144380 (Стекло и стеклянные изделия)

СОДЕРЖАНИЕ

1. Общие сведения

2. Стекло и его свойства

3. Стеклянные материалы

3.1 Листовое светопрозрачное и светорассеивающее стекло

3.2 Светопрозрачные изделия и конструкции

3.3 Облицовочные изделия из стекла

3.4 Изделия из пеностекла

3.5 Материалы на основе стекловолокна

4. Ситаллы, шлакоситаллы и ситаллопласты

4.1 Ситаллы

4.2 Шлакоситаллы

4.3 Ситаллопласты

5. Изделия из каменных расплавов

6. Использование отходов в производстве плавленых изделий

Заключение

Список литературы

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Стекло – все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел; причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

По масштабам применения первое место принадлежит строительству, в котором оно применяется не только для устройства световых приемов, но и в качестве конструктивного и отделочного материала. За 3 – 4 тыс. лет до н.э. производство стекла было известно египтянам, в этот период стекольные изделия изготовлялись путем пластического формирования и прессования. Значительное развитие получило стеклоделие в Венеции, которая оставалась мировым центром стеклоделия до XVII века. Венецианское стекло, отличающееся большой художественной ценностью, проникало в другие страны Европы и ближнего Востока.

В России в 1635 году шведом Елисеем Койотом на пустоши Духанино в Дмитровском уезде был построен стекольный завод. Вслед за Духанинским был открыт казенный завод в Измайлове (1669-1710). Здесь наряду с иноземцами работали и русские мастера, которые осваивали основные приемы европейского стеклоделия. Начало XVIII в. можно назвать периодом подъема стеклоделия. Важной вехой его развития в России явилось открытие стекольного завода на Воробьевых горах под Москвой, построенного также по инициативе Петра I. В 1706 завод уже работал. Основными видами продукции Воробьевского завода были литые зеркала и зажигательные стекла. Стекло варилось, затем выливалось на медную доску, прокатывалось медным катком, шлифовалось, полировалось и под него подводилась амальгама. При этом размеры зеркал были самыми большими в Европе того времени. Наиболее широкое развитие стеклянная промышленность получила в СССР. В годы первых пятилеток был построен ряд крупнейших стекольных заводов, в том числе заводы-гиганты в г. Гусь-Хрустальный, Горьком, Улан-Удэ, Дагестане и т.д. Основную массу продукции составляло оконное листовое стекло, его производили в мощных печах S = 650 – 700 м². Наряду с «лодочным» способом вертикального вытягивания стекла внедряется в промышленность «безлодочный» способ, повышающий скорость вытягивания на 15 – 20 %.

2. СТЕКЛО И ЕГО СВОЙСТВА

Свойства стекла определяются прежде всего, составом входящих в него оксидов. Главными стеклообразующими оксидами являются оксиды кремния, фосфора и бора, в соответствии с чем стекла называют силикатными, фосфатными или боратными. Подавляющее большинство промышленных стекол является силикатными. Фосфатные стекольные расплавы применяют в основном для производства оптических, электровакуумных стекол, боратные – для специальных видов стекол (рентгенопрозрачных, реакторных и др.). Смешанные боросиликатные стекла применяют для изготовления оптических и термически устойчивых стеклоизделий.

Химический состав стекол в значительной степени влияет на их свойства. Строительное стекло содержит 71,5 – 72,5 % SiO₂, 1,5 – 2 % Al₂O₃, 13 – 15 % Na₂O, 6,5 – 9 % CaO, 3,8 – 4,3 % MgO и незначительное количество других оксидов (Fe₂O₃, K₂O, SO₃). Увеличение содержания оксидов Al₂O₃, CaO, ZnO, B₂O₃, BaO повышает прочность, твердость, модуль упругости стекла и снижает его хрупкость. Повышенное содержание SiO₂,Al₂O₃, B₂O₃, Fe₂O₃ увеличивает теплопроводность. Оксиды щелочных металлов, а так же CaO, BaO повышают температурный коэффициент линейного расширения, а SiO₂, Al₂O₃, ZnO, B₂O₃, ZrO₂ уменьшают его. Введение в состав стекла оксида свинца взамен части SiO₂ и Na₂O вместо K₂O приводит к повышению блеска и световой игры, что позволяет получать хрустальные изделия. Добавки фторидов и пятиокиси фосфора уменьшают светопрозрачность стекол, позволяют получать «глушенные», непрозрачные стеклоизделия. Таким образом, варьирование химического состава стекол позволяет изменить их свойства в нужном направлении в соответствии с областью их использования.

Стекло как строительный материал обладает целым рядом ценных качеств, не свойственных другим материалам, и прежде всего, светопрозрачностью при высокой плотности и прочности, в связи с чем оно является незаменимым материалом для светопроемов.

Плотность обычного строительного стекла составляет 2,5 т/м³. С увеличением содержания оксидов металлов с низкой молекулярной массой (B₂O₃, LiO₂) плотность стекла понижается до 2,2 т/м³, с увеличением содержания оксидов тяжелых металлов (свинца, висмута и др.) плотность повышается до 6 т/м³ и более.

Прочность при сжатии стекла достигает 700 – 1000 МПа, прочность при растяжении значительно ниже – 30 – 80 МПа. Прочностные показатели изделий из стекла зависят не только от состава, но и от целого ряда других факторов: способа получения, режима тепловой обработки, состояния поверхности, размеров изделия. Низкая прочность стекла при растяжении и изгибе обусловлена наличием на его поверхности микротрещин, микронеоднородностей и других дефектов. Теоретическая прочность стекла при растяжении, рассчитанная различными способами, достигает 10000 МПа.

Для повышения прочности стекол применяют различные технологические приемы: повышение температуры отжига, закалку, травление и комбинированные методы, покрытие поверхности различными пленками, микрокристаллизация, армирование, триплексование и др. При травлении стекла плавиковой кислотой происходит растворение поверхностного слоя и удаление наиболее опасных дефектов, в результате чего прочность стекла повышается в 3 – 4 раза и более. Закаливание отожженных стекол увеличивает прочность в 4 – 5 раз. Комбинированные способы закалки и травления позволяют значительно повысить прочность стекла (до 800 – 900 МПа). Упрочнение стекла после травления путем нанесения силиконовой пленки приводит к повышению прочности стекла в 5 – 10 раз.

Термохимический способ упрочнения стекол заключается в закалке с последующей обработкой кремнийорганической жидкостью, что позволяет получить закаленное стекло с защитной кремнекислородной пленкой и прочностью при изгибе до 550 – 570 МПа.

На прочность стекла при растяжении и изгибе в значительной мере влияет размер изделия. Так, прочность на растяжение стеклянного волокна диаметром 10^-3 мм достигает 200 – 500 МПа, что значительно выше показателей для массивного стекла. Воздействие длительных нагрузок снижает прочность стекла примерно в 3 раза, после чего значение этого показателя стабилизируется. Наступает так называемое явление усталости стекла, которое обусловлено влиянием окружающей среды, и прежде всего воды. Прочность стекла изменяется с изменением температуры. Стекло имеет минимальную прочность при +200⁰С, максимальную при – 200⁰С и +500⁰С. Увеличение прочности при понижении температуры объясняют уменьшением действия поверхностно-активных веществ (влаги), а при высоких температурах (до 500⁰С) возможностью появления пластических деформаций.

Модуль упругости стекол лежит в пределах 45000 – 98000 МПа. Отношение модуля упругости к прочности при растяжении (Е/R_p) – так называемый показатель хрупкости стекла – достигает 1300 – 1500 (у стали он составляет 400 – 450, у резины – 0,4 – 0,6). Чем больше показатель хрупкости материала, тем при меньшей деформации напряжение в материале достигает предела прочности.

Стекла являются типично хрупкими материалами. Они практически не испытывают пластической деформации и разрушаются, как только напряжение достигает предела упругой деформации. Хрупкость стекла – величина обратная ударной прочности. Ударная прочность при изгибе обычного стекла составляет 0,2 МПа, закаленного – 1 – 1,5 МПа. Хрупкость можно снизить увеличением содержания в стекле оксидов B₂O₃, Al₂O₃, MgO, а так же закалкой стекол, травлением кислотой и другими способами его упрочнения. Твердость обычных силикатных стекол составляет 5 – 7 по шкале Мооса. Кварцевое стекло и борсодержащие малощелочные стекла имеют большую твердость.

Теплоемкость промышленных стекол колеблется в пределах 0,3 – 1,1 кДж/(кг_*⁰С), увеличиваясь с повышением температуры и содержания оксидов легких металлов.

Температурный коэффициент линейного расширения обычных строительных стекол сравнительно невысок, он лежит в пределах (9 – 15)_*10^{-6 0}С^-1, увеличиваясь с повышением содержания в стекле щелочных металлов. Наименьший температурный коэффициент линейного расширения у кварцевого стекла: 5_*10^{-7 0}С^-1.

Термостойкость стекол определяется совокупностью термических свойств (теплоемкостью, теплопроводностью, температурным коэффициентом линейного расширения), а так же размерами и формой изделия. Кварцевые и боросиликатные стекла имеют наибольшую термостойкость. Тонкостенные изделия более термостойки, чем толстостенные.

Электрические свойства стекла оцениваются объемной и поверхностной электропроводностью. Электропроводность определяет возможность применения стекол в качестве изоляторов и учитывается при расчете режимов работы стекловарных электропечей. При нормальной температуре объемная электрическая проводимость стекол мала. С возрастанием температуры она повышается. Увеличение содержания в составе щелочных оксидов, особенно оксида лития, повышает электропроводность стекол. Закалка стекол приводит к увеличению их электропроводности, кристаллизация – к ее уменьшению.

Стекло обладает просто уникальными оптическими свойствами: светопропусканием (прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием. Светопропускание стекла достигает 92%. Оно находится в прямой зависимости от его отражающей и поглощающей способности. Показатель преломления для обычных строительных стекол составляет 1,46 – 1,51. Он определяет светопропускание стекол при разных углах падения света. При изменении угла падения света с 0⁰ (перпендикулярно плоскости стекла) до 75⁰ светопропускание уменьшается с 92 до 50%. Коэффициент отражения может быть снижен или увеличен путем нанесения на поверхность стекла специальных прозрачных пленок определенной толщины и с меньшим или большим показателем преломления, избирательно отражающих лучи с определенной длиной волны.

Поглощающая способность стекла в значительной степени зависит от его химического состава, увеличиваясь с повышением содержания оксидов тяжелых металлов, и от толщины изделий. Многие специальные виды стекол (например, солнцезащитные) отличаются значительным светопоглощением – до 40%.

Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра и незначительную часть ультрафиолетовых и инфракрасных лучей.

Поглощение ультрафиолетовой области спектра достигается увеличением содержания в стекле оксидов титана, свинца, хрома, сурьмы, трехвалентного железа и сульфидов тяжелых металлов. Поглощение инфракрасной области спектра достигается при окраске стекла Fe²⁺ и Cr²⁺. Кварцевые стекла хорошо пропускают коротковолновую инфракрасную и ультрафиолетовую области спектра, а сернистомышьяковые стекла – длинноволновые инфракрасные излучения. Для пропускания ультрафиолетовых лучей содержание оксидов железа, титана, хрома в стекольной шихте должно быть минимальным. Стекла, пропускающие рентгеновские лучи, содержат оксиды легких металлов – L₂O, BeO, B₂O₃. Таким образом, изменяя химический состав стекол и применяя различные технологические приемы, можно получить специальные виды стекол с солнце- и теплозащитными свойствами, предопределяющими теплотехнические и светотехнические показатели светопрозрачных ограждений.

Химическая устойчивость стекол характеризует их сопротивляемость разрушающему действию водных растворов, атмосферных воздействий и других агрессивных сред. Силикатные стекла отличаются высокой стойкостью к большинству химических реагентов, за исключением плавиковой и фосфорной кислот. Химическая устойчивость силикатных стекол объясняется образованием при воздействии воды, кислот и солей защитного нерастворимого поверхностного слоя из гелеобразной кремнекислоты – продукта разложения силикатов.

3. СТЕКЛЯННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1. Листовое светопрозрачное и светорассеивающее стекло

Витринное стекло производится двух марок: М7 - полированное и М8 - неполированное, толщиной 6,5-12 мм и максимальных размеров 3000x6000 мм. Применяется для остекления витрин, витражей и окон общественных зданий. Светопропускание витринных стекол 75-83%.