Компании

Стекло - традиционный и перспективный материал

26.04.200816:35
Компания: ОКНА МЕДИА / Рубрика: Алюминиевые конструкции

Вероятно, онобыло получено одновременно с открытием керамической и металлургическойтехнологии. Следовательно, стеклу около 5000 лет.

В старину стекло чаще всего служило материалом дляукрашений и посуды. В строительной технологии оно нашло применениеотносительно поздно. Старейшее   оконное   стекло - маленькие   литые диски -найдено при раскопках Помпеи и Аквинка (на территории Будапешта).Существенным успехом в совершенствовании технологии стекла было изобретение вФиникии в начале нашей эры стеклодувной трубки. Если раньше мягкоерасплавленное или агломерирующееся стекло перерабатывали запрессовкой илилитьем в каменные формы, то теперь стало возможным использовать вязкопластичноеповедение стекла в широком интервале температур и получать методом раздуваполые стеклянные тела. Совершенствование технологии плавления стекла иизготовления изделий из него вызвало к жизни множество новых предметов. Отпервого остекления окон около 1000 года нашей эры и первых стеклянных зеркалк литым зеркалам большой площади, к цветному стеклу и стекловолокну и,наконец, к пеностеклу (1940 г.)-такой путь прошла стекольная технология.Сейчас прогресс в этой области сказывается прежде всего в механизациипроизводства продукции, выпускаемой в больших масштабах, такой как оконноестекло, различные сосуды - это существенно изменило рентабельностьпроизводства. С другой стороны, много внимания уделяется фундаментальнымнаучным исследованиям, открывающим новые свойства стекла и все новые областиего применения там, где несколько лет назад это считалось невозможным.

«Замороженный» расплав

Под стеклом понимают неорганические расплавленныепродукты, которые при охлаждении не кристаллизуются. В отличие от другихнеорганических материалов, стекла не имеют упорядоченной структуры. Ониаморфны, то есть построены из случайно расположенных в пространстве сетчатыхструктурных узлов (например, структурных групп SiO4, PO4, так называемыхузловых центров), в которых размещены остальные составные части (например,ионы щелочных и щелочноземельных металлов, так называемые структуропреобразователи).Структурные группы, например тетраэдры SiO4, аналогичны кристаллическимсиликатам, однако в их расположении отсутствует периодичность ( 89). О стеклеговорят как о материале, имеющем ближний структурный порядок. Если типичныйрасплав стекла, нагретый до высокой температуры, медленно охлаждать, то в немне наблюдается признаков кристаллизации, а наоборот, структура жидкорасплавленногосостояния «замораживается». Поэтому стекло называют также переохлажденнойжидкостью.

Хотя в стеклообразное состояние можно перевести многиехимические соединения, для технических целей приемлемы только лишь группыопределенного химического состава.

Среди этих стекол наибольшая доля принадлежит силикатным,а среди силикатных-известково-щелочным. Когда говорят «стекло», то чаще всегокак раз его и имеют в виду.

Силикатные стекла состоят в основном из SiO2 и кроме тогоиз оксидов щелочных и щелочноземельных металлов и оксида алюминия. Дляполучения необходимых свойств в их состав включают модифицирующие компоненты,например небольшое количество борного ангидрида (в йенских стеклах), оксидсвинца (в хрустале), оксиды цинка или редкоземельных металлов (в оптическихстеклах). При этом стекла не являются стехиометрическими химическимисоединениями и могут иметь различное соотношение компонентов.

От сырья к готовым изделиям

Все зависит от смеси. Здесь мы более подробно рассмотримстекло для массового производства-силикатное. Если расплавить горныйхрусталь, являющийся природной формой SiO2 высокой степени чистоты, для чеготребуется очень высокая (выше 1600 °С) температура, а затем отформоватьрасплав и достаточно быстро охладить его, то мы получим простейшее вхимическом смысле стекло. Это кварцевое стекло-идеальный стеклянный материалс совершенно исключительными свойствами, который мог бы найти разнообразноеприменение, если бы его производство не было бы ограничено двумя факторами: содной стороны, относительно редкое и, следовательно, дорогое сырье, а с другой-настольковысокая температура плавления чистого SiO2, что это усложняет и удорожает техническуюреализацию процесса. Поэтому так важно выбрать пригодное сырье и снизитьтемпературу плавления и переработки, чтобы создать экономичное ивысокоразвитое в техническом отношении производство.

Составы технических стекломасс должны содержать лишь столькодорогих и тугоплавких оксидов, сколько абсолютно необходимо для полученияжелаемых свойств. С другой стороны, дешевые и понижающие температуруплавления компоненты должны применяться лишь в таком объеме, при котором онине ухудшают целевые свойства материала. С некоторых пор практически во всеммире применяются примерно одинаковые составы сырья для производства оконного,хозяйственного, технического (для приборов), бутылочного стекла и т. д.Примером может служить кварцевое стекло. Было обнаружено, что вместо дорогогогорного хрусталя можно использовать чистый песок, если к нему добавитьщелочное сырье (например, Na2O). При этом на несколько сот градусовпонижается температура плавления. Однако стекло, состоящее из диоксидакремния и оксида натрия, для которого в качестве исходного сырья могут бытьиспользованы песок SiO2, сода Na2CO3, натриевая селитра NaNO3 и глауберовасоль Na2SO4, недостаточно водостойкое. Поэтому для его стабилизации добавляютоксид кальция СаО, глинозем А12О3 и оксид магния MgO, а для улучшения перера-батываемостистекломассы вводят еще и оксид калия К2О.

Кроме того, допускается присутствие в виде примесей такихкомпонентов, которые не вызывают нежелательных отклонений от заданных свойств(малые количества Fe2O3, TiO2 и т.д.). Применяется также экономическивыгодное комплексное исходное сырье-каолин Al2O3-2SiO2-2H2O или доломит (Mg, Ca)CO3.

Получается из бокситов, каолина или в виде минералов.Применяется для изготовления окрашенных стекломасс Получается из цинковойобманки или цинкового шпата В основном в виде СаСО3, глинистых известняковили доломита

В виде  MgCO3, чаще  всего-в виде доломита В виде ВаСО3или BaSO4 Чаще всего в виде РЬ3О4 В виде соды, сульфата, нитрата или каменнойсоли В виде нитрата, сульфата или поташа

Чтобы облегчить протекающие при плавлении реакции и чтобыстекломасса быстро приобрела химическую и физическую гомогенность, все сырьедолжно быть высушено, измельчено и интенсивно перемешано. Эти операциисовершаются в подготовительных цехах, где находятся сушильные печи, сушильныемельницы, валковые дробилки, шаровые мельницы и перемешивающие устройства.Последние заслуживают особенного внимания, так как монодисперсные тяжелыематериалы должны смешиваться в течение продолжительного времени. Еслидобавить к смеси стеклянный бой того же состава, ее плавление ускорится, авведение определенных количеств воды уменьшает пылеобразование и расслоение иблагоприятно сказывается на процессе плавки. С помощью транспортера иливагонетки смесь либо в виде порошка, либо брикетированная подается вплавильную печь.

Ванные печи завоевывают признание. В течение столетийстекломассу плавили в горшковых печах, без которых, впрочем, и сегоднянемыслим любой стекольный завод по производству специальных стекол (хрусталь,оптическое стекло).

Такой способ, когда стекломасса расплавляется в небольшихгоршках или тиглях, находящихся в самой печи, имеет, конечно, многонедостатков. Главный из них-это периодичность процесса, замедляющаявыработку. Размеры печи ( 90) ограничены. Ее диаметр не превышает 1 м, аглубина определяется удобством извлечения плавленого стекла через отверстия.Из-за постоянно понижающегося уровня расплава выгрузка стекла можетпроисходить только вручную, что затрудняет механизацию дальнейших стадийпереработки.

Существенный прогресс в плавильной технике был достигнут,когда вместо тиглей в качестве плавильной емкости стали использоватьвнутреннее пространство печи. Такие печи также работают периодически и сручной выгрузкой материала, но тем не менее дают больше высококачественногостекла.

Новым прогрессивным способом получения достаточно хорошегорасплава стали ванные печи, поверхность плавления которых составляет многиеквадратные метры, а глубина относительно невелика (< 1,2 м). В непрерывнодействующие установки с одного конца загружается смесь, которая расплавляетсяв горячей стекломассе. В процессе медленного течения расплава вдоль ванныосуществляется его осветление, дегазация и гомогенизация. Дойдя допротивоположного конца ванны, он полностью готов к дальнейшей переработке.Уровень расплава, а также его физические и химические характеристикиподдерживаются постоянными, и готовая стекломасса непрерывно выгружается иперерабатывается в изделия.

В ходе совершенствования процесса получения стекла в смесьстали добавлять ускорители плавления и осветляющие средства. Ускорительплавления очень быстро образует тонкий слой расплава, а осветлитель вызываетзавихрения в расплавленной массе и способствует лучшей гомогенизации.

Ванные печи - крупные сооружения: вместе совспомогательным оборудованием и оснащением для завершающего этапа процессаони занимают несколько этажей в больших цехах. Долгое время такие печиобогревались исключительно генераторным газом, а сейчас для этого все чащеприменяются природный газ или электроэнергия.

Один из самых новых способов это чисто электрическаяплавка, при которой газ используется только для предварительного плавленияза-" груженной смеси при пуске печи. После того как образовалсяопределенный слой расплава, процесс плавления идет исключительно за счеттепловой энергии, выделяющейся при прохождении электрического тока черезрасплавленную массу.

В то время как у всех непрерывно работающих ванных печейзоны плавления и осветления остаются почти неизменными, зона выработкиготовой стекломассы определяется способом ее переработки, то есть меняется взависимости от типа машин.

Прессование, дутье, вытяжка и прокатка. Дальнейшаяпереработка непрерывно и в больших количествах получающегося расплава стекладолжна быть механизирована.

Тарелки, чашки, вазы, кинескопы и детали электроннойтехники, да и вообще все массивные изделия из стекла получаются методоммашинного прессования, причем установка оснащена максимум шестнадцатьювращающимися прессующими головками.

Аналогичные машины, оснащенные добавочно системой длясоздания вакуума или избыточного давления, служат для производства полыхстеклянных изделий — до 30000 штук в день. Стеклянная капля сначала выпрессовываетсяв виде продолговатой заготовки с горловиной, а затем стекло выдувается черезгорловину к внешним стенкам формы. Таким способом фабрикуются все бутылки,банки и подобные им сосуды, а также колбы электроламп, стаканы и лабораторнаяпосуда.

Прокатка используется при производстве профильногоорнаментированного и армированного стекла. Струя расплава из ванны протекаетмежду валками, на которые нанесен узор (валков два или более это зависит отформы образца и по крайней мере один из них вращается). В зазоре валковполучают равномерное по толщине стекло, причем в него может быть одновременнозапрессована армирующая основа. Готовая лента застывает на находящемся завалками транспортере, который   ведет  в   охладительную   камеру.

Наиболее сложные и разнообразные формы возникают из стеклапри вытяжке. Этот процесс используется как при производстве труб и стержней,так и при получении плоских изделий. Трубы можно изготовлять, например, поочень старому методу горизонтальной вытяжки (метод Даннера): струя расплаватечет по наклонной жаропрочной трубе и образует внутри нее вязкую оболочку,которую поток воздуха непрерывно сдвигает вперед, равномерно растягивая повсей поверхности трубы. При этом получают длинные трубы малого и среднегодиаметров.

Способ высокоскоростной вытяжки расплава через отверстие вванне применяется для получения труб большого диаметра, причем требования кпостоянству температуры и гомогенности состава стекла очень высоки.

Особенно большие плавильные ванны необходимы припроизводстве листового стекла. Иначе и быть не может в среднем девять машиннепрерывно вытягивают из ванны стеклянные полосы шириной до 2 метров. На  91показана рабочая ванна такой плавильной установки. Продольные узкие тоннелисодержат соответствующие будущей ширине листа фильеры, через которые стекловыдавливается, крепится в металлических захватах и протягивается черезсистему валков. Постепенно охлаждаемая полоса уже в совсем холодном состоянииразрезается и передается для дальнейшей обработки.

Подобные устройства не используются при современномспособе, когда листовое стекло формуется на зеркале расплавленного металла(чаще всего олова с температурой плавления 232 °С). Благодаря этомуполучается поверхность очень высокого качества.

Форма должна соответствовать цели. Из-под пресса выходятуже готовые стеклянные изделия, а вот при других способах переработки стеклупредстоит еще либо разрезание с помощью алмазных инструментов, либо нагрев востроконечном пламени с последующим отламыванием. Протянутое плоское,профильное или листовое стекло в принципе готово к употреблению, но приособых требованиях (например, настольное стекло) его края должны бытьотполированы и отшлифованы. У дутых полых изделий края, как правило,оплавляют.

Особой отраслью стекольной промышленности являетсястеклодувное дело. Стеклодувы из труб, стержней изготавливают сложнейшие,порой уникальные аппаратуру и лабораторное оборудование, используя при этомизгиб, выплавку, сплавление и выдувку в пламени газовой  горелки.

Аналогично этому производятся радиолампы, кинескопы,которые потом, после монтажа электроники и откачки воздуха или заполненияинертным газом, герметически заплавляются.

Есть еще один способ обработки стекла, основанный на егохимических свойствах. Стекло можно матировать, обрабатывая смесью плавиковойи серной кислот или другими фтористыми соединениями. Такие смеси неравномерноразъедают стекло, образуя на его поверхности определенный рельеф. При другихсоотношениях компонентов смесь плавиковой и серной кислот оказывает,наоборот, полирующее действие. Этот состав используют для восстановлениягладкой поверхности после шлифовки изделия при производстве хрусталя. Важнуюроль играет нанесение покрытий на поверхность стекла. Металлы, их оксиды, пластмассы,силикон и другие материалы наносятся в виде тонкого слоя и закрепляютсяразличными способами (термообработка, окисление, полимеризация). Известныметаллические покрытия на рюмках и бокалах. Посеребренное листовое стекло,покрытое защитной пленкой синтетического лака, мы все знаем это обычноезеркало. На кинескопах телевизоров нанесен слой люминофора, который и даетвозможность воспроизведения изображения.

Свойства стекла можно улучшить

Ввиду меняющегося в широких пределах состава силикатныхстекол (см. табл. 18) их свойства также довольно широко варьируются. Взависимости от требований, предъявляемых к стеклу, выбирается его тип;другими словами, изготовляется стекло с необходимыми свойствами. Само собойразумеется, что при выборе играют роль экономические и технологическиепоказатели. Можно было бы, например, вставлять в окна химически стойкоестекло, но только такое остекление обошлось бы вдвое дороже.

Область применения стекла ограничена некоторыми егоспецифическими свойствами. Поэтому в последние годы прилагают немало усилий,чтобы путем целенаправленного научного поиска улучшить некоторыехарактеристики или даже получить стекла со свойствами, не присущими этомуматериалу.

Новые способы обработки повышают прочность. Стекло чрезвычайнохрупкий и ломкий материал. Оно имеет весьма низкие пределы прочности нарастяжение и изгиб и обладает относительно высокой поверхностной твердостью

Его эксплуатационные свойства можно заметно улучшить, еслиусилить его другими материалами (например, в литое и зеркальное стекло вводятпроволоку). Это называется армированием стекла. Кроме того, на поверхностьстекла можно нанести юганические или неорганические защитные покрытия.

В последнее время стали известны также химические методы,например ионный обмен, которые приводят к более существенному повышениюпрочности стекла, порой даже в 10 раз. Этот процесс еще довольно редковнедряется в промышленность ввиду высоких экономических и технологическихзатрат.

Прочность стекла и его устойчивость к перемене температурможно повысить и другим способом за счет направленной кристаллизации ( 92).Такие стекла должны содержать центры образования зародышей небольшиекристаллы, которые при определенных температурных условиях вызовуткристаллизацию основной массы стекла. Так возникают ситаллы, илистеклокерамика. Подобные материалы могут выдерживать внезапное повышениетемпературы на 1000 °С, так как при этом не происходит практически никакогоизменения их объема. Изделия из них применяются в промышленности, влабораториях и домашнем хозяйстве.

Стекло реагирует на интенсивность света. Главное значениестекол как строительного материала обусловлено их прозрачностью по отношениюк видимому свету. Кроме того, обычное силикатное стекло пропускает небольшуючасть ультрафиолетового и коротковолнового инфракрасного излучения, почтиполностью задерживая биологически активные их части. При обработкеповерхности можно усилить отражение света, а путем добавки окрашивающихвеществ усилить его поглощение, что значительно изменяет прозрачность стекол.

Некоторое время назад были созданы фототропные стекла,которые под действием света или вообще любого электромагнитного излучениямутнеют или окрашиваются. Часто этот эффект обратим, то есть при исчезновенииили ослаблении источника излучения восстанавливается прежнее состояние.

Иногда в стекло со специальным составом добавляют,например, галогениды серебра. Возникающее в этом случае при облучениипомутнение можно сравнить с фотографическим эффектом, когда маленькиепрозрачные кристаллы галогенида серебра, введенные в стекло, в потоке светапревращаются в частицы металлического серебра, что проявляется в резкомуменьшении прозрачности стекла.

Использование фототропного эффекта зародилось в связи сприменением специальных стекол для очков. Очки с такими стеклами меняют своюпрозрачность пропорционально интенсивности солнечного света. Их можноприменять и для лобовых стекол автомобилей. Заманчивой кажется мысльпокрывать фототропной глазурью большие остекленные поверхности в промышленноми гражданском строительстве. Для некоторых целей перспективны комбинации фототропныхстекол с теплозащитными. В ходе дальнейшего развития техники такие стекланайдут применение в электротехнике и в оптике.

Комментарий

Все комментарии проходят проверку на СПАМ и соответствие правилам ОКНА МЕДИА

Войти с помощью
Имя
E-mail (Нужен для удаления комментария и получения ответов)
Сообщение
Введите код, указанный на картинке
captcha
Я ознакомился и согласен с правилами сайта Окна Медиа