Фізико-хімічні методи дослідження якості скла

Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2 ↑

CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 ↑

При 1200—1300 °C силікати натрію і кальцію з надлишком  діоксиду силіцію утворюють сплав

Na2SiO3 + CaSiO3 + 4SiO2 = Na2O•CaO•6SiO2

Скляну масу в розплавленому стані витримують до повного видалення газів. Разом  з тим проводять знебарвлення скла додаванням незначних кількостей діоксиду марганцю MnO2. Звичайне скло буває забарвлене в зелений колір домішками оксидів заліза які потрапляють разом з піском. Діоксид марганцю надає склу рожевого забарвлення, а зелений і рожевий кольори в сукупності дають білий колір. Після цього скляну масу охолоджують до певного ступеня в'язкості і виготовляють різні вироби.

Вихідними матеріалами  для отримання штучної скляної  маси є кварцовий пісок, кальцинована сода, поташ, сульфат натрію, крейда і вапняк, карбонат магнію, доломіт, карбонат барію, натрієва і калієва селітри. В деякі сорти скла вводять окис алюмінію, окис свинцю і оксиди інших металів.

Скло складається  з багатьох компонентів.(ДОДАТОК А) Основним компонентом скла є двоокис кремнію - кремнезем, температура плавлення якого дорівнює 1728 ° С. Зміст окису кремнію в склі становить 50-85%, а в кварцовому склі 98,8-99,9%.

Кольорові скла отримують, вводячи в шихту окисли чи інші з'єднання різних елементів, наприклад для фарбування скла в  синій колір вводять з'єднання кобальту, в зелений - окис хрому, у фіолетовий - сполуки марганцю, в рубіновий-закис міді або металеве золото.

Варять скло в спеціальних печах при високих  температурах. Під час варіння  скла відбуваються складні хімічні  і фізичні процеси, в результаті яких шихта, зазнаючи ряд змін, перетворюється на освітлену та однорідну скломасу.

Процес склоутворення  починається при досягненні 1200 - 1240 ° С. У заводських умовах скло варять при 1400-1450 ° С; освітлення скломаси відбувається при 1500 ° С. Особливі сорти скла варять при ще більш високій температурі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Види скла

 

В залежності від  практичного використання скляних  виробів змінюється хімічний склад  скла, форма, розміри, та спосіб їхнього  виготовлення. Сучасна скляна промисловість виготовляє найрізноманітніші вироби — промислове та побутове листове скло, скляні труби і ізолятори, медичне та парфумерне скло, тарне та сортове скло, піноскло, скловолокно, ситали та інше.

Тарне скло займає досить велику частку від загального об‘єму продукції, що виготовляють скляні заводи. Це відбувається тому, що тарне скло використовується для фасування, зберігання та транспортування різноманітних рідких пастоподібних та твердих продуктів.

Перевагами  скляної тари, що обумовлюють широке її використання у різноманітних галузях промисловості та в побуті є: гігієнічність, прозорість, можливість виготовлення тари різноманітних розмірів та форми, можливість герметичного закривання та багаторазового використання, доступна ціна.

Кришталь —  художнє скло, що називають так за схожість із гірським кришталем — один із найдорожчих і найгарніших різновидів. Із нього виготовляють різноманітний посуд, вази, люстри, що можуть посперечатися своєю красою із найвитонченішими витворами мистецтва.

Оптичне скло використовують для виготовлення лінз, призм, кювет і багато чого іншого.

Хіміко - лабораторне скло має високу хімічну й температурну стійкість, що дає змогу використовувати його під час наукових, часом небезпечних дослідів.

Медичне скло використовується для зберігання й упаковки лікарських препаратів, ін'єкційних і бактеріологічних розчинів, а також предметів догляду за хворими.

Скляний жаростійкий посуд (борне скло) визнаний одним із найкращих  для приготування страв. У ньому  можна готувати супи, каші, запіканки, тушкувати овочі, м'ясо, заварювати чай, каву звичайно ж, дотримуючись певних правил користування.

Залежно від основної склоутворюючої речовини, що використовується, скло буває  оксидним (силікатне, кварцове, германатне, фосфатне, боратне, фторидним, сульфідним і т.д.)

Звичайне силікатне  скло здатне пропускати всю видиму частину спектра і не пропускати інфрачервоні й ультрафіолетові промені. Звукоізолююча  здатність  1 см скла відповідає цегельній стіні в півцегли – 12 см. Силікатне скло володіє високою хімічною стійкістю до більшості агресивних   середовищ.   Теплопровідність  скла   знаходиться   в   межах 0,5-1,0 Вт/(м ос), теплоізоляційні скловироби мають коефіцієнт теплопровідності 0,032-0,14 Вт/(м ос).

 Силікатне  скло. Щільність звичайного будівельного силікатного скла – 2,5 г/см3, однак  щільність  стекол  спеціального  призначення  може  бути  від  2,2  до 6 г/см3.

Кварцове скло — однокомпонентне силікатне  скло, що одержується плавленням природних  різновидів кремнезему — гірського  кришталю, жильного кварцу і кварцового піску, а також утворюється при  застиганні розплаву синтетичного діоксиду кремнію SiO2. Розрізняють два види промислового кварцового скла:прозоре (оптичне і технічне) та непрозоре.

Непрозорість  кварцового скла додає велику кількість  розподілених в ньому дрібних  газових пухирців (діаметром від 0,03 до 0,3 мкм), що розсіюють світло. Оптичне прозоре кварцове скло, що одержується плавленням гірського кришталю, абсолютно однорідне, не містить видимих газових пухирців; має найменший серед силікатних стекол показник заломлення (nD = 1,4584) і найбільше світлопропускання, особливо для ультрафіолетового проміння.

Фосфатне скло. Фосфатне скло є представником класу оптичного скла, що складається із сполук метафосфатів різноманітних металів. Замість SiO4-тетраедра, що спостерігається у діоксидно - кремнієвому матеріалі, основними елементами структури якого є оксид фосфору (P2O5), що кристалізується у чотирьох відмінних формах. Найвідомішою є поліморфічна форма за участю молекули P4O10.

Можна виділити п'ять основних функцій скла: теплоізоляція взимку, захист від перегріву літом, звукоізоляція, захисні функції і естетичні властивості.Для забезпечення вище перелічених властивостей матеріалу розроблені різні типи скла.

Гартоване скло - це скло, у якого шляхом хімічної або термічної обробки підвищується міцність до ударів і перепадів температури, в порівнянні із звичайним склом. При руйнуванні загартоване скло розпадається на маленькі безпечні осколки. Слід звернути увагу на той факт, що загартоване скло не підлягає механічній обробці, тому і виконуватися вона повинна перед процесом гартування. Гартоване скло може застосовуватися при виробництві склопакетів або ламінованого скла.

Ламіноване  скло (триплекс) - це архітектурне скло, що складається з двох або більше частин скла, які ламінують разом  за допомогою ламінуючої плівки або спеціальної ламінуючої рідини. Основне завдання триплексу - перешкоджати насильницькому вторгненню. Ламінування не збільшує механічну міцність скла, проте при руйнуванні скло залишається цілим завдяки ламінуючій плівці, на якій залишаються прикріпленими осколки скла. Крім того, використання триплексу:

• знижує небезпеку від осколків, що розлітаються, або падаючого скла (скло розбивається, але залишається в рамі);
• сприяє захисту приміщення від шкідливої дії ультрафіолетових променів (оберігає від вигорання меблі, шпалери, і ін.);
• забезпечує звукоізоляцію (багатошарове скло здатне ефективно знижувати дію небажаних шумів).

Різними видами ламінуючих плівок можна забезпечити  практично будь-яке тонування  скла.

Енергозберігаюче  скло. Теплоізоляція в зимовий період є найбільш важливою функцією скла. Втрати тепла через скло складаються з теплопровідності, конвекції і теплового випромінювання. Для зменшення втрат тепла від теплопровідності і конвекції застосовують подвійне скління (склопакети), але це дає лише незначний ефект, оскільки основна частка тепловтрат відбувається за рахунок теплового випромінювання. Для боротьби з цим розроблене так зване енергозберігаюче скло. В теперішній час проблема енергозбереження стоїть надзвичайно гостро у всьому світі, тому всі найбільші виробники скла освоїли випуск енергозберігаючого скла. Нові енергозберігаючі властивості скла забезпечуються нанесенням на його поверхню низько емісійних оптичних покриттів, а саме скло з таким покриттям отримало назву низько емісійне. Ці покриття забезпечують проходження в приміщення короткохвильового сонячного випромінювання, але перешкоджають виходу з приміщення довгохвильового теплового випромінювання, наприклад від опалювального приладу. Тому скло з низько емісійними покриттями називають селективним склом. Характеристикою енергозбереження є випромінююча здатність скла. Під випромінюючою здатністю скла (емісією) розуміють здатність скляної поверхні відображати довгохвильове, не видиме людським оком теплове випромінювання, довжина хвилі якого менше 16000 Нм. Еміситент поверхні (Е) визначає випромінюючу здатність скла (у звичайного скла Е складає 0,83, а у селективних менше 0,04) і, отже, можливість відображати назад в приміщення теплове випромінювання. Причина виникнення випромінювання криється в русі вільних електронів атомів, що знаходяться на поверхні скла, і щільності рухомих електронів. Далеко не всі метали, добре проводять електричний струм, володіють властивістю відображати довгохвильове теплове випромінювання.

Отже, чим нижче  еміситент, тим менше втрати тепла. При цьому скло з оптичним покриттям, що має значення еміситента Е= 0,004, відображає назад в приміщення понад 90% теплової енергії.

В даний час  для цих цілей використовується два типи покриттів: так зване  К-скло (LOW-E) - тверде покриття, і i-скло (Double LOW-E) – м’яке покриття.

Першим кроком у випуску енергозберігаючого скла було виробництво К-скла. Для додання  Флоат-склу теплозберігаючих властивостей, безпосередньо при виготовленні, на його поверхні методом хімічної реакції при високій температурі (метод піролізу) створюється тонкий шар з оксидів металів InSnO2, який є прозорим, і в той же час володіє електропровідністю. Відомо, що електропровідність безпосередньо пов'язана з випромінювальною здатністю Е поверхні. Величина випромінювальної здатності простого скла складає 0,84, а у К-скла близько 0,2.

Наступним значним  кроком у виробництві теплозберігаючого  скла став випуск т.з. i-скла, яке по своїх  теплозберігаючих властивостях в 1,5 разу перевершує К-скло. Відмінність між  К-склом і i-склом полягає в коефіцієнті випромінювальної здатності, а також технології його отримання. I-скло виготовляється вакуумним напиленням і складає тришарову (або більш) структуру з шарів срібла діелектрика, що чергуються (BIO, ALN, TiO2, і т.п.). Технологія нанесення вимагає використання високо вакуумного устаткування з системою магнетронного розпилювання.

Основним недоліком i-скла є їх порівняно знижена  абразивна стійкість в порівнянні з К-склом, що представляє деяку  незручність при їх транспортуванні, але враховуючи, що таке покриття знаходиться усередині склопакета, це не позначається на його експлуатаційних властивостях.

Сонцезахисне  скло. Під сонцезахисним склом вважається скло, яке володіє здатністю знижувати пропускання світлової і/або сонячної теплової енергії. Сонцезахисними є, наприклад, забарвлені по всій масі скла, а також деякі види скла з покриттями. До недавнього часу значення пропускання повного випромінювання і природного світла через скло у внутрішнє приміщення були майже прямо пропорційні один одному. Величина пропускання природного світла сонцезахисними стеклами знижувалася, при зменшенні величини проникнення випромінювання в цілому. Темний колір сонцезахисних стекол означав, що вони ефективно захищають від сонячного випромінювання. Тільки скло зеленого кольору були виключенням з правил. По механізму дії сонцезахисне скло можна розділити на 2 групи: що відображають випромінювання і що поглинають випромінювання.

При виготовленні поглинаючого скла на розплавлену скляну масу наносяться або кристали металів, або оксиди металів, які володіють здатністю поглинати частину сонячного випромінювання. Паралельно з цим скло нагріваються і віддає велику частину отриманого ним тепла в зовнішній простір. Частина тепла, проте, передається всередину приміщення, що є, звичайно, небажаним явищем, збільшуючи потребу енергії на охолоджування приміщення.

Армоване скло - листове скло з металевою сіткою, безпечне і пожежостійке, яке при  пожежі утворює ефективну перешкоду  проти диму і гарячих газів. При  пожежі воно може тріснути, проте арматура утримує його на місці, запобігаючи тим самим розповсюдженню вогню. Осколки скла не випадають навіть при утворенні декількох розломів, а утримуються на місці арматурою.

Забарвлене  в масі скло - це абсорбуюче (сонцезахисне) скло, при виготовленні якого використовуються різні речовини для отримання бажаного кольору. Воно поглинає більше сонячної теплової енергії і світла, ніж звичайне прозоре скло. Найбільш поширеними є сірий і зелений кольори, а також проміжні між бронзовим і коричневим. Можна виготовляти також скло і інших відтінків.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Фізико-хімічні методи дослідження якості скла

 

5.1 Рентгенофазовий аналіз

 

Рентгенівський  фазовий аналіз – метод якісного та кількісного аналізу фазового складу полікристалічних матеріалів, заснований на вивченні дифракції рентгенівських променів.

Оскільки кожна  фаза полікристалічного зразка має  кристалічну гратку з характерним  набором відстаней d між паралельними кристалографічними площинами, рентгенівські  промені відбиваються від кристалографічних площин (і дифрагують) з характерним тільки для даної фази набором брегівських кутів q (кут між падаючим променем і площиною, що відбиває) і відносних інтенсивностей дифракційного відбивання. Останні реєструють за допомогою дифрактометрів (дифрактограми) або, рідше, на рентгенівській плівці (рентгенограми). Дифракційна картина багатофазного зразка є накладанням дифракційних картин окремих фаз. За положенням дифракційних максимумів (піків на дифрактограмі або ліній на рентгенограмі) визначають кути q, а потім значення d розраховують відповідно до умови Брегга-Вульфа за рівнянням: 2d/sinq = l (l – довжина хвилі рентгенівського випромінювання) або з таблиць, в яких приводяться значення d(q) при різних l.

Якщо за хімічним складом і методом отримання матеріалу можна припустити його фазовий склад, то проведення рентгенофазового аналізу полягає в порівнянні експериментальних значень d і відносних інтенсивностей дифракційних максимумів з набором відповідних табличних значень для кожної з передбачуваних фаз. Значення d і відносних інтенсивностей дифракційних максимумів багатьох неорганічних та органічних сполук, мінералів і синтетичних матеріалів опубліковані. Найбільш повний і постійно поповнюваний визначник фаз – картотека ASTM (Американського товариства випробувань матеріалів), в якій містяться кристалографічні дані, відомості про фізичні та інші властивості фаз. Фазу можна вважати встановленою за наявності на дифрактограмі трьох її найінтенсивніших піків і приблизної відповідності відношень інтенсивностей довідковим даним. Виключаючи всі піки виявленої фази, проводять такий самий аналіз із дифракційними піками, що залишилися.