Надо Знать![]() |
Источники ВведениеСтекло (неорганическое стекло) - твердая аморфное вещество, прозрачная, в той или иной части оптического диапазона (в зависимости от состава), полученная во время застывания расплава, имеющего склотвирни компоненты [1]. Склотвирний компонент - вещество ( оксид, сульфид, селенид, телерадио или фторид элемента), которая в процессе застывания расплавленной массы образует стекло [1]. Под стеклом понимают сплавы различных силикатов с избытком диоксида кремния. Расплавленное стекло не сразу затвердевает при охлаждении, а постепенно увеличивает свою вязкость, пока не превратится в однородную твердое вещество. Стекло при твердении не кристаллизуется, поэтому оно не имеет резко выраженного точки плавления. В отличие от кристаллических материалов стекло, при нагревании в соответствующем температурном интервале размягчается постепенно, переходя из твердого хрупкого состояния в тягучий высоковязкий и далее - в текучее состояние - стекломассу [2]. 1. Происхождение и применениеВ природе стекло встречается в составе вулканических пород, которые быстро остыли из жидкой магмы при взаимодействии с холодным воздухом или водой. Иногда стекло встречается в составе метеоритов, расплавленных при прохождении атмосферы. Когда установили идентичность строения, состава и свойств обычного силикатного стекла ряде минералов, последние стали квалифицироваться как разновидности его природные аналоги, получая названия в соответствии с условиями формирования: вулканическое стекло ( пемза, обсидианы, Пехштейн и др.)., стекло метеоритного происхождения - тектитами ( молдавит, леветь и др.).. Стекло, используемое в промышленных масштабах - материал искусственного происхождения, которому свойственны следующие основные характеристики, как прозрачность, твердость, химическая стойкость, термостойкость. Кроме того, стекло имеет свойства, которые обуславливаются его прозрачностью, электрическими и термомеханическими параметрами. Благодаря этому стекло широко используется почти во всех областях техники, медицине, в научных исследованиях и в быту. 2. Историческая справкаПо обще составленной исторической мыслью технологии изготовления стекла впервые начали использовать около 2500-3000 г.г. до н.э. в Междуречье и Египте, так глазированные стеклом фаянсовые украшения, возраст которых насчитывает пять тысяч лет, находили именно там. Археология Междуречья, особенно периода Древних Шумера и Аккада, склоняет исследователей к тому, что менее старинному образцу производства стекла следует считать место, найденную в Междуречье в районе Ашнунак - цилиндрическую печать из прозрачного стекла, датируемая периодом династий аккадского государства, то есть возраст ее - около четырех с половиной тысяч лет. Бусина зеленоватого цвета диаметром около 9 мм, который хранится в Египетском музее в Берлине, считается одним из древнейших образцов стекла. Найдено она была египтологом Флиндерсом Питри у Фив, за некоторыми допущениями ей пять с половиной тысяч лет. Ученый Н. Качалов утверждает, что на территории Старовавилонского царства археологи постоянно находят сосудах для благовоний местного происхождения, выполненные в той же технике, что и египетские. Ученый утверждает - есть все основания полагать, "что в Египте и в странах Передней Азии источники стеклоделия ... отделяются от наших дней промежутком примерно в шесть тысяч лет" [4]. Около 1500 лет до н.э. в Египте начали производить первые предметы домашнего обихода. Это в основном были чаши, кухонная утварь и бутылки. Центрами производства стеклянных изделий были столице Египта, сначала Фивы, а затем Александрия. Из Египта стеклоделие проникло на территорию современной Италии (I в. до н.э.). Рим в I в. н.э. становится значительным центром производства стекла. Здесь основано несколько стекольных мастерских и привлечено значительное количество египетских стеклоделов. Масштабы производства были настолько велики, что римских стеклоделов в 220 г. было обложено налогом, а их мастерские сведены в одну из главных улиц Рима. Из Рима стеклоделие распространяется в римские провинции (Великобритания, Галлия и др.), а также в III-IV вв. на северное побережье Черного моря и в Киевскую Русь [5]. Первым крупным технологическим прорывом в стекольном производстве можно считать технологию выдувания стекла, которое возникло в 100 году на территории современных Палестины и Сирии. Эта технология заключалась в захвате расплавленного стекла на конце трубки, в которую человек должен был дуть для придания формы стеклянной изделия. Основное назначение этих изделий касалось домашнего бытового использования (бутылки, вазы). Следующим по значению после Рима центром стекольного производства в IX в. становится Венеция, сильная морская держава Средиземного моря. Падение Восточной Римской империи (1204 г.) и переселение константинопольских стеклоделов в Венецию дало сильный толчок производству венецианского стекла начиная с XI века и вплоть до XVI-XVII вв. Благодаря чрезвычайной качества продукции Венеция становится в то время европейской столицей с изготовления художественного стекла. Само производство с 1291 г. было сосредоточено на острове Мурано для уменьшения риска вражеского нападения и защиты производственных секретов. Уже тогда стекловаров Венеции использовали стеклобой. До XIV века производство стекла возникло в Нормандии и Лотарингии. В настоящее время в Нормандии возникла технология изготовления плоского стекла для окон. Она заключалась в выдувании стеклянного шара, который с помощью надреза разворачивали в диск. Следующее достижения в развитии технологий стекла во Франции сделано Кольберт. Именно он основал в 1665 году "Королевскую мануфактуру стекла". Первый завод был открыт в городе Сен-Гобен в департаменте Ена, на севере Франции. В XVIII в. производство стекла постепенно перешло от индивидуального до промышленного масштаба. Уже тогда отдельные фабрики производили более миллиона бутылок в год. В числе важнейших изобретений того времени следует назвать регенеративную стекловаренную печь Сименса (1870). В отличие от горшечных печей ванные печи способны перерабатывать большие количества стекломассы. Это создало предпосылки механизации производства стекла [5]. Примерно в 1880 году у Клода Бушера, стеклодува из города Коньяк возникла идея использовать сжатый воздух для придания стеклу конечной формы, что сразу привело к росту производительности труда на 150%. Промышленная революция существенно повлияла на процесс изготовления стекла:
Следующим этапом развития в производстве листового стекла был метод машинной вытяжки стекла, разработанный Эмиль Фурко в 1902 году. При этом способе стекло вытягивается из стекловаренной печи через прокатные вальцы в виде непрерывной ленты наружу, поступая в шахту охлаждения, в верхней части которой оно режется на отдельные листы. Машинный способ производства стекла был усовершенствован в дальнейшем в первой половине двадцатого века. С современных способов следует отметить так называемый метод Либбея-Оуэнса и Питтсбургская метод [6]. Последним этапом в развитии технологий производства листового стекла было патентования в 1959 году английской компанией "Пилкингтон" ( англ. Pilkington ) Флоат-метода. При этом процессе, который можно приравнять к открытию, стекло поступает из плавильной печи в горизонтальной плоскости в виде плоской ленты через ванну с расплавленным оловом на дальнейшее охлаждение и отжиг. 3. ПолучениеПри производстве стекла используют:
По виду основных склоутворюючих материалов различают следующие классы стекол [5] : элементарные, оксидные, галогенидные, халькогенидные, металлические, сульфатные, нитратные, карбонатные и др..
Виды стекла, полученные на основе нитратных, сульфатных и карбонатных соединений представляют научный интерес, но практического применения пока нашли. Каждый склоутворюючих оксидов может образовывать стекло в сочетании с промежуточными или модифицирующими оксидами. Стекло получает название по виду склоутворюючого оксида: силикатное, боратный, фосфатный, германатне и т.д. Практическое значение имеют виды стекла простых и сложных составов, относящихся к силикатного, боратного, боросиликатного, фосфатной, германатнои, алюминатного, молибдатнои, вольфраматнои и других систем. Производство стекла состоит в подготовке (просеивании, сушке, смешивании) сырьевых материалов, плавке их в стекловаренных печах с получением стекломассы, формировании из нее (прессованием, прокаткой, выдуванием и другими способами) стекла, отжиге их (при нагревании до температуры 450 ... 600 C и постепенном охлаждении), чтобы предотвратить растрескивание, а также в механической, химической, термической или термохимической обработке. Стекло бывает прозрачным и непрозрачным, окрашенным и бесцветным. 4. Виды стеклаВ зависимости от практического использования стекла меняется химический состав стекла, форма, размеры и способ их изготовления. Современная стекольная промышленность производит самые разнообразные изделия - промышленное и бытовое листовое стекло, стеклянные трубы и изоляторы, медицинское и парфюмерное стекло, тарное и сортовое стекло, пеностекло, стекловолокно, ситаллы и прочее.
См.. также: майонезная баночка Тарное стекло занимает достаточно большую долю от общего объема продукции производят стекольные заводы. Это происходит потому, что тарное стекло используется для фасовки, хранения и транспортировки различных жидких пастообразных и твердых продуктов. Преимуществами стеклянной тары, обусловливающих широкое ее применение в различных областях промышленности и в быту: гигиеничность, прозрачность, возможность изготовления тары различных размеров и формы, возможность герметичного закрывания и многоразового использования, доступная цена.
Хрусталь - художественное стекло, которое называют так за сходство с горным хрусталем - один из самых дорогих и красивых разновидностей. Из него изготовляют разнообразную посуда, вазы, люстры, которые могут поспорить своей красотой с изощренными творениями искусства. Оптическое стекло используют для изготовления линз, призм, кювет и многое другое. Химико-лабораторное стекло обладает высокой химической и температурной устойчивость, что позволяет использовать его во время научных, порой опасных опытов. Медицинское стекло используется для хранения и упаковки лекарственных препаратов, инъекционных и бактериологических растворов, а также предметов ухода за больными. Стеклянный жаростойкую посуду ( борное стекло) признан одним из лучших для приготовления блюд. В нем можно готовить супы, каши, запеканки, тушить овощи, мясо, заваривать чай, кофе конечно же, придерживаясь определенных правил пользования. 5. Характеристики стекла5.1. Стекловидное состояниеВещества в твердом состоянии при обычных температуре и давлении могут иметь кристаллическое или аморфное строение. В природе наиболее распространены кристаллические твердые вещества, для структуры которых характерен геометрически строгий порядок расположения частиц (атомов, ионов) в трехмерном пространстве. Кристаллическое состояние является стабильным при обычных условиях и характеризуется наименьшей внутренней энергией. Твердые кристаллические вещества имеют четкие геометрические формы, определенные температуры плавления, в большинстве случаев проявляют анизотропию свойств. Стекловидное состояние вещества является аморфным видом твердого состояния. Стекловидное состояние является метастабильным, т.е. характеризуется избытком внутренней энергии. Пространственное расположение частиц вещества, находящегося в стекловидном состоянии, является неупорядоченным, что подтверждается результатами рентгеноструктурных исследований. Стекло может быть получено путем охлаждения расплавов без кристаллизации путем переохлаждения расплавов со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации. Неорганические расплавы, способные образовать стеклофазы, переходят в стеклообразное состояние при температурах ниже температуры стеклования T g (при температурах превышающих T g аморфные вещества находятся в расплавленном состоянии). Стекло может быть получено также путем аморфизации кристаллических веществ, например бомбардировкой пучком ионов, или при осаждении паров на охлаждаемые подложки. 5.2. Физико-механические свойства стекла
5.3. Электрофизические свойстваВ зависимости от состава и от температуры окружающей среды стекла могут быть изолятором ( диэлектриком), полупроводником и проводником тока. 5.3.1. ЭлектропроводностьБольшая группа оксидных видов стекла (силикатные, боратный, фосфатные и др.). Относится к классу изоляторов, что обусловлено высокими значениями ширины запрещенной зоны. При комнатной температуре удельная объемная электропроводность силикатного стекла лежит в пределах 10 -7... 10 -15 Ом -1 м -1. Установлено, что носителями тока в оксидных видах стекла является катионы щелочных или щелочноземельных металлов. Низкая электропроводность оксидного стекла обусловлена малой подвижностью катионов. Повышение температуры сопровождается снижением вязкости, увеличением подвижности носителей тока, в результате чего электропроводность возрастает на несколько порядков. Кварцевое стекло является почти идеальным изолятором среди силикатных видов стекла. Его электропроводность при комнатной температуре составляет 10 -18 Ом -1 м -1, а при 800 C 10 -4 Ом -1 м -1. В результате адсорбции влаги, а также продуктов химического взаимодействия поверхности с влагой воздуха на поверхности изделий создается электропроводящий слой. Во многих случаях этот процесс является нежелательным, поскольку негативно сказывается на изоляционных свойствах стекла. Повышение содержания в стекле оксидов щелочных металлов ускоряет реакцию гидролиза поверхностного слоя стекла. Введение в состав стекла оксидов BaO, MgO, ZnO, PbO до 10 ... 15% вместо SiO 2 или специальная обработка поверхности паром кремнийорганических соединений способствует снижению поверхностной проводимости. 5.3.2. Диэлектрические свойства стеклаСиликатные виды стекла при температурах ниже температуры стеклования (Tg) относятся к классу диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость стекла зависит от его состава, изменяясь для силикатного стекла от 3,8 (для кварцевого) до 16,2 (для стекла с высоким содержанием оксидов тяжелых металлов) и мало зависит от температуры вплоть до 400 ... 500 С. С повышением частоты поля диэлектрическая проницаемость уменьшается. Интенсивно этот эффект наблюдается в области низких частот от 0 до 10 3 Гц, в то время как в интервале 10 3... 10 10 Гц это уменьшение (при нормальной температуре) не превышает 10%. С повышением температуры диэлектрические потери интенсивно увеличиваются и, как следствие, диэлектрик разогревается. 5.3.3. Электрическая прочностьЭлектрическая прочность стекла при тепловом пробое уменьшается с увеличением толщины образца вследствие ухудшения отвода тепла от внутренних слоев изделия. В переменном электрическом поле разогрева диэлектрика осуществляется интенсивнее (прилагаются диэлектрические потери), в результате чего электрическая прочность стекла в переменном поле ниже, чем в постоянном. Тепловой механизм пробоя характерен как для диэлектриков, имеющих при обычных условиях достаточно высокое значение электропроводности. Электрическая прочность стекла при тепловом пробое составляет 10 4... 10 5 кВ м -1. 5.4. Гигиенические характеристикиСтекло не выделяет вредных веществ, не имеет запаха, обеспечивает длительное хранение продуктов, хорошо моется и дезинфицируется, легко утилизируется, имеет хорошие декоративные возможности. Кроме того стекольная промышленность обеспечена богатейшими сырьевыми ресурсами. Природные свойства стекла и его аморфность наделяют этот материал хрупкостью, но в то же самое время отсутствие кристаллической решетки предоставляет уникальную возможность использовать стекло в медицине. Стекло очень устойчиво к различным реагентам (за исключением плавиковой кислоты), а также к действиям атмосферных явлений. Очень высокие санитарно-гигиенические свойства стекла позволяют использовать его не только для приготовления пищи, но и для долгосрочного хранения продуктов - соленья, маринады, компоты, варенье, джемы, пряности и т.д.. Закупоренные в стеклянных бутылках вина хранятся много лет, даже столетия, не теряя своих свойств. Духи же изготавливают исключительно в стеклянной посуде, потому стекло нейтральное химически и энергетически, что дает возможность сохранить полный букет ароматов, заложенный производителем, а нам - воспользоваться изысканным парфюмом без каких-либо посторонних примесей. Кстати, найденные археологами ароматы в стеклянных бутылках также сохранили свои свойства, несмотря на тысячелетия проведены преимущественно под землей. Стеклянная посуда используется многократно, ведь он хорошо моется, его можно мыть как жидкими, так и абразивными моющими средствами, обрабатывать паром, кипятить (соблюдая осторожность) для полного уничтожения бактерий и других нежелательных запахов. 6. Общая технология изготовления стеклаЗа прошедшие тысячелетия методы изготовления стекла почти не изменились, ранние образцы практически ничем не отличаются от современного, всем известного стекла для изготовления бутылок (исключением является только современное стекло с заданными свойствами). В естественном состоянии оно существует как минерал обсидиан - вулканическое стекло. Огромное количество модификаций стекла позволяет разного утилитарного использования, определяемого его составом и химико-физическими свойствами. Обычное оконное стекло и стеклянную посуду представляют собой сплав оксида натрия, оксида кальция и диоксида кремния. Его примерный состав можно выразить формулой: Na 2 O CaO 6SiO 2. Исходными материалами для изготовления стекла служит белый кварцевый песок SiO 2, сода Na 2 CO 3 и известняк или мел CaCO 3. Смесь этих веществ в соответствующих соотношениях сплавляют в специальных печах. Сначала при 700-800 С вследствие взаимодействия карбонатов натрия и кальция с диоксидом кремния образуются силикаты натрия и кальция:
При 1200-1300 C силикаты натрия и кальция с избытком диоксида кремния образуют сплав
Стеклянную массу в расплавленном состоянии выдерживают до полного удаления газов. Вместе с тем проводят обесцвечивания стекла добавлением небольших количеств диоксида марганца MnO 2. Обычное стекло бывает окрашено в зеленый цвет примесью оксидов железа которые попадают вместе с песком. Диоксид марганца придает стеклу розовой окраски, а зеленый и розовый цвета в совокупности дают белый цвет. После этого стеклянную массу охлаждают до определенной степени вязкости и изготавливают различные изделия. 7. ПрименениеИз стекла производят волокно, вату, ткани и т.д.. Эти материалы отличаются, значительной механической прочностью, негорючестью, кислотостойкостью и высокими тепло-и электроизоляционными свойствами. Они имеют широкое применение в различных отраслях техники и строительном деле. В связи с его упомянутыми электро-физическими свойствами, стекло применяют для изготовления низко-и высоковольтных изоляторов, баллонов и ножек осветительных и электронных ламп, газоразрядных приборов, тонко-и толстостенных газонепроницаемых и вакуум-плотных оболочек, различных электровакуумных приборов, рентгеновских трубок , компонентов электрических цепей, имеющих специфические электро-физические свойства. См.. также
Примечания
Источники
код для вставки Данный текст может содержать ошибки. скачать |