоньшение) зависит от скорости вращения барабана. Роль барабана иногда играет вращающийся диск, на который падает нить.

Существует и принципиально иной способ вытягивания нитей: на вытекающие из фильер нити направляется струя пара или сжатого воздуха. Стеклянные нити растягиваются и в спутанном состоянии образуют войлок.

Пучок стеклянных волокон (стекловолокно)

Стекловата

Стеклопластики и стеклотекстолиты

Первыми называют материалы, получаемые путем горячего прессования стекловолокна, перемешанного с синтетическими смолами. В качестве смол чаще всего используют полиэфирные, фенольные, эпоксидные и карбамидные. В стеклопластиках стекловолокно играет роль армирующего материала, придающего изделиям высокую механическую прочность при малой плотности. Они успешно конкурируют с алюминием и сталью.

В строительстве стеклопластики (волнистые и плоские) применяют для покрытия крыш и для устройства внутренних перегородок. В судостроительной промышленности из них делают корпуса лодок и катеров, в электротехнической их применяют для изготовления аккумуляторных батарей, а в угольной – для труб и призабойных стоек. В некоторых странах из них изготавливают кузова автомобилей, не подвергающиеся коррозии. Стеклопластики на основе стеклянных тканей называют стеклотекстолитами. Их получают пропиткой теми же смолами стеклотканей. Затем заготовки сушат, разрезают на куски определенного формата, собирают в пакеты и прессуют под давлением.

Стеклопластики изготавливают также на основе нетканых стекломатериалов. По сравнению со стеклотекстолитами последние имеют меньшую прочность на разрыв. Эти материалы идут на изготовление облицовочных изделий, жесткой кровли, стеклошифера, стекло-черепицы, оконных проемов.

Посуда из стекла

Качество посуды зависит от состава стекла, способа ее выработки и характера декоративной обработки. Самым дешевым стеклом является кальциево-натриевое. Для посуды улучшенного качества используют кальциево-натриево-калиевое стекло, а для посуды высших сортов – кальциево-калиевое. Самые лучшие сорта посуды изготавливают из хрусталя.

Посудные изделия вырабатывают выдуванием или прессованием. Выдувание, в свою очередь, бывает машинным и ручным. Способ выработки, естественно, отражается на качестве посуды. Сложные по форме и художественные изделия изготавливают только ручным способом. Прессованные изделия легко отличаются от выдутых характерными мелкими неровностями на поверхности, в том числе и на внутренней. На выдутых изделиях они отсутствуют.

Декоративная обработка посуды подразделяется на матирование, гравирование, травление и шлифовку.

Матирование заключается в нанесении матового рисунка при сохранении блестящего фона и реже, наоборот, создании матового фона, а рисунок создается блестящими частями изделия. Для матирования поверхности используют пескоструйные аппараты, в которых создается струя сухого песка. Песчинки оставляют на поверхности мелкие сколы и царапины, которые и придают ей матовый вид, превращая блестящую поверхность изделия в непрозрачную. Для защиты части поверхности от струи песка используют шаблоны, которые накладывают на поверхность изделия. Их изготавливают из резиновых или цинковых листов.

Гравирование изделий проводят при помощи медных вращающихся дисков диаметром 2. 10 мм, на которые подается масло с наждачным порошком. Простые рисунки наносят на стеклоизделия при помощи машин посредством пульсирующего нажимания на поверхность специальными иглами. Такие машины по заданной программе могут обрабатывать одновременно четыре-шесть и более изделий.

Травление изделий проводят фтороводородной кислотой. Они предварительно покрываются предохранительным слоем мастики, состоящей из смеси стойких к фтороводородной кислоте веществ (воск, парафин, битум, канифоль). По слою мастики с помощью металлической иглы прорезается рисунок, обнажающий поверхность стекла, подлежащего травлению. Далее изделие помещают на 20. 30 мин в травильную ванну, заполненную фтороводородной кислотой или ее смесью с небольшим количеством серной кислоты. В зависимости от концентрации травильного раствора рисунок может быть блестящим или матовым. При использовании газообразного фтороводорода рисунок всегда получается матовым.

После завершения процесса травления изделия промывают водой, а затем для снятия защитной мастики нагревают паром или помещают в ванну с горячей водой.

Декоративная шлифовка основана на удалении части стекла с поверхности изделия. Она бывает поверхностная (валовая) и глубокая (алмазное гранение).

При валовой шлифовке создают на поверхности изделия срезы в виде кружков и овалов, а также нарезают на округлой поверхности плоские грани (обычно не по всей высоте, а на некоторой ее части). Их нарезают при помощи вертикальных кругов из естественных камней или из искусственных наждачных корундовых материалов. Вышлифованное место получается матовым и для восстановления прозрачности на нем проводится полировка на пробковых, деревянных (тополевых) или войлочных кругах.

Алмазному гранению подвергается главным образом хрустальная посуда. Это гранение заключается в прорезании глубоких клинообразных канавок, которые создают пучки лучей, звездочек и других фигур.

Глубокое гранение проводят на корундовых кругах. Круги с алмазной крошкой позволяют резко увеличить скорость резания. Однако у специалистов и ценителей хрусталя изделия, обработанные алмазным инструментом, ценятся ниже, чем обработанные корундовым. Часто для удешевления обработки изделия прессуют, а затем по углублениям проходят резцом. Естественно, такое изделие ценится гораздо ниже.

После алмазного гранения изделие подвергают шлифовке. Однако иногда канавки алмазной грани оставляют матовыми. Вкусы покупателей различны и стеклоделы должны учитывать это.

Благодаря алмазному гранению изделия приобретают особый блеск и дают игру света, особенно при искусственном освещении. Глубокой шлифовке можно подвергать изделия достаточной толщины. Поскольку хрустальное стекло характеризуется большой вязкостью и быстро охлаждается, выдуваемые из него изделия чаще всего имеют толстые стенки. Такие изделия хорошо поддаются алмазному гранению.

Алмазное гранение и поверхностная шлифовка особенно эффективны на изделиях из многослойного цветного стекла. Срезы обнажают нижележащие слои и в результате получается узор различной окраски.
Источники:
  • http://www.labor-microscopes.ru/tehnologii/colorless-optical-glass/the-chemical-properties-of-optical-glass.html
  • http://sochinite.ru/otvety/himiya/steklo-soobshchenie-doklad-po-himii-9-klass
  • http://ximik.biz/prakticheskaya-himiya/63-chimicheskoye-steklo
  • http://stud-baza.ru/steklo-referat-himiya-87082
  • http://chemistry-chemists.com/N3_2012/S1/ChemistryAndChemists_3_2012-S1-5.html

Популярные записи

Что такое точка зрения в рисовании
Побочные действия при лазерной коррекции зрения
Собственная проводимость полупроводников с точки зрения зонной теории
Измените свою точку зрения и по поводу
Определение остроты зрения для дали и для близи
Существует следующая точка зрения на поход предпринятый иваном iii
Артур шопенгауэр о зрении и цвете шопенгауэр
Тренинг как отстоять свою точку зрения