1. Стекло
Стекло — один из прекраснейших материалов, изобретенных еще 3000 лет до нашей эры. Несмотря на «солидный возраст», оно до сих пор честно служит людям, с каждым годом, открывающим в нем новые качества. Стекло — это красивые дома и сверхпрочные материалы, художественные изделия и ткани. Это один из материалов, которым никогда не перестанут любоваться люди. Оно незаменимо в быту и лабораторной практике. О стекле написано сотни книг, проведены и проводятся научные исследования, но до сих пор нет точного определения термина «стекло».
Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, и обладающие механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.
В стекловидном состоянии могут находиться вещества, как естественного происхождения, так и полученные искусственно. К естественным стеклам относятся: вулканическая магма, пемза, смолы. Искусственные неорганические стекла — переохлажденные расплавы, в состав которых входят окиси кремния, бора, фосфора, щелочных и щелочноземельных металлов.
Исходными материалами для получения искусственной стекольной массы являются кварцевый песок, кальцинированная сода, поташ, сульфат натрия, мел и известняк, карбонат магния, доломит, карбонат бария, натриевая и калиевая селитры. В некоторые сорта стекол вводят окись алюминия, окись свинца и окислы других металлов.
Основным компонентом стекла является двуокись кремния — кремнезем, температура плавления которого равна 1728°С. Содержание окиси кремния в стекле составляет 50—85%, а в кварцевом стекле 98,8—99,9%. Содержание других компонентов, входящих в состав стекол, приведено в таблицах 1 и 2.
Цветные стекла получают, вводя в шихту окислы или другие соединения разных элементов, например для окраски стекла в синий цвет вводят соединения кобальта, в зеленый — окись хрома, в фиолетовый — соединения марганца, в рубиновый—закись меди или металлическое золото.
| Тип, марка стекла | Si02 | А1203 | в2о3 | СаО | MgO | РЬО | ВаО | Zr02 | ZnO | Na20 | К20 | Fe203 |
| Тюрингенское | 68,74 | 3-4 | 6,2-8 | _ | _ | _ | _ | ___ | 12-18 | 0-8,5 | _ | |
| Унихост | 68,9 | 3,9 | — | 5,5 | 2,9 | — | — | — | — | 17,8 | 1,3 | — |
| АН | 70,7 | 4,2 | 2,3 | 7,0 | — | — | — | — | — | 13,9 | 1,9 | — |
| Х8 | 69,2 | 3,5 | 1,2 | 5,8 | 3,6 | — | — | — | — | 16,0 | 0,9 | — |
| Мурано X | 67,0 | 6,7 | 3,0 | 4,3 | — | — | _ | ___ | — | 19.0 | — | — |
| Содоизвестковое | 71,0 | 0,85 | — | 7.7 | 3,8 | — | 0,5 | — | — | 15,5 | — | |
| Сиал | 75,0 | 6 | 7 | 1,7 | — | — | 4,3 | — | — | 6,5 | — | |
| Симакс | 79,0 | 3 | 11,9 | — | — | — | — | — | — | 5,5 | — | |
| Палекс | 70,84 | 4,48 | 6,31 | 4,17 | 2,02 | — | ____ | — | 2,62 | 8,37 | 0,99 | 0,36 |
| Лабораторное | 69,0 | 4,90 | 4,3 | 4,50 | — | — | 3,5 | — | 5,5 | 8,6 | — | — |
| Ветхайм ам Майн | 69,25 | 5,96 | 8,56 | 0,99 | 0,45 | — | 3,63 | — | ----- | 8.57 | 2,25 | 0,33 |
| 1447 Ш | 64.3-64,7 | 4-7 | 8,7-12,0 | 0,1-0,6 | — | — | — | — | 10-12 | 7-9,7 | — | — |
| G20 | 74,7-75,7 | 4,3-6,2 | 7,0-8,7 | 0,75-1 | — | — | 3,5-4,2 | — | — | 6,5-7,5 | — | 0,1-0,3 |
| 52 | 76,6 | 3 | 6 | — | — | — | 3 | 3 | — | 8 | — | — |
| Корнпнг | 80,0 | 2,71 | 11,31 | 0,76 | — | — | — | — | — | 4,74 | 0,35 | — |
| Совирель | 80,0 | 2,25 | 13,0 | — | — | — | — | — | — | 3,50 | 1,15 | 0,05 |
| Разотерм | 78,25 | 2,74 | 12,18 | 0,85 | — | — | — | — | — | 5,39 | 0,41 | — |
| Дюран 50 | 79,69 | 3,10 | 10,29 | 0,77 | 0,87 | — | — | — | — | 5,20 | — | — |
| Гнзиль | 80,6 | 2,70 | 12,20 | 0,12 | — | — | — | — | — | 4,15 | — | — |
| -Монакс | 74,66 | 3,89 | 13,44 | 0,75 | 0,49 | — | — | — | — | 5,89 | 0,79 | — |
Варят стекло в специальных печах при высоких температурах. Во время варки стекла происходят сложные химические и физические процессы, в результате которых шихта, претерпевая ряд изменений, превращается в осветленную и однородную стекломассу.
Процесс стеклообразования начинается при достижении 1200— 1240°С. В заводских условиях стекло варят при 1400—1450°С; осветление стекломассы происходит при 1500 °С. Особые сорта стекла варят при еще более высокой температуре.
2. Физические свойства
Физические свойства стекла зависят от его химического состава, условий варки и последующей обработки. Стекло не имеет определенной точки плавления. Оно переходит в жидкое состояние постепенно, становясь мягче при повышении температуры.
Часто применяют термин «температура размягчения» стекла. По-видимому, эта температура лежит выше температуры отжига стекла, но сама по себе эта величина довольно неопределенна.
Важнейшими свойствами стекла, определяющими условия его варки и дальнейшей обработки, являются вязкость и поверхностное натяжение.
Вязкость. Свойство жидкостей оказывать сопротивление их течению—перемещению одного слоя относительно другого — под действием внешних сил называют вязкостью и обозначают г). Таким образом, вязкость характеризует внутреннее трение, поэтому это свойство часто называют внутренним трением. Вязкость — понятие, обратное текучести. Количественно эту величину выражают силой, действующей на единицу площади соприкосновения двух слоев, которая достаточна для поддержания определенной скорости перемещения одного слоя относительно другого. В системе измерения СГС вязкость измеряется в пуазах; пуазы принято обозначать П: 1 пуаз = 1 дина-секунда/сантиметр = 100 сантипуаз = 10е микропуаз или 1П= 1 дн-с/см = = I г/ = 102 сП = 106 мкП. В единицах измерения СИ вязкость выражается в паскаль-секунда: 1П = 0,1 Па-с.
Вячкость стекла в обычных условиях равна Ю13—10ls П При нагревании вязкость стекла уменьшается, оно делается более мягким и тягучим, так что его можно формовать, подвергать тепловой обработке.
Обрабатывать на пламени стеклодувных горелок можно только размягченное стекло, вязкость которого лежит в интервале от 103 до 10* П. Механическое формование стекла производят при температуре 800—1100 °С и вязкости 104—4 -103 П.
При остывании стекло вновь твердеет. Температура, при которой вязкость стекла достигает 1013П, называется температурой стеклования.
Кривая изменения вязкости с уменьшением температуры должна быть относительно пологой, т. е. вязкость не должна изменяться слишком резко. В зависимости от вида кривой «вязкость — температура» стекла делят на «длинные» и «короткие». К «длинным» стеклам относятся сравнительно легкоплавкие стекла — свинцовые, № 23, молибденовые и др.; к «коротким» — стекла типа «пирекс». Самым «коротким» стеклом является кварцевое.
При быстром изменении температуры в стекле возникают неравномерные внутренние напряжения. Такое стекло очень непрочно и легко растрескивается. Напряжения в стекле снимают путем отжига. Для этого изделия помещают в печь в зону с температурой на 20—30 С ниже температуры стеклования, выдерживают при этой температуре некоторое время, а затем медленно охлаждают. Естественно, чем меньше вязкость стекла, тем меньше нужно его нагревать, чтобы снять внутренние напряжения.
Поверхностное натяжение. Поверхность любой жидкости, а следовательно и расплавленной стекломассы, всегда стремится сократиться за счет сил, которые называют силами поверхностного натяжения. Чтобы увеличить поверхность, требуется затратить работу. Размер этой работы, отнесенный к единице поверхности, называют поверхностным натяжением и обозначают о. В системе единиц СГС эту величину измеряют в динах на сантиметр, в СИ — в ньютонах на метр; 1 дин/см = = 1 ■ Ю-3 Н/м. Поверхностное натяжение стекла равно 220— —380 дин/см и зависит от его химического состава. При введении в состав стекла окисей алюминия и магния его поверхностное натяжение увеличивается, а при введении окисей калия, натрия, бария и фосфора — снижается. Поверхностное натяжение уменьшается при повышении температуры.
Чем больше поверхностное натяжение стекла, тем труднее его обрабатывать и тем сильнее приходится нагревать его стеклодуву при обработке.
3. Механические свойства
Плотность. Плотность определяется отношением массы тела к его объему. В системе единиц СГС ее измеряют в граммах па кубический сантиметр, в СИ — в килограммах на кубический метр: 1 г/см3 = 1-Ю3 кг/м3. Плотность стекла з, при котором тела теряют способность быть упругими.
Потеря упругости у разных материалов проявляется по-разному: одни после снятия усилия остаются деформированными; другие при достижении предела упругости разрушаются. Первые материалы называются пластичными, вторые — хрупкими. Стекла относятся ко второй группе материалов.
Хрупкость. Хрупкость — состояние материла, в котором под действием внешних сил материал совсем не проявляет остаточной деформации и разрушается. Большая хрупкость стекла весьма ограничивает его применение. Хрупкость увеличивается, если стекло неоднородно по составу или толщине, если в нем имеются вкрапления инородных тел, пузырьков воздуха, если поверхность его поцарапана.
Материал можно вывести из хрупкого состояния, изменив внешние условия. Например, хрупкое при обычных условиях стекло становится пластичным при нагревании. Другие материалы будучи пластичными при обычных условиях, становятся хрупкими при понижении температуры. Так, резина при охлаждении становится хрупкой и легко разбивается. Таким образом, одни и те же материалы при разных условиях могут находиться или в хрупком, или в пластичном состоянии. Этим пользуются при формовке и обработке стекла, при изготовлении из него разных деталей и приборов. Различные сорта стекла при этом требуется нагреть до разной температуры.