Стекло и стеклообразное состояние

Стекло  и стеклообразное состояние 

Стекло  как вещество и  материал. Стекло и  стеклообразное состояние.

Основные  термины и понятия. Классификация изделий  из стекла.

Сырьевые  материалы в производстве стекла.

Основы технологии подготовки сырьевых материалов и сырьевых стекольных шихт 

Стеклообразное  состояние

Вещества  в твердом состоянии при обычной  температуре и давлении могут  иметь кристаллическое или аморфное строение. В природе наиболее распространены кристаллические твердые вещества, для структуры которых характерен геометрически строгий порядок  расположение частиц (атомов, ионов) в  трехмерном пространстве. Кристаллическое  состояние является стабильным и  характеризуется низкой внутренней энергией, твердые кристаллические  вещества имеют четкие геометрические формы, определенные температуры плавления  и т.д. (например анизотропию -  неодинаковые свойства в различных направлениях).

Стеклообразное  состояние вещества представляет собой  аморфную разновидность твердого состояния (для неорганических веществ; для  органических веществ – смолообразное состояние).

Стеклообразное  состояние является метастабильным, т.е. характеризуется избытком внутренней энергии. Пространственное расположение частиц вещества находящегося в стеклообразном состоянии, является не упорядоченным, что подтверждается результатами рентгеноструктурных  исследований.

Согласно  законам химической термодинамики  переход веществ из стеклообразного  состояния в кристаллическое  должен осуществляться самопроизвольно, однако высокая вязкость твердых  веществ делает невозможным поступательное движение частиц, направленное на перестройку  структуры, в твердых телах частицы  совершают только колебательные  движения относительно положения равновесия. Т.е. высокая вязкость не дает перейти  самопроизвольно из стеклообразного в кристаллическое состояние.

Основные  термины и понятия

Все вещества, находящиеся  в стеклообразном виде, обладают несколькими  общими физико-химическими характеристиками. Типичные стеклообразные тела:

1. изотропны, т.е. свойства их одинаковы во всех направлениях (анизотропия свойств: оптическая, магнитная и т.д. обнаруживается в стеклах, отклоняющихся от нормы (микрогетерогенная и ориентированная структура, закаленное состояние);
2. при нагревании не плавятся как кристаллы, а постепенно размягчаются, переходя из хрупкого в тягучее, высоковязкое и, наконец, в капельно-жидкое состояние, причем не только вязкость, но и другие свойства их изменяются непрерывно;
3. расплавляются и отвердевают обратимо, т.е. выдерживают неоднократный разогрев до расплавленного состояния, а после охлаждения по одинаковым режимам, вновь приобретают первоначальные свойства (если не произойдет кристаллизация или ликвация).

Стекла  не имеют определенной температуры  затвердевания или плавления. Оба  эти процесса происходят постепенно в некотором температурном интервале. При охлаждении расплав переходит  из жидкого в пластическое состояние, и только затем – в твердое (процесс стеклования). Наоборот, при  нагревании стекло переходит из твердого в пластическое состояние, при более  высоких температурах – в жидкое (размягчение стекла).

Свойства  стекла, как и любого другого материала, можно разделить на ряд групп, важнейшими из которых являются механические, термические, электрические, оптические и химические. Важную роль в технологии стекла играют основные формовочные  свойства расплавленной стекломассы  и, в частности, вязкость, поверхностное  натяжение, скорость затвердевания.

Механические  свойства стекла:

Плотность численно равна массе вещества, заключенной в единице объема, и измеряется в кг/м³. Определяют плотность стекла гидростатическим взвешиванием с применением пикнометров. Обычно промышленные стекла имеют плотность порядка 2,5∙10³ кг/м³.

Прочность – важнейшее свойство стекла, которое определяет возможность применения стеклянных изделий практически в любой области техники. Прочность стекла определяется пределами прочности при различных видах нагрузок: сжатии, растяжении, изгибе. Предел прочности технических стекол при сжатии колеблется в пределах 5 – 20 МПа, что равно примерно пределу прочности чугуна; предел прочности при рстяжении для технических стекол составляет от 0,35 – 1 МПа.

Под твердостью понимают способность материала сопротивляться местным контактным воздействиям, например царапающим или режущим усилиям. От твердости стекла зависит его сопротивление различным видам механической обработки: шлифованию, резке, сверлению. Часто для определения твердости материала используют величину микротвердости, определяемую путем вдавливания в стекло алмазной пирамиды. (самое твердое – кварцевое стекло).

Хрупкостью  называется свойство материала мгновенно разрушаться при воздействии ударных нагрузок. Стекло относится к типично хрупким материалам и практически не испытывает пластической деформации, разрушаясь сразу, как только достигнут предел упругой деформации. Хрупкость зависит от формы и размеров образца, а также от его термической обработки.

Термические свойства стекла:

Удельную  теплоемкость определяют по количеству тепла, которое необходимо затратить для нагревания единицы массы стекла на 1 ^оС (измеряется в Дж/(кг∙ ^оС)).

Теплопроводность материала характеризуется коэффициентом теплопроводности, которым обозначают количество тепла, проходящее в единицу времени через две противоположные грани кубического сантиметра материала (стекла) при разности температур между гранями 1^оС. Стекло – материал с низкой теплопроводностью

Расширение  стекла (или другого материала) при  нагреве характеризуется отношением удлинения образца при нагреве  на 1^оС к исходной длине образца. Это отношение называется температурным коэффициентом линейного расширения α.

Термической стойкостью называется способность стекла противостоять резким изменениям температуры. Термостойкость стекла зависит от теплопроводности, температурного коэффициента линейного расширения и теплоемкости.

Электрические свойства стекла: Электрическая проводимость стекол при нормальной температуре ничтожна. Поэтому стекла можно использовать в качестве изоляторов. Диэлектрическая прочность характеризует способность стекла выдерживать воздействие высокого напряжения без разрушений и ухудшения диэлектрических свойств (кВ/см).

Оптические  свойства стекла. Основными оптическими свойствами стекла являются показатель преломления, средняя и частные дисперсии и коэффициент дисперсии.

Стекла  рентгеноаморфны вследствие неупорядоченного атомного строения.

Стекла  изотропны. Если они однородны по составу, свободны от напряжений и дефектов. Изотропия свойств стекол, как и других аморфных сред, обусловлена отсутствием направленной в пространстве ориентации частиц. Оптическая анизотропия может возникнуть в стекле в результате действия растягивающих или сжимающих напряжений.

Кристаллизационной  способностью стекла называют склонность его к кристаллизации. Кристаллизационную способность каждого производственного стекла, т.е. те температурные пределы, внутри которых оно может закристаллизовываться, а также скорость этой кристаллизации необходимо знать, чтобы установить рациональный режим варки и выработки стекла.

Высокая химическая устойчивость по отношению к различным агрессивным средам – одно из замечательных свойств лучших силикатных стекол. Различают два основных вида явлений – растворение и выщелачивание. Многие стекла растворяются с той или иной скоростью в плавиковой кислоте и в концентрированных горячих растворах щелочей. Процесс выщелачивания характеризует механизм взаимодействия стекла с водой и кислотами, исключая плавиковую. Переход от выщелачивания к растворению возможен и при взаимодействии стекла с водой или с НСl, H₂SO₄, HNO₃ и т.п. в том случае, если стекло чрезмерно обогащено щелочами и содержит мало кремнезема. О химической устойчивости стекла чаще всего судят по потере веса образца после обработки в агрессивной среде в течение заданного промежутка времени. Потери выражаются в мг/см².

Классификация стекол

Классификация стекол по составу:

1. органические  стекла представляют собой органические  полимеры – полиакрилаты, поликарбонаты, полистирол, и т.д. находящиеся в стеклообразном состоянии.

2. неорганические: элементарные, галогениды, халькогениды, оксидные и смешанные (металлические, сульфатные, нитратные, карбонатные).

а) элементарные стекла –  это стекла, состоящие  из атомов одного элемента. В стеклоподобном состоянии можно получить: серу, селен, мышьяк, фосфор, углерод.

б) галогенидные – BeF₂ – стеклообразующий компонент - фторбериллат.

в) халькогенидные – в бескислородных системах типа As-x, Ge-Sb-x, Ge-P-x и др. (где x-S, Se,Te).

г) оксидные стекла – на основе оксидов:

• TeO₂ , TiO₂, SeO₂, MoO₃, WO₃, Bi₂O₃, Al₂O₃, Ga₂O₃, V₂O₃, образует стекла при плавлении с другими оксидами.
• SiO₂, GeO₂, B₂O₃, P₂O₅, As₂O₃ – самостоятельно образуют.

Легко образуются в системах: CaO-Al₂O₃, CaO-Al₂O₃-B₂O₃ и т.д.

Стекла  получают свои названия по виду стеклообразующего  оксида: силикатные, алюмосиликатные, боратные, боросиликатные, алюмофосфатные, фосфатные, германатные и т.д. Практическое значение имеют стекла простых сложных составов, принадлежащие к силикатным, боросиликатным, фосфатным, германатным, алюминатным, молибдатным, вольфраматным и др. системам.

Промышленные  составы стекол содержат, как правило, не менее 5 компонентов, а специальные  стекла  оптические могут содержать  более 10 компонентов.

Наиболее  простым по составу является однокомпонентное кварцевое стекло на основе диоксида кремния. Промышленное значение имеют  так же бинарные щелочносиликатные стекла состава Me₂O-nSiO₂, где Me – Na, K n=2÷4- так называемые «растворимые» (жидкие) стекла. Основу промышленных стекол оконного, архитектурного – строительного, сортового, тарного других – составляют позиции тройной системы Na₂O-CaO-SiO₂

Содержащие  оксиды кремния в них может, изменяется в пределах от 60-до 80 мас. % оксида кальция от 0 до 20%, оксида натрия от 10 до 25%.

Промышленные  составы силикатных стекол кроме  оксидов SiO₂, CaO, Na₂O, содержат оксид магния, который способствует снижению склонности к кристаллизации, и оксид алюминия, который повышает химическую стойкость стекол.

Классификация стекол по техническим  свойствам: оптическое, светотехническое, избирательно-прозрачное для невидимых лучей, радиационно-устойчивое, упрочненное, безосколочное (триплекс или армированное), тугоплавкое, термостойкое, химически-устойчивое, химикотермомеханически стойкое (аппаратное), термометрическое, электроизоляционное, электродное, электровакуумное, электропроводящее, люминесцирующее, пористое (пеностекло), волокнистое (стеклянное волокно), растворимое (жидкие стекла).

Классификация стекол строительно-архитектурного назначения: конструктивно-строительные элементы из стекла (блоки пустотелые; детали – линзы, призмы и т.д.; профильное стекло; панели из стекла; стеклянная черепица; стеклопакеты; стевит; дверные полотна); листовое строительное и декоративное стекло (неполированное оконное и витринное; полированное витринное и зеркальное; узорчатое; армированное металлической сеткой или проволокой; цветное прозрачное окрашенное в массе и накладное; свето-теплозащитное или пропускающее ультрафиолетовые лучи); облицовочное (коврово-мозаичная плитка; эмалированная или цветная прессованная плитка; стемалит;  марблит; смальта; шлакоситалл); тепло- и звукоизоляционное строительное стекло (пеностекло в виде блоков, плит, скорлуп и крошки; стекловолокнистые материалы – вата, маты, плиты, скорлупы, ткани, шнур и др.; стекловолокнистый рулонный холст); стекло для санитарно-технических устройств (стеклянные отопительные приборы: радиаторы, ширмы, панели, трубы; стеклянные элементы санузлов: раковины, трубы); стекло для оборудования внутренних помещений и инвентаря (мебель; стеклянные детали – дверки, полки; стеклянная электроарматура  - щитки, трубы, ролики, розетки); стеклянная осветительная арматура (световые панели, люстры, торшеры, бра, абажуры). 

Сырьевые  компоненты для стекольных шихт

Все компоненты стекла по своей структурной роли разделяются на три группы: стеклообразователи, модификаторы и промежуточные.

К стеклообразователям относятся оксиды: B, Si, Ge, P, As;

К модификаторам: Li, K, Na, Mg, Ca, Ba, Cr, Cd;

К промежуточным: Be, Zn, Al, Ti, Zr, Pb;

Каждый оксид  оказывает своеобразное влияние  на свойства стекол.

Виды  сырьевых материалов.

Все сырьевые  материалы, применяемые для варки  стекла, в зависимости от их назначения могут быть классифицированы на главные и вспомогательные.

К главным сырьевым относят материалы, посредством которых в состав стекольной шихты вводят необходимые для данного вида стекла кислотные и основные оксиды, образующие основу стекла и определяющие его свойства.