Петрова Непрод товары

РАЗДЕЛ 8. ТОВАРОВЕДЕНИЕ И ЭКСПЕРТИЗА СИЛИКАТНЫХ ТОВАРОВ

Тема 8.1. Стекло и изделия из стекла

План

1.Классификация и свойства стекол.

2.Состав и структура стекла.

3.Основы производства стеклянных изделий

4.Характеристика ассортимента изделий из стекла.

1. Классификация и свойства стекол

Стекло – твердое аморфное вещество, способное после нагревания до вязкотекучего состояния снова превращаться при определенном режиме охлаждения в твердое вещество. Стекла получают путем переохлаждения расплава независимо от их состава и температурной области затвердева- ния. Они обладают в результате постепенного увеличения вязкости меха- ническими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

По происхождению стекла подразделяют на природные и искусст- венные. К природным относят стекла, образованные в процессе деятельно- сти вулканов при извержении магмы, например, обсидиановое стекло. К искусственным относят стекла, создаваемые в процессе производства из многокомпонентной смеси.

Искусственные стекла по составу бывают органические и неорга-

нические. Органические стекла получают на основе продуктов органиче- ского происхождения, в основном смол. Они представляют собой органи- ческие полимеры – полиакрилаты, поликарбонаты, полистирол, сополиме- ры винилхлорида с метилметакрилатом – находящимися в стеклообразном состоянии. Наибольшее практическое применение нашли стекла на основе полиметилметакрилата. Подавляющее большинство искусственных про- мышленных стекол относятся к неорганическим.

390

По типу неорганических соединений различают следующие классы стекол: элементарные, галогенидные, халькогенидные, оксидные, металли- ческие, сульфатные, нитратные, карбонатные и др.

Промышленные стекла по назначению подразделяются на строи-

тельное, техническое, электровакуумное, оптическое, тарное, химико- лабораторное, безопасное, сортовое и другие.

В группу строительное стекло входят: листовое оконное и витрин- ное (полированное и неполированное); листовое армированное и узорча- тое; конструктивно-строительные элементы (пустотелые стеклянные бло- ки, профилированное стекло); архитектурно-художественное стекло (лис- товое цветное стекло, стеклянная мозаика и облицовочная плитка). Элек- тровакуумное стекло применяют для изготовления оболочек ламп накали- вания, люминесцентных ламп, ламп высокоинтенсивных источников света

– кварцевых и галогенных, телевизионных кинескопов, электронно- лучевых трубок, различных устройств рентгеновской техники, оболочек радиоэлектронных ламп, межслойной изоляции гибридных интегральных электронных схем, компонентов резисторов, конденсаторов.

Технические стекла – предназначены для изменения интенсивности, характера спектра и направления проходящих через них световых потоков. К светотехническим относятся стекла, работающие в диапазоне электро- магнитных волн, охватывающем ультрафиолетовую, видимую и инфра- красную области. В соответствии с назначением выделяют следующие группы технических стекол: рассеивающие, призматические, стекла с из- бирательным поглощением.

Тарное стекло – предназначено для расфасовки, хранения, транспор- тирования продуктов различной консистенции.

Химико-лабораторное стекло, из него изготовляют колбы, пипетки, дистилляционные колонки. Применение стекла обеспечивает высокую сте- пень чистоты продуктов, легкость очистки и прозрачность, которая позво- ляет наблюдать за ходом процесса.

391

Особую группу составляют цирконий-содержащие стекла, термомет- рическое стекло, медицинское стекло, водомерные стекла, стеклянные фильтры.

Безопасное стекло – это стекла, при разрушении не дающие острых разлетающихся осколков. К ним относят безосколочное трехслойное стекло - триплекс, армированное стекло и закаленное стекло.

Специальное стекло. К таким материалам следует отнести лазерные, фото- и полихромные стекла, стекла для стекловолоконной оптики, метал- лические стекла.

Сортовое стекло – к нему относят обширный класс стеклоизделий, вырабатываемых из хрустальных, бесцветных и окрашенных стекол мето- дами ручного и механизированного выдувания и прессования. Они служат для употребления в быту, хранения жидких пищевых продуктов, украше- ния жилица. Сортовые стеклоизделия должны отличаться высоким качест- вом стекла. По основным признакам изделия из сортового стекла класси- фицируют следующим образом: по назначению: столовая посуда, посуда для вина и напитков, художественно-декоративные изделия; по способу выработки (выдувные, прессовыдувные, прессованные, полученные мето- дом свободного выдувания, скульптура); по виду стекла: бесцветные, хру- стальные, цветные.

Свойства стекла

Физические свойства стекла – плотность, прозрачность, преломле- ние и отражение света, теплопроводность, термическая устойчивость, твердость, прочность, электропроводность и др.

Самое важное свойство стекол – прозрачность в диапазоне длин волн видимого света. Оно определяется как отношение количества про- шедших через стекло лучей ко всему световому потоку. Прозрачность большинства стекол 84–90 %; молочного стекла, толщиной 10 мм – от 12

392

до 51 %. Зависит прозрачность от толщины стекла, характера обработки поверхности, наличия примесей (особенно железа).

Плотность стекла зависит от его состава и характера термической обработки. Обычные стекла имеют плотность 2,5 г/см3, хрустальные – 3 г/см3 и выше.

Преломление стекла – это изменение направления распространения излучения при переходе через поверхность раздела стекло– воздух. Показа- тель преломления, т.е. отношение синуса угла падения к синусу угла пре- ломления для воздуха – 1,0, для обыкновенного стекла – 1,5; для стекол с содержанием оксидов свинца – до 1,9. Показатель преломления стекол можно варьировать добавками (например, стекло сорта флинт с оксидом свинца).

Отражение света имеет значение для изделий, украшенных гране- нием. Гладкая поверхность стекла создает впечатление зеркального отра- женного света. От шероховатой поверхности световой поток рассеивается во все стороны, и поверхность воспринимается как матовая. Чем выше по- казатель преломления, тем выше коэффициент отражения. Для получения большего блеска стекла производят заточку граней под определенным уг- лом: для обыкновенного стекла – 100 0, для хрустального – 120 0.

Теплопроводность, т.е. способность проводить тепло, у стекла неве- лика – в 600 раз меньше, чем у серебра, и в 400 раз меньше, чем у меди. Коэффициент теплопроводности стекол равен 0,34 - 0,96 Вт/м.град.

Термическая устойчивость стекол зависит от ряда свойств – коэф- фициента термического расширения, теплопроводности, толщины и соста- ва стекла, формы и размеров изделия, характера поверхности, наличия де- фектов и др. В результате специальных обработок (полировки, титаниза- ции, закалки, обработки литьем и др.) термическая стойкость стекла может быть увеличена в несколько раз.

393

Твердость – это способность стекла сопротивляться царапинам, про- никновению в него другого тела. Отожженное стекло обладает большей твердостью. По шкале Мооса твердость стекол колеблется от 4,5 до 7,0.

Хрупкость – это способность стекла сопротивляться ударам. Стекло не способно к пластической деформации и поэтому является хрупким те- лом. Хрупкость зависит от химического состава, наименьшей хрупкостью обладают боросвинцовые стекла. При плохом отжиге, неоднородности строения, хрупкость увеличивается, изделия с выступающими деталями, углами также отличаются хрупкостью.

Электроизоляционные свойства стекла используют для создания изоляционных материалов. Стекло является изолятором электрического тока, хотя некоторая проводимость и возможна благодаря диффузии ио- нов. Проводимость быстро увеличивается с ростом температуры. Расплав- ленное стекло хорошо проводит ток, на этом основана его электроварка.

Химическая устойчивость стекла характеризуется высокой сопро- тивляемостью воздействию водных растворов, атмосферы, агрессивных сред.

2. Состав и структура стекла

Стекло принадлежит к классу неорганических материалов, находя- щихся в состоянии, промежуточном между жидким и твердым.

Химический состав стекла различен в зависимости от требований, предъявляемых к свойствам стеклоизделий, от условий эксплуатации, а также способа выработки. Главной стеклообразующей частью большинст- ва стекол является кремнезем (SiO2), который вводят в состав стекла с пес- ком или кварцем. Состав оксидов, образующих стекла, ограничен главным образом оксидами, обладающими кислотными свойствами:, B2O3, P2O5, ок- сиды мышьяка и германия, а кроме того, и вещества, не являющиеся окси- дами, например, сера, селен и флюорид свинца, также могут образовывать стекла. Кроме стеклообразователей имеется ряд оксидов, которые входят в

394

состав стекла. Они называются модификаторами сетки (каркаса) стекла. К ним относятся основные оксиды щелочных и щелочноземельных металлов - Na2O, K2O, MgO, CaO. К третьей категории веществ относятся некоторые оксиды, которые в чистом виде не могут образовать каркаса стекла, но мо- гут включаться в состав уже существующей сетки. Это – промежуточные оксиды. Примерами служат глинозем и оксид бериллия.

Стекла представляют собой сложные системы, состоящие не менее чем из пяти окислов. Названия стекол зависят от содержания в них тех или иных окислов: натриево-известковые, калиево-известковые, фосфатные, боратные, калиево-свинцовые (хрустальные) и др.

Структура стекла. Стекло является изотропным материалом, так как по всем направлениям в среднем имеет однородные структуру и свой- ства. Однако само строение стекла, т.е. внутреннее расположение его час- тиц окончательно не определено. Это связано с тем, что разные стека име- ют различное строение, наблюдаются различия даже в строении основной массы стека и поверхностного его слоя, и кроме того, на строение стека влияет технологический процесс и другие факторы. Предложено несколько теорий строения стекла: кристаллитная; ионная; агрегативная.

По кристаллитной теории стекло состоит из кристаллитов. Кристал- литы - это мельчайшие, очень деформированные структурные образова- ния. Кристаллитная теория позволила объяснить изменение коэффициен- тов термического расширения стекла, показателей преломления свет при различных температурах.

Согласно ионной теории стекло представляет собой непрерывную сетку с ионами или их группами в определенных положениях, но в отли- чии от настоящих кристаллов эта сетка не имеет симметрии и определен- ной периодичности. На основании этой теории можно объяснить измене- ние цвета при введении красителей в стекло.

Агрегативная теория строения стекла исходит из того, что в стекле всегда существует усложненные группировки – агрегаты молекул. При на-

395

гревании происходит распад этих группировок, при охлаждении сложность агрегатов и их число растут. При быстром охлаждении стекломассы вяз- кость возрастает, атомы не успевают занять нужное положение, возникает неуравновешенное состояние стекла, которое устраняется отжигом.

3. Основы производства стеклянных изделий

Производство стеклянных изделий состоит из трех основных этапов: получение стекломассы; формирование изделий; обработка изделий.

Получение стекломассы

Сырьевые материалы делят на главные или стеклообразующие и вспомогательные.

К главным, стеклообразующим материалам относятся вещества, с

помощью которых в стекломассу вводят кислотные, щелочные и щелочно- земельные окислы, обеспечивающие получение изделий с необходимыми физическими и химическими свойствами. К ним относятся кварцевый пе- сок, борная кислота или бура, полевой шпат, каолин, сода и сульфат на- трия, поташ, известняк и мел, доломит, сурик, окиси цинка, алюминия, магния, кальция и бария, нефелин, стеклянный бой и другие соединения. Кварцевый песок служит основным сырьем для введения в состав стекла кремнезема, которого в нем содержится от 60 до 75 %. Лучшим считается песок без примесей окрашивающих окислов, в том числе окислов железа, титана, хрома. Наиболее вредными примесями являются соединения желе- за, которые придают стеклу желтовато-зеленоватую окраску, что резко снижается светопропускание и ухудшает внешний вид готовых изделий.

Борная кислота или бура необходимы для введения в стекло борного ангидрида, образующегося после разложения при высокой температуре. Он понижает коэффициент расширения, химическую и термическую ус- тойчивость и прочность изделий.

Полевой шпат – исходное сырье для введения в состав стекла глино- зема (Al2O3). Для этой цели используют также каолин, являющийся про-

396

дуктом разложения полевого шпата. Он замедляет скорость варки, но спо- собствует осветлению стекломассы, повышает термическую и химическую стойкость, механическую прочность и твердость, снижает коэффициент термического расширения стекла.

Сода служит для введения в состав стекла окиси натрия. Недостаток соды – большое содержание вредных примесей хлористого и сернокислого натрия, окиси железа. С аналогичной целью чаще применяют сульфат на- трия как более дешевое и менее дефицитное сырье по сравнению с содой.

Поташ – основное вещество для введения в состав стекла окиси ка- лия. Окись калия придает изделиям блеск, прозрачность, уменьшает спо- собность к кристаллизации.

Известняк и мел применяют для введения окиси кальция, которая придет стеклу химическую устойчивость и способствует осветлению и ус- корению варки стекломассы.

Окись магния снижает термическое расширение стекла и уменьшает способность к кристаллизации, а также повышает его вязкость, прочность и химическую устойчивость.

Цинковые белила служат для введения в стекло окиси цинка, кото- рый повышает химическую и термическую стойкость стекла, а также прочность при сжатии и растяжении. Изделия, содержащие окись цинка, сильно преломляют лучи света, отличаются повышенным блеском и про- зрачностью.

Сурик используют при производстве ценных хрустальных изделий и оптического стекла с высокой плотностью, характерным блеском и игрой света.

Изделия с окисью свинца легко поддаются гранению, хорошо шли- фуются, полируются, сильно преломляют лучи света, имеют пониженную химическую устойчивость, поглощают рентгеновские лучи. Недостаток свинцового хрусталя – высокая чувствительность к окислительно-

397

восстановительным условиям варки. Этого недостатка лишен бариевый хрусталь, практически не отличающийся от свинцового хрусталя.

Стекольный бой способствует ускорению процесса варки стекломас- сы. Химический состав боя должен соответствовать составу основной шихты, т.к. разный состав приводит к изменению процесса варки стекло- массы. В состав стекломассы вводят от 15 до 30 % стекольного боя.

Основными вспомогательными материалами являются красители,

глушители, обесцвечиватели, осветлители, окислители, восстановители и ускорители варки стекломассы.

Красители вводят в шихту для придания стеклу определенного цвета. К молекулярным красителям (их большинство) относятся, как правило, окислы тяжелых и редкоземельных металлов (Co, Ni, Mn, Cu, Cr) Закись кобальта придает стеклу синий цвет (0,1-0,5 %) или фиолетово-синий с красноватым оттенком (более 0,5 %). При совместном введении соедине- ний кобальта и перекиси марганца получают стекла пурпурного, фиолето- вого и черного цветов. Перекись марганца окрашивает калиево-кальцевые стекла в красновато-фиолетовый цвет, а натриево-кальцевые – в фиолето- вый или в красновато-фиолетовый цвет. Окись меди придает стеклу голу- бой (1–2 %) или зеленый цвет, а окись хрома – зеленый. Стекло желтого цвета может быть получено при введении в стекломассу сернистого кад- мия, сернистого железа, окиси урана. Закись железа окрашивает стекло в сине-зеленый цвет, окись железа – в желтый, а при совместном действии – зеленый цвет. Белый цвет придает двуокись олова; черный цвет – окись марганца (12–13 %) и сульфаты железа.

Коллоидно-дисперные красители окрашивают стекло после тепловой обработки (наводки). К таким красителям относятся золото, серебро, медь, селен, сурьма, а также сульфиды свинца, железа, меди, кадмия, селена и др. Их применяют для получения рубиново-красного стекла. Золотой ру- бин, например, получают при добавлении в стекломассу 0,02 % хлорного золота и двуокиси олова. При использовании сульфидов цинка, изменяя

398

соотношение компонентов можно получать стекла от прозрачных до пол- ностью заглушенных, от светло-зеленых, серых, сиреневых, бирюзовых, голубых оттенков до почти черных тонов.

Глушители вводят в шихту для придания стеклу молочно-белого цвета, а также для устранения его прозрачности и увеличения рассеиваю- щей способности. Такие стекла называются глушенными. В качестве глу- шителей применяют фосфорнокислые соли кальция, костяную муку, тальк.

Обесцвечиватели устраняют либо ослабляют нежелательный цвет или оттенок. Различают химическое и физическое обесцвечивание. При химическом обесцвечивании в шихту вводят вещества (селитра, трехокись мышьяка, двуокись церия и др.), выделяющие при разложении большое количество атомного кислорода. При физическом обесцвечивании подби- рают краситель, нейтрализующий окраску стекла закисью железа, напри- мер, перекись марганца, селен, закись никеля, и др.

Осветлители вводят в шихту, чтобы освободить стекломассы от раз- личных включений газа и воздуха, а также окислить закись железа до оки- си. К ним относятся вещества, которые при разложении выделяют большое количество газа, способствующего перемешиванию стекломассы и объе- динению мелких разрозненных пузырьков в крупные (трехокись мышьяка, селитру, сульфат натрия, аммониевые соли и др.)

Окислители и восстановители используют для создания и поддержа- ния соответствующей среды при варке стекломассы, для окисления закиси железа.

Подготовленные соответствующим образом сырьевые материалы взвешивают на автоматических весах и тщательно перемешивают по опре- деленной рецептуре для получения однородной по составу порошкообраз- ной смеси – шихты.

Весь процесс варки стекломассы можно разделить на основные эта- пы: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизация и охлаждение стекломассы до рабочей вязкости.

399