Температура начала размягчения.

Температура начала размяг­чения стекла характеризует температуру, при которой стекло (стеклоизделие) начинает деформироваться. Она играет существен­ную роль при производстве стекла. Например, температуру отжига стекла принимают обычно на 20—30° С ниже температуры начала его размягчения, с тем чтобы изделие не деформировалось при теп­ловой обработке.

Температура начала размягчения стекла в основном определяет­ся его химическим составом. Тугоплавкие окислы (размягчающие­ся при высоких температурах), такие, как SiO₂, А1₂О₃, повышают температуру начала размягчения стекла, легкоплавкие окислы типа Nа₂О, К₂O, Li₂О понижают ее.

Наивысшей температурой начала размягчения обладает квар­цевое стекло (1200—1500° С). Большинство обычных строительных стекол, в том числе и оконное, начинает размягчаться при 550— 700° С.

Тепловое (термическое) расширение.

Твердые тела при нагре­вании увеличиваются в объеме. Увеличение линейных размеров тела при нагревании и есть тепловое линейное расширение. Для количественной характеристики линейного теплового расширения твердых тел служит коэффициент линейного теплового расшире­ния а. Под коэффициентом линейного расширения понимают увели­чение длины образца при нагревании его на 1° С, отнесенное к дли­не образца до нагревания, т. е.

 

 

где α — коэффициент линейного расширения, 1/град; l ₀ — длина образца при температуре 0° С, см; l_t — длина образца, нагретого до температуры t, ° С, см.

Иногда пользуются значениями коэффициента объемного рас­ширения стекла, равным 3а.

Коэффициент линейного теплового расширения стекол колеб­лется от 5-10~⁷ до 200 -10~⁷. Самый низкий коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло — а = 5,8-10~⁷ (соответственно коэффициент объемного расширения 3а=17,4- 10~⁷). Оконное стек­ло имеет коэффициент линейного расширения 88·10^-7 (у металлов, как правило, 100·10^-7).

Величина α стекла в значительной степени зависит от его хими­ческого состава. Наиболее сильно на термическое расширение сте­кол влияют щелочные окислы: чем больше содержание их в стекле, тем больше а. Тугоплавкие окислы типа SiO₂, А1₂О₃, МgО, а также В₂О₃, как правило, понижают а.

Коэффициент термического расширения важно знать при спаи­вании (спекании или сваривании) разных стекол, при производстве сортовых или листовых накладных стекол. Коэффициенты теплово­го расширения совмещаемых стекол должны быть близкими по ве­личине, в противном случае такое изделие разрушится по шву от возникших напряжений.

Термическая устойчивость.

Термической устойчивостью (термо­стойкостью) называют способность стекла выдерживать, не разру­шаясь, резкие изменения температуры. Термическая устойчивость играет существенную роль для стекол, которые используются в ус­ловиях резкой смены температуры.

Наибольшей термостойкостью обладает кварцевое стекло, оно выдерживает резкий перепад температур до 1000° С. Термостой­кость оконных стекол составляет 80—90° С.

Термостойкость стекла зависит от упругости, прочности на ра­стяжение, теплопроводности, теплоемкости и главным образом от коэффициента термического расширения: чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем ниже его термостойкость, и, наоборот, чем меньше коэффициент термического расширения, тем больше термостойкость.

Когда стекло охлаждается, его наружные слои стремятся умень­шиться в объеме. Этому препятствуют внутренние слои, остываю­щие медленно из-за малой теплопроводности стекла. Образующие­ся напряжения между наружными и внутренними слоями приводят к разрушению стекла. Те же процессы протекают и при резком на­гревании стекла. Разница заключается в том, что при охлаждении в стекле образуются напряжения растяжения, а при нагрева­нии — напряжения сжатия. Следовательно, чем выше коэффи­циент термического расширения стекла, тем больше величина обра­зующихся в стекле напряжений и тем меньше его термостойкость. Из этого также вытекает, что стекло лучше переносит резкое нагре­вание, чем охлаждение, так как при нагревании в нем образуются напряжения сжатия, а при охлаждении — растяжения. А стекло работает на сжатие в 15—20 раз лучше, чем на растяжение.

Химический состав стекла во многом определяет его термостой­кость: окислы, повышающие коэффициент термического расшире­ния стекла, понижают его термостойкость, и наоборот.

Оптические свойства.

Под оптическими свойствами стекла под­разумевают его светопрозрачность, светопоглощение, отражение и преломление света.

При падении пучка света на поверхность прозрачного тела часть света отражается, а часть проходит через него, преломляясь. Но если сложить свет, отраженный и преломленный, то не получится количества света, которое падает на стекло, — небольшая часть света поглощается стеклом.. Поглощение света обусловлено при­сутствием в стекле соединений-красителей, вызывающих избира­тельное поглощение, т. е. поглощение лучей только с определенной длиной волны. Так, из-за наличия в стекле, в том числе и оконном, соединений железа оно имеет зеленоватый оттенок.

Светопоглощение понижает общую светопрозрачность стекла (светопрозрачность оконного стекла составляет примерно 88%), поэтому для получения стекол с высокой степенью прозрачности необходимо свести к минимуму содержание нежелательных приме­сей в сырьевых материалах.

Химическая стойкость.

Химической стойкостью называется способность стекла противостоять разрушающему действию воды, растворов солей, влаги и газов атмосферы.

Стойкость стекла к действию щелочей называется щелочестойкостью, к действию кислот — кислотостойкостью.

Химическую стойкость стекла определяют по разности массы образца до и после испытания. Для испытания приготовляют порошок из стекла или массивный образец стекла, взвешивают его и затем кипятят в агрессивной среде, чаще всего в растворах NaОН, Na₂СОз, НС1 и дистиллированной воде. После опыта образец высу­шивают и взвешивают на аналитических весах. "Потеря в массе стекла и характеризует его химическую стойкость.

Химическую стойкость определяют также титрованием кислотой (НС1) раствора, в котором было обработано испытуемое стекло. В этом случае химическая стойкость характеризуется количеством кислоты, затраченной на титрование: чем больше израсходовано кислоты на титрование, тем меньше химическая стойкость стекла.

Щелочестойкость оконного стекла определяют по потере массы с 1 дм² пластины стекла при обработке ее в кипящем однонормальном растворе углекислого натрия в течение 3 ч. Потеря при этом не должна превышать 38 мг с 1 дм² поверхности.

В зависимости от способности стекол противостоять разрушаю­щему действию воды и других агрессивных растворов их подраз­деляют на гидролитические классы, которые определяются количе­ством НС1, пошедшим на титрование.

 

Гидролитические классы (расход НС1, мл):

            I — не изменяемые водой стекла                0—0,32

           II — устойчивые стекла                                 0,32—0,65

          III — твердые аппаратные стекла                0,65—2,8

          IV — мягкие аппаратные стекла                    2,8—6,5

           V — неудовлетворительные стекла           6,5 и больше

Наибольшую химическую стойкость имеет кварцевое стекло, оно относится к I гидролитическому классу, химико-лабораторные стекла, как правило, ко II. Большинство промышленных стекол принадлежит к самому обширному — III гидролитическому классу, а наиболее устойчивые из них — оконное и полированное — к пер­вой половине этого класса.              

Химическая стойкость силикатных стекол в основном зависит от химического состава и определяется содержанием в них кремнезе­ма. SiO₂ значительно увеличивает химическую стойкость стекла, Щелочные же окислы, как правило, понижают ее. Другие компо­ненты стекла ведут себя по-разному по отношению к различным реагентам. Поэтому при подборе химических составов стекол руко­водствуются тем, в каких условиях они будут использоваться.

 

Производство стекла

Сырьевые материалы.

Смесь, или шихта, из которой приготавливается стекло, содержит некоторые главные материалы: кремнезем (песок) почти всегда; соду (оксид натрия) и известь (оксид кальция) обычно; часто поташ, оксид свинца, борный ангидрид и другие соединения. Шихта также содержит стеклянные осколки, остающиеся от предыдущей варки, и, в зависимости от обстоятельств, окислители, обесцвечиватели и красители либо глушители. После того как эти материалы тщательно перемешаны друг с другом в требуемых соотношениях, расплавлены при высокой температуре, а расплав охлажден достаточно быстро, чтобы воспрепятствовать образованию кристаллического вещества, получается целевой материал — стекло.

Хотя песок внешне не похож на стекло, большинство распространенных стекол содержат от 60 до 80 мас.% песка, и этот материал как бы образует остов, относительно которого протекает процесс стеклообразования. Стеклообразующий песок — это кварц, наиболее распространенная форма кремнезема. Он подобен песку с морского пляжа, из которого, однако, удалено большинство посторонних примесей. Оксид натрия Na₂O обычно вводится в шихту в виде кальцинированной соды (карбоната натрия), однако иногда используется бикарбонат или нитрат натрия. Все эти соединения натрия разлагаются до Na₂O при высоких температурах. Калий применяется в форме карбоната или нитрата. Известь добавляется в виде карбоната кальция (известняка, кальцита, осажденной извести) либо иногда в виде негашеной (CaO) или гашеной (Ca(OH)₂) извести. Главные источники монооксида бора для производства стекла — бура и борный ангидрид. Оксид свинца обычно вводится в шихту в виде свинцового сурика или свинцового глета.

Сырьевые материалы подразделяют на основные (кремнеземные, щелочные, стекольный бой), которые придают стеклу основные физико-хи­мические свойства, и вспомогательные (осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители), способствующие улучшению качества стекломас­сы, ускорению варки, окрашиванию или обесцвечиванию стекла.

Огнеупорные материалы.

Огнеупорные материалы (огнеупоры) применяют для кладки стекловаренных печей. Эти материалы выпускают в виде штучных изде­лий (кирпичей), порошков, растворов.

Топливо.

Топливо для отопления стекловаренных печей и других агрега­тов используют твердое (уголь, торф, сланец), жидкое (мазуг, керосин, бензин, дизельное топливо, соляровое масло), газообразное (природный газ, попутный нефтепромысловый, генераторный, коксовый).

Конструкционные материалы.

Конструкционные материалы применяют для изготовления форм, приспособлений, различных установок. В качестве конструкцион­ных материалов используют металлы (чугун, сталь, медь, алюминий, брон­зу), пластмассы (полиэтилен, поливинилхлорид, винипласт, полистирол, фторопласт, текстолит).

Абразивные материалы.

Абразивные материалы (кварц, корунд, алмаз, электрокорунд, карбид кремния, синтетические алмазы, карбид бора) служат для шли­фования и полирования стекла.

Смазочные материалы.

Смазочные материалы (минеральные масла и консистентные смазки) применяют для смазывания стеклоформующих машин, форм, конвейеров.