Стекло - твердый аморфный материал, полученный в процессе переохлаждения расплава. Для стекла характерна обратимость перехода из жидкого состояния в метастабильное, неустойчивое, стеклообразное состояние. Приопределенных 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 твердыми кристаллическими телами, а отсутствие кристаллографической симметрии приближает к жидким. Склонность к образованию стекла характерна для множества 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 гамма-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. Применение находят также и другие кислородные, в состав которых входят окислы фосфора, алюминия, бора и т. д. К бескислородным неорганическим стеклам относятся стекла на основе халькогенидов мышьяка,сурьмы, галогенидов бериллия 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 в 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% оксида кремния, 24% оксида натрия и другие компоненты, образует с водой клейкую жидкость (жидкое стекло). Жидкое стекло используется как уплотняющее средство, например, для изготовления силикатных красок, конторского клея, в качестве диспергаторов и моющих средств, для пропитки тканей, бумаги и прочего.
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 стекла 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 (температуpa, 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 свой растворяется плавиковой к-той, а на обнажившийся бездефектный слой наносится защитная плёнка. При закалке поверхностный слой сжимается, что препятствует раскрытию трещин. Плотность стекла 2200—8000 килограмм на метр кубический. Твёрдость по минералогической шкале 4,5—7,5. Предел прочности стекла при сжатии равен 0,5—2 Гн/м2, при изгибе 30—90 Мн/м2, при ударном изгибе 1,5—2 кн/м2. Теплоёмкость стекла 3—1 кдж/кг *К, термостойкость 80— 1000 С. Коэффициент теплопроводности стекла мало зависит от его химсостава и равен 0,7—1,3 вт/м*К). Коэффициент преломления 1,4—2,2, 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 и искусственные), 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 обогащаются сырьем, содержащим борный ангидрид. 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 силикатообразовання и протекает при температуре 1150—1200 С.
Стеклообразованнем называют процесс растворения остаточных зерен кварца в силикатном расплаве, в результате чего образуется относительно однородная стекломасса. В обычных силикатных стеклах содержится 25% кремнозёма, химически не связанного в силикаты (только такое стекло оказывается пригодным по своей химической стойкости для практического использования), Стеклообразование протекает значительно медленнее, чем силикатообразованне, оно составляет 90% от времени, затраченного на провар шихты и 30% от общей длительности стекловарения.
Обычная стекольная шихта содержит 18% химически связанных газов. 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 пересыщения 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 другой 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. Гомогенизация способствуют выделяющиеся иэ стекломассы газовые пузыря, которые перемешивают неоднородные микроучастки и облегчают взаимную диффузию, выравнивая концентрацию расплава. наиболее интенсивно гомогенизация осуществляется при мехаиическом 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 образуются 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 иа стекломассы осуществляется механическим способом (прокаткой, прессованием, прессовыдуванием, выдуванием в т. д.) на стеклоформующих машинах. После формования изделия подвергают термической обработке (отжигу).
В результате отжига (выдержки изделий при температуре, близкой к температурере размягчения стекла) в последующего медленного охлаждения происходит релаксация напряжений, появляющихся в стекле при быстром охлаждении. В результате 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).
