Что такое стекло с научной точки зрения. Почти классическая теория. Видео: процесс изготовления вещества

Стекло – один из самых древних и универсальных по своим свойствам материалов, известных человеку.

Со стеклом человек познакомился очень давно. Найденные археологами фаянсовые украшения, относящиеся к периоду первой династии фараонов, говорят о том, что в Египте стекло было известно ещё 5 тысяч лет назад. Обнаруженная при раскопках в Месопотамии цилиндрическая печать из стекла относится к периоду династии Аккада, то есть имеет возраст более 4 тысяч лет. Изделия из стекла, найденные в Японии и Индии, произведены примерно 2 тысячи лет назад. Но единого мнения о времени и месте появления стекла у учёных нет.

Как же появилось стекло?

Одна из легенд гласит, что финикийские купцы готовили пищу на песчаном берегу во время стоянки. Очаг они сложили не из камней, а их кусков африканской соды. Топливом служила солома. Проснувшись утром, они обнаружили на пепелище слиток из стекла.

Русским мастерам секреты стеклянного производства были знакомы более тысячи лет назад. В те времена щёлочь, песок и известь были сырьём для получения стекла. В качестве щёлочи использовали золу растений или соду.

Химический состав стекла

Стёкла бывают естественными и искусственными. Естественное стекло может образоваться, например, при извержении вулкана или при попадании молнии в залежи кварцевого песка. Но в природе так мало возможностей для образования естественного стекла, что для своих нужд человечество давно научилось получать искусственное стекло.

Стекло – аморфное тело, получаемое переохлаждением расплава, который состоит из различных окислов.

В зависимости от того, какой окисел является основным компонентом, различают силикатные стёкла (SiO2), боратные (В203), фосфатные (Р205) и комбинированные (боросиликатные и др.).

Силикатное стекло

Наиболее распространено силикатное стекло. Основная его составная часть – двуокись кремния (SiO2). На 70-75% стекло состоит из неё. Получают двуокись кремния из кварцевого песка. Окись кальция (CaO) – второй компонент стекла, придающий ему химическую стойкость и блеск. В давние времена источником окиси кальция служили морские раковины или зола деревьев, так как люди не были знакомы с известняком. Кроме этих двух компонентов, в состав стекла входят оксид натрия (Na2O) и оксид калия (K2O), которые необходимы для плавки стекла. Источниками оксидов служат сода (Na2CO3) и поташ (K2CO3). Если стекло состоит только из кремнезёма высокой чистоты, оно называется кварцевым.

Физические свойства стекла

По физическим свойствам стёкла подразделяются на обычные, жаростойкие и цветные.

Обычные стёкла

Известны три группы обычных стёкол: иззвестково-натриевое, известково-калиевое и известково-натриево-калиевое.

Известково-натриевое , или содовое, стекло применяется для выпуска оконных стёкол, посуды.

Высокая термостойкость известково-калиевого, или поташного, стекла позволяет применять его в производстве аппаратуры и высококачественной посуды.

Известково-натриево-калиевое стекло обладает высокой химической стойкостью. Наиболее часто применяется в производстве посуды.

Хрупкость – основной недостаток обычных стёкол. Для расширения области применения обычного стекла его закаливают и получают закалённое стекло, которые называется сталинит. Из обычного стекла создают также триплекс – многослойное стекло.

Жаростойкие стёкла

Жаростойкие стёкла называют огнеупорными, термостойкими. Они применяются в изделиях, которые эксплуатируются в особых условиях. К жаростойким стёклам относятся боросиликатное стекло, лабораторное стекло и ситаллы.

Высокая антикоррозийная стойкость боросиликатного стекла и его теплостойкость позволяет использовать это стекло для создания специальных установок в химическом машиностроении. Из такого стекла получается также прекрасная жаростойкая кухонная посуда. Такая же высококачественная посуда может быть изготовлена и из лабораторного стекла. А ситаллы успешно используются в машиностроении.

Цветные стёкла

После застывания стеклянная масса имеет голубовато-зелёный или желтовато-зелёный оттенок. Но если ввести в шихту различные оксиды металлов, которые в процессе варки стекла изменяют его структуру, то после остывания стекло сможет выделять определённые цвета из проходящего через него светового спектра.

Такие стёкла применяются для изготовления художественных изделий, витражей, посуды.

Стекло соединило в себе две стихии: огонь и лёд. Огонь помогает стеклу появиться на свет. На лёд стекло становится похожим, когда застывает в форме какого-нибудь изделия.

Современным людям невозможно представить свою жизнь без стекла. Оно окружают нас повсюду: дома, в транспорте, на работе и на отдыхе. Невозможно назвать хотя бы одну отрасль промышленности, в которой стекло не использовалось бы.

Реферат по химии

на тему: «Стекло»

Введение

Стекло? - вещество и материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, - универсальный в практике человека.

Название этого материала в разных языках имеет разную этимологию. В славянских (русск. стекло, белор. шкло, укр. скло; ст.-слав. стькло, болг. стъкло, макед. стакло, сербохорв. стакло, словен. steklo; чеш. sklo, словацк. sklo, польск. - szk?o.

Оно является самым широко применяемым материалом в быту, строительстве, на транспорте благодаря своим уникальным качествам:прозрачности, твердости, химической устойчивости к активным химическим реагентам, относительной дешевизне производства. Без него невозможно изготовить оптические приборы, телевизоры, космические корабли и др. Несмотря на успехи в создании новых материалов широкого назначения, неорганические стекла после камня, бетона, металла прочно занимают одно из главных мест среди используемых в практике.

В чём же универсальность стекла?

Стекло, как известно, делается из песка, извести и соды. Но само оно не похоже ни на известь, ни на соду, ни на песок.

Стекло прозрачно. Металл, камень, дерево, тысячи других веществ - все они непрозрачны для видимого света.

Стекло легко окрасить в любой цвет. И для этого совсем не нужно покрывать его краской. Надо просто в шихту добавить, например, щепотку кобальта, или селена, или окиси меди. Мы получим по желанию синее стекло, красное, зеленое.

Стекло почти не меняется от времени. Железо от времени ржавеет, дерево загнивает, камень превращается в пыль.

Стекло так твердо, так крепко, что его нельзя поцарапать ни иглой, ни ножом, ни пилой. Его можно разрезать только алмазом или резцом из сверхтвердой стали.

Можно было бы продолжить перечисление особенностей стекла. Но и того, что сказано, достаточно. Каждый согласится:стекло действительно не походит ни на что другое.

Физико-химически - неорганическое вещество, твёрдое тело, структурно - аморфно, изотропно; все виды стёкол при формировании преобразуются в агрегатном состоянии - от чрезвычайной вязкости жидкого до так называемого стеклообразного - в процессе остывания со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты). Температура варки стёкол, от 300 до 2500 °C, определяется компонентами этих стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и др.). Прозрачность (для видимого человеком спектра) не является общим свойством для всех видов существующих как в природе, так и в практике стёкол.

Виды стекол

В зависимости от основного используемого стеклообразующего вещества, стекла бывают оксидными (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные), фторидными, сульфидными и т. д.

Базовый метод получения силикатного стекла заключается в плавлении смеси кварцевого песка (SiO2), соды (Na2CO3) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na2O*CaO*6SiO2.

Кварцевое стекло получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты (обычно кварцит, горный хрусталь), его химическая формула - SiO2. Кварцевое стекло может быть также природного происхождения (см. выше -кластофульгуриты), образующееся при попадании молнии в залежи кварцевого песка (этот факт лежит в основе одной из исторических версий происхождения технологии).

Кварцевое стекло характеризуется весьма малым коэффициентом температурного расширения и потому его иногда используют в качестве материала для деталей точной механики, размеры которых не должны меняться при изменении температуры. Примером служит использование кварцевого стекла в точных маятниковых часах.

Оптическое стекло - применяют для изготовления линз, призм, кювет и др.

Химико-лабораторное стекло - стекло, обладающее высокой химической и термической устойчивостью.

Основные промышленные виды стекла.

В качестве главной составной части в стекле содержится 70-75 % двуокиси кремния (SiO2), получаемой из кварцевого песка при условии соответствующей грануляции и свободы от всяких загрязнений. Венецианцы для этого применяли чистый песок из реки По или даже завозили его из Истрии, тогда как богемские стеклоделы получали песок из чистого кварца.

Второй компонент - окись кальция (CaO) - делает стекло химически стойким и усиливает его блеск. На стекло она идёт в виде извести. Древние египтяне получали её из щебня морских раковин, а в Средние века она приготовлялась из золы деревьев или морских водорослей, так как известняк в качестве сырья для приготовления стекла был ещё не известен. Первым подмешивать к стеклянной массе мел, как тогда назывался известняк, стали богемские стеклоделы в XVII веке.

Следующей составной частью стекла являются оксиды щелочных металлов - натрия (Na2O) или калия (K2O), нужные для плавки и выделки стекла. Их доля составляет примерно 16-17 %. На стекло они идут в виде соды (Na2CO3) или поташа (K2CO3), которые при высокой температуре легко разлагаются на окиси. Соду сначала получали выщелачиванием золы морских водорослей, а в местности, удалённой от моря, применяли содержащий калий поташ, получая его выщелачиванием золы буковых или хвойных деревьев.

Различаются три главных вида стекла:

Содово-известковое стекло (1Na2O:1CaO:6SiO2)

Калийно-известковое стекло (1K2O:1CaO:6SiO2)

Калийно-свинцовое стекло (1K2O:1PbO:6SiO2)

стекло стойкость строительство

Стеклообразное и кристаллическое состояние

Основной разновидностью аморфного состояния веществ в природе является стеклообразное состояние. Это твердое, однородное, хрупкое, в той или иной степени прозрачное тело с раковистым изломом. По своей структуре стеклообразное состояние занимает промежуточное положение между кристаллическими веществами и жидкими.

Обычно понятие "стекло" определяется не просто как материал, а как некоторое особое состояние твердого тела, стеклообразное состояние, противопоставляемое кристаллическому. Известно, что одно и то же вещество может быть газообразным, жидким и кристаллическим. Для каждого такого состояния характерна своя группа специфических признаков. Стекло же не может быть полностью отнесено по совокупности признаков ни к одному из них. Рассмотрим вещества, находящиеся в указанных агрегатных состояниях, с точки зрения взаимного расположения частиц (атомов, ионов, молекул), образующих вещество, и их взаимодействия между собой. При очень высоких температурах многие неорганические вещества существуют в виде газа. В газе частицы вещества располагаются и движутся хаотически. При низком давлении, например атмосферном, взаимодействия между частицами чрезвычайно слабы. При понижении температуры газ конденсируется в жидкость, которая при дальнейшем снижении температуры кристаллизуется. В жидкостях и кристаллах частицы располагаются несравненно более компактно, между ними действуют значительные по величине силы, которые создают известную упорядоченность в расположении атомов или молекул:в кристаллах почти идеальную, в жидкостях - существенно менее полную. Основной особенностью кристаллов является то, что их можно получить путем повторения элементарной ячейки во всех трех направлениях. Элементарная ячейка состоит из некоторого числа атомов (ионов, молекул), строго определенным образом расположенных друг относительно друга. Такое повторение элементарной ячейки называют дальним порядком. В жидкостях нельзя выделить такой элементарной ячейки. Для жидкости можно с уверенностью говорить о существовании ближнего порядка, то есть о ближайших соседних частицах, окружающих центральную. Таким образом, для жидкости характерен ближний порядок, но нет дальнего. Мы воспользуемся здесь широко применяемым определением стекла:стекло - это такое состояние аморфного вещества, которое получается при затвердевании переохлажденной жидкости. Стекло неравновесно по отношению к кристаллическому состоянию, которое может реализовываться при том же составе и при тех же внешних условиях. Отличие стекла от кристаллов состоит в отсутствии периодичности строения, в отсутствии дальнего порядка в структуре.

Все вещества, находящиеся в стеклообразном состоянии обладают несколькими общими физико-химическими характеристиками. Типичные стеклообразные тела:

Изотопы, т.е. свойства их одинаковы во всех направлениях;

При нагревании не плавятся, как кристаллы, а постепенно размягчаются, переходя из хрупкого в тягучее, высоковязкое и, наконец, в капельножидкое состояние, причем не только вязкость, но и другие свойства их изменяются непрерывно

Расплавляются и отвердевают обратимо. То есть выдерживают неоднократный разогрев до расплавленного состояния, а после охлаждения по одинаковым режимам, вновь приобретают первоначальные свойства, если не произойдет кристаллизация или ликвация.

Обратимость прессов и свойств указывает на то, что стеклообразующие расплавы и затвердевшее стекло являются истинными растворами, ибо обратимость знак истинного раствора. Определение стекла как переохлажденной жидкости вытекает из способа получения стекла. Для перевода кристаллического тела в стеклообразное состояние его необходимо расплавить и затем переохладить снова.

Переход вещества из жидкого состояния в твердое при понижении температуры может происходить двумя путями:вещество кристаллизуется либо застывает в виде стекла. По первому пути могут следовать почти все вещества. Однако путь кристаллизации обычен только для тех веществ, которые будучи в жидком состоянии, обладают малой вязкостью и вязкость которых возрастает сравнительно медленно, вплоть до момента кристаллизации. К таким веществам безусловно можно отнести и оксид висмута, который в чистом состоянии практически не образует стекол, поэтому создание стеклообразующих систем на его основе долгое время было трудной задачей.

Сопоставление понятий свойство-состав стеклообразных систем показывает, что большинство свойств в первом приближении можно разделить на две группы - простые и сложные. К первой группе относятся свойства, находящиеся в сравнительно несложной зависимости от молярного состава и поэтому поддающиеся количественному расчету, например:молярный объем, показатель преломления, средняя дисперсия, термический коэффициент линейного расширения, диэлектрическая проницаемость, модуль упругости, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности. Ко второй группе относятся свойства гораздо более чувствительные к изменению состава. Зависимость их от состава сложна и часто не поддается количественным обобщениям. Таковы:вязкость, электропроводность, скорость диффузии ионов, диэлектрические потери, химическая стойкость, светопропускание, твердость, поверхностное натяжение, кристаллизационная способность и др. Расчет этих свойств возможен лишь в частных случаях. На свойства первой группы различные компоненты оказывают соизмеримое воздействие, которое можно выразить теми или иными критериями одного порядка. Свойства второй группы в решающей мере зависят от концентрации щелочей или от концентрации каких либо других избранных компонентов.

К особой группе свойств следует отнести прочностные характеристики стекол. Влияние состава на прочность стеклянных изделий, исключая стеклянное волокно, обычно трудно выявить, так как более важную роль играют другие факторы, обусловленные внешними воздействиями. Перечислим важнейшие свойства стекла, многие из которых будут важны при разработке и синтезе флюса.

) Свойства размягченного и расплавленного стекла:

Вязкость:свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости другой. Плавкость:практическая величина, характеризующая скорость размягчения стекла и растекания вязкого расплава по твердой поверхности при различных температурах. Плавкость представляет собой сложную функцию вязкости, поверхностной энергии на границах фаз, кристаллизационной способности, температуры начала кристаллизации и плотности состава.

Смачивающая способность:способность расплава по отношению к различным твердым поверхностям смаивать их, и характеризуется краевым углом смачивания и краевым углом растекания и оттекания.

) Молярный объем и плотность.

Молярный объем стекла равен отношению молекулярного состава стекла к его плотности. Так молекулярный вес стекла зависит от способа исчисления состава стекла, то и молярный объем является величиной условной.

) Оптические свойства стекла.

Показатель преломления и дисперсия:способность стекла преломлять падающий на него свет принято характеризовать посредством показателя преломления для желтого луча, испускаемого накаленными парами натрия, либо светящимся гейслеровской трубке гелием. Разница между этими величинами ничтожна, так как длины волн весьма близки.

Дисперсия - это отношение показателя преломления, уменьшенного на единицу, к средней дисперсии.

Для производства керамических красителей очень важен показатель преломления. От него зависит насколько сильно будет отражать видимый свет цветная пленка стеклообразного вещества находящаяся на поверхности керамического изделия, от этого будет зависеть и то, как декоративно это изделие будет выглядеть.

Магнитные, магнитооптические, электрооптические, электрические свойства имеют больше отношение к техническим и оптическим стеклам, а поэтому будут опущены в данной работе.

) Механические свойства.

Упругость:свойство твердого тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия нагрузки. Упругость характеризуют такие величины как модуль нормальной упругости, называемый также модулем Юнга, который определяет величину напряжений, возникающих в упругом деформированном теле под влиянием нагрузки при растяжении (сжатии). Следовательно, чем выше модуль упругости, тем большее усилие требуется для того, чтобы вызвать данную деформацию или, другими словами, тем выше напряжения, возникающие в теле при данной деформации.

Внутреннее трение:Стеклообразные системы, как и другие тела, обладают способностью поглощать механические, в частности, звуковые и ультразвуковые колебания. Затухание колебаний зависит от состава неоднородностей в стекле, и объясняется внутренним трением. Внутреннее трение силикатного стекла обусловлено собственными колебаниями Si-O каркаса и тех или иных структурных элементов и ионов между стабильными положениями равновесия.

) Термические свойства.

Термические свойства силикатных систем являются важнейшими свойствами как при изучении так и при изготовлении керамических и стеклянных изделий. Главными из термических свойств стекла и стеклоподобных систем можно назвать - термическое расширение стекла, теплопроводность и термостойкость.

Термическое расширение:оценивается истинным aT, либо средними aDT коэффициентами расширения (к. т. р.).

Истинный aT равен тангенсу угла наклона касательной, проведенной к экспериментальной кривой в точке соответствующей данной температуре.

На практике обычно пользуются средними коэффициентами aDT, измеренными в интервалах 20 - 100о, 20 - 400о, 20 - Tоt.

Удельная теплоемкость:- истинная CT и средняя CDT определяются количеством тепла Q, требуемым для нагревания единицы массы стекла на 1оС.

Мерой термостойкости служит разность температур DT, которую выдерживает образец при температурном толчке без разрушений.

Главное влияние на термостойкость стекла оказывает коэффициент термического расширения a.

) Химическая устойчивость

Высокая химическая устойчивость по отношению к различным агрессивным средам - одно из очень важных свойств стекол. Однако, если рассматривать весь диапазон возможных стеклообразных систем, то их химическая устойчивость может различаться на несколько порядков - от предельно устойчивого кварцевого стекла до растворимого (жидкого) стекла.

Следует подчеркнуть сложность процесса разрушения стекла в агрессивных жидкостях. Различают два основных вида явлений - растворение и выщелачивание.

При растворении компоненты стекла переходят в раствор в тех же соотношениях, в каких они находятся в стекле. Многие стеклообразные стекольные системы растворяются с той или иной скоростью в плавиковой кислоте и в концентрированных горячих растворах щелочей.

Процесс выщелачивания характеризует механизм взаимодействия стекла с водой и кислотами, исключая плавиковую. При выщелачивании в раствор переходят преимущественно избранные компоненты - главным образом, оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, в результате чего на поверхности стекла образуется защитная пленка, которая по своему составу максимально приближена к стеклообразователю.

Переход от выщелачивания к растворению возможен и при взаимодействии стекла с водой или с HCl, H2SO4, HNO3 и. т. п. в том случае, если стекло чрезмерно обогащено щелочами.

О химической устойчивости стекла чаще всего судят по потере массы образца после обработки в агрессивной среде в течении заданного промежутка времени. Потери выражаются в мг/см2. Более показателен метод избирательного определения компонентов, перешедших в раствор. При этом потери выражают числом молей каждого из оксидов, перешедших в раствор с единицы поверхности стекла. Для характеристики химической устойчивости стекла в растворах в условиях высоких температур и давлений необходимо кроме потерь веса определять глубину разрушенного слоя и характер разрушенной поверхности

Структура стёкол

Приведенное выше определение стекла, связанное с традиционным способом его производства и с общими сведениями о его структуре, привело к двум различным направлениям в развитии теории стеклообразного состояния.

А.А. Лебедев предположил, что структуру стекла образуют субмикроскопические кристаллы - кристаллиты, расположенные друг относительно друг друга хаотическим образом.

Согласно кристаллитной гипотезе стекло является химически однородным. Исследование стекол методом рентгеноструктурного анализа явилось качественным скачком в понимании природы стеклообразного состояния.

Согласно полученным данным было показано следующее:1) кристаллиты содержат 1-2 элементарных ячейки, да и то искаженных, то есть терялся смысл самого понятия "кристаллит", 2) высказано предположение о химически неоднородном строении стекла. Исторически кристаллитная гипотеза сыграла большую роль в понимании природы стеклообразного состояния, но ее пригодность для описания большинства стеклообразных веществ оказалась невелика.

Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.троение SiO2 - как кварцевого кристалла:Cтроение SiO2 - в виде кварцевого стекла:

Рис. 1Рис. 2

Для стекловидного состояния характерно наличие небольших участков правильной упорядоченной структуры, отсутствие правильной пространственной решетки, изотропность свойств, отсутствие определенной температуры плавления. Л.Л. Лебедев, изучая процессы отжига и закалки стекла, впервые пришел к выводу о наличии в структуре стекла микрокристаллических образований - кристаллитов (рис. 1). Кристаллиты обладают во внутренней части сравнительно нормальной кристаллической решеткой, состоящей из групп тетраэдров SiO4, но по мере приближения к периферии их структура становится все менее упорядоченной, и прослойки между кристаллитами обладают уже аморфным строением. Кристаллитная теория структуры стекла развита в работах советских ученых, показавших «микрогетерогенность» строения стекла. На ее основе создан новый класс стеклокристаллических материалов - ситаллов, обладающих лучшими свойствами стекла и нехрупких материалов.

В силикатных стеклах катионы металла помещаются между отрицательно заряженными тетраэдрами SiО4, не нарушая структуры силикатного каркаса (рис. 1).

Стеклообразное состояние является менее устойчивым по сравнению с кристаллическим и обладает избыточным запасом внутренней энергии, поэтому возможен самопроизвольный переход лишь из стеклообразного состояния в кристаллическое, сопровождающийся выделением небольшого количества теплоты. Благодаря своей структуре стекло обладает рядом специфических свойств, к которым относятся прозрачность, хрупкость, высокая стойкость к атмосферным воздействиям, чувствительность к резким изменениям температуры. Этот материал непроницаем для воды и воздуха, обладает низкой электропроводностью.

В отличие от кристаллических твердых тел (все атомы упакованы в кристаллическую решетку), в стеклообразном состоянии такой дальний порядок расположения атомов отсутствует. Стекло нельзя назвать и сверхвязкой жидкостью, обладающей лишь ближним порядком - взаимным упорядочением только соседних молекул и атомов. Для стекол характерно наличие так называемого среднего порядка расположения атомов - на расстояниях, лишь немногим превышающих межатомные.

Химический состав и свойства стекла

К стеклообразующим веществам относятся:

Оксиды:O3O5

Карбонат кальция, подобно соде, при сплавлении с песком взаимодействует с ним, образуя силикат кальция и двуокись углерода. При сплавлении с избытком песка смеси карбонатов натрия и кальция получают переохлажденный взаимный раствор полисиликатов кальция и натрия; это и есть обыкновенное оконное стекло. Главное свойство всякого стекла заключается в том, что оно переходит из жидкого в твердое состояние не скачком, а загустевает по мере остывания постепенно вплоть до полного затвердевания. Стекло - аморфное вещество. Аморфные вещества отличаются от кристаллических тем, что атомы в них не образуют кристаллической решетки. Однако известная упорядоченность расположения атомов существует и в стеклах. Для плавленого кварца и силикатных стекол остаются в силе общие законы кристаллохимии силикатов; каждый атом кремния в них тетраэдрически окружен четырьмя атомами кислорода, но эти тетраэдры сочетаются друг с другом беспорядочно, образуя непрерывную пространственную сетку, в пустотах которой тоже беспорядочно располагаются ионы металлов (рис). Благодаря этому один «микроучасток» стекольной массы отличен по атомному строению от другого, соседствующего с ним. Этим и объясняется отсутствие у стекла постоянной точки плавления, постепенность перехода его из твердого в жидкое состояние и обратно.

Как материал стекло широко используется в различии областях народного хозяйства, В соответствии с назначением известны разнообразные виды стекла:оконное посудное, тарное, химико-лабораторное, термическое, жаростойкое, строительное, оптическое, электровакуумное и многочисленные другие вид стекла технического. В пределах каждого вид стекла имеются самые разнообразные его сорта. В зависимости от условий службы каждого вида и сорта стеклу предъявляются определённые требования в отношении свойств, сформулированные в соответствующих стандартах и технических условиях. Физико-химические свойства стекла определяются главным образом его составом.

В состав стекла входят различные окислы:Si02l Na20, CaO, MgO, B2O3, Al2O3 и др. Среди видов неорганических стекол (боросиликатные, боратные и др.) особенно большая роль в практике принадлежит стеклам, сплавленным на основе кремнезема, - силикатным стеклам. Вводя в состав стекла определенные окислы, получают стекла с заранее заданными физико-химическими свойствами. Наиболее простой состав имеет стекло, полученное расплавлением чистого кремнезема до образования стекловидной массы. Из такого стекла обычно изготовляют так называемую кварцевую посуду, которая обладает большой термической и химической стойкостью.

Свойства стекла зависят от входящих компонентов и их соотношений в сплаве. К наиболее важным качествам стекла относится его химическая стойкость.

Химическая устойчивость характеризует сопротивляемость стекол разрушающему действию агрессивных сред. На стекло воздействуют различные химические агенты, растворяя его составные части и вызывая коррозию. Одним из самых вредных для стекла веществ является вода, переводящая силикаты в щелочи и создающая благодаря этому затруднения при изготовлении многих инъекционных растворов. Способность воды растворять отдельные составные части стекла начинает проявляться уже в первые минуты контакта водного раствора со стеклом даже при комнатной температуре и усиливается при хранении. Стерилизация оказывает очень сильное влияние и сдвиг рН.

Явления, происходящие в результате воздействия различных водных растворов - на стекло ампул, станут понятными, если учесть, что поверхностный слой стекла всегда насыщен ионами щелочных и щелочноземельных металлов "благодаря их высокой подвижности (и небольшому заряду по сравнению с высоким зарядом четырехвалентного иона кремния). По этой причине ион натрия даже при комнатной температуре может замешаться другими ионами. Ионы щелочных металлов легко перемещаются из внутренних слоев стекла на место ионов, вступивших в реакцию.

При воздействии на стекло растворов кислот происходит нейтрализация щелочи, причем если раствор содержит относительно много кислоты (рН 3,0 и ниже), то выщелачивание поверхности стекла происходит без заметного изменения концентрации водородных ионов. Если же на стекло действуют растворы с рН выше 3,0 и вода, то реакция нейтрализации весьма заметно отражается на концентрации водородных ионов и рН резко возрастает. При воздействии растворов кислот и воды реакции выщелачивания сопровождаются образованием на поверхности стекла гидратной кремнеземистой пленки, обогащенной щелочноземельными компонентами стекла. Толщина этой пленки постепенно увеличивается, что затрудняет выход щелочных металлов из внутренних слоев стекла. В связи с этим процесс выщелачивания, начавшийся вначале быстро, постепенно затухает, что видно из кривых, которые, достигнув максимума, далее идут параллельно оси абсцисс.

По-другому протекает воздействие щелочных растворов на поверхность стекла. Вначале они не образуют пленок, а растворяют и смывают поверхностный слой, разрывая при этом связи Si-О-Si и приводя к образованию групп Si-О-Na

Определение химической стойкости. Химическая стойкость стекла в некоторых случаях может быть определена уже по внешнему его виду. При хранении на стекле появляется пленка влаги, постепенно переводящая силикаты в щелочи. Углекислота воздуха вступает во взаимодействие со щелочами, образуя карбонаты щелочноземельных металлов, выветривающиеся после высыхания водной пленки и оставляющие грязный налет. Таким образом, чистота стеклянных трубок является первым признаком их доброкачественности. Загрязнения говорят о низкой химической стойкости стекла. Основными методами определения доброкачественности ампульного стекла являются химические. Из них официнальным считается метод, принятый ГОСТ 10780-64.

Отобранные ампулы тщательно промывают горячей водой, дважды ополаскивают дистиллированной водой, наполняют свежеперегн энной дистиллированной водой (рН 5,0-6,8) до номинальной вместимости и запаивают. Ампулы автоклавируют в течение 30 мин при давлении 2 ата, а затем после их охлаждения определяют при помощи рН-метра сдвиг рН воды, извлеченной из ампул, по отношению к рН исходной дистиллированной воды. Сдвиг рН должен быть не выше 2,9 для ампул, изготовленных из стекла марки АБ-1, не более 1,3 для марки НС-1 и 2,0 для марки НС-2.Ввиду того что растворы различных лекарственных веществ по-разному агрессивны по отношению к стеклу, лучше испытывать ампулы с теми лекарственными веществами, для которых они предназначены.

Из других известных методов простотой отличается фенолфталеиновый метод (предложен Д. И. Поповым и Б. А. Клячкиной). Ампулы заполняют водным раствором индикатора (1 капля 1% спиртового раствора фенолфталеина на 2 мл воды), запаивают и деляг на три части:одну часть ампул стерилизуют 30 мин при 100 °С, другую - 20 мин при 120 °С и третью оставляют для контроля. В ампулах из химически стойкого стекла (НС-1) не наблюдается красного окрашивания даже при автоклавировании. Если это окрашивание появилось после автоклавирования, но отсутствовало после стерилизации при 100 °С, такие ампулы рассматриваются как менее стойкие (НС-2). Окраска в обоих случаях стерилизации говорит о малой химической стойкости ампул (АБ-1); они пригодны для наполнения только масляными растворами. При определении химической стойкости ампул необходимо учитывать удельную поверхность их, т. е. отношение внутренней поверхности ампулы к объему находящейся в ней.

Определение термической стойкости. Ампулы должны обладать не только химической, но и термической стойкостью, т. е. не разрушаться при резких колебаниях температуры, в частности при стерилизации. Проверку термической стойкости производят следующим образом:испытуемые ампулы наполняют дистиллированной водой, запаивают и нагревают в автоклаве при 120°С в течение 30 мин. Партию ампул считают годной, если не менее 95% ампул взятой пробы останутся целыми.

При оценке доброкачественности ампульного стекла немаловажное значение имеют его легкоплавкость, бесцветность и прозрачность.

Легкоплавкость стекла. Ампульное стекло должно быть достаточно легкоплавким, чтобы шейку ампулы можно было быстро запаять в пламени горелки. Легкоплавкость устанавливают практическим путем, так как нормы еще не разработаны,

Бесцветность и прозрачность стекла. Эти качества стекла дают возможность заменить в инъекционном растворе механические загрязнения (волоски, осколки стекла, обрывки фильтровального материала), а также признаки порчи растворов (помутнение, появление осадка, изменение цвета раствора и т.д.). Применять оранжевые или другого цвета стекла рекомендуется не всегда, ибо в таких ампулах нельзя заметить изменений окраски растворов (адреналина и некоторых других). Кроме того, по литературным данным, применение ампул из желтого стекла в некоторых случаях (растворы натрия аскорбината) является вредным, так как при стерилизации из стекла выделяется остаточное количество железа. В заключение нужно указать, что ампулы с инъекционными растворами сохраняют уложенными в коробки, куда не проникает свет.

Химическая стойкость. Химической стойкостью называется способность стекла противостоять разрушающему действию воды, растворов солей, влаги и газов атмосферы. Стойкость стекла к действию щелочей называется щелочестойкостью, к действию кислот - кислотостойкостью. С увеличением в стекле содержания щелочей оксидов (Na2O или K2O) химическая стойкость стекла снижается. Введение в состав стекла оксидов цинка, циркония, магния, бария способствует повышению химической стойкости стекла.

Химическую стойкость стекла определяют по разности массы образца до и после испытания. Для испытания приготовляют порошок из стекла или массивный образец стекла, взвешивают его и затем кипятят в агрессивной среде, чаще всего в растворах NaOH, Na2CO3, HCl и дистиллированной воде. После опыта образец высушивают и взвешивают на аналитических весах. Потеря в массе стекла и характеризует его химическую стойкость. Химическую стойкость определяют также титрованием кислотой (HCl) раствора, в котором было обработано испытуемое стекло. В этом случае химическая стойкость характеризуется количеством кислоты, затраченной на титрование:чем больше израсходовано кислоты на титрование, тем меньше химическая стойкость стекла. Щелочестойкость оконного стекла определяют попотере массы с 1 дм2 пластины стекла при обработке ее в кипящем однонормальном растворе углекислого натрия в течение 3 ч. Потеря при этом не должна превышать 38 мг с 1 дм2 поверхности.

В зависимости от способности стекол противостоять разрушающему действию воды и других агрессивных растворов их подразделяют на гидролитические классы, которые определяются количеством HCl, пошедшим на титрование.

Гидролитические классы (расход HCl, мл):- не изменяемые водой стекла - 0-0,32,- устойчивые стекла - 0,32-0,65,- твердые аппаратные стекла - 0,65-2,8,- мягкие аппаратные стекла - 2,8-6,5,- неудовлетворительные стекла - 6,5 и больше.

Наибольшую химическую стойкость имеет кварцевое стекло, оно относится к I гидролитическому классу, химико-лабораторные стекла, как правило, ко II. Большинство промышленных стекол принадлежит к самому обширному - III гидролитическому классу, а наиболее устойчивые из них - оконное и полированное - к первой половине этого класса.

Химическая стойкость силикатных стекол в основном зависит от химического состава и определяется содержанием в них кремнезема. SiO2 значительно увеличивает химическую стойкость стекла, щелочные же окислы, как правило, понижают ее. Другие компоненты стекла ведут себя по-разному по отношению к различным реагентам. Поэтому при подборе химических составов стекол руководствуются тем, в каких условиях они будут использоваться.

Плотность стекла в зависимости от химического состава изменяется от 22 до 70·102 кг/м3. Минимальную плотность имеет кварцевое стекло (22·102 кг/м3), а плотность стекол, содержащих большое количество оксида свинца, достигает 70·102 кг/м3.

С повышением температуры плотность силикатных стекол понижается на 15 кг/м3 на каждые 100°С. Отжиг стекла влияет на плотность. Так, плохо отожженное стекло одного и того же химического состава имеет плотность на 10 ... 20 кг/м3, а закаленное на 80 ... 90 кг/м3 ниже, чем отожженное. С изменением химического состава стекла его плотность заметно изменяется, поэтому на практике она служит косвенным средством контроля постоянства состава стекла.

Больше половины всего выплавляемого стекла перерабатывается на листы для остекления зданий. Широкое применение в строительстве нашли изделия из стекловолокнистых материалов (стеклянная вата, маты, жгуты и др.), которые используются в качестве тепло- и звукоизоляторов. Они не гниют и не плесневеют, обладают малым объемным весом, огнестойкостью и вибростойкостью.

Около трети всей стекольной продукции - сосуды самого разнообразного типа, фасона и назначения. Замечательные декоративные свойства стекла (способность воспринимать различные окраски, передавать игру света, разнообразие в переходах от кристальной прозрачности через все степени замутнения до полной непрозрачности) обусловили существование особой группы изделий, объединяемых общим названием "художественное стекло". Сюда относится художественная столовая посуда, монументальные стеклянные изделия (барельефы, торшеры, вазы, люстры и др.) и разнообразные отделочные материалы (плитки и листы для облицовки стен, полов зданий, карнизы, фризы и др., использование стекла в витражах). Одной из важных отраслей художественного стеклоделия является производство смальт (непрозрачных стекол) широкого ассортимента. Эти стекла используются при создании монументальных стенных панно в технике мозаичной живописи, родственной технике витража.

В виде стеклоэмалей, непрозрачных тонких стекловидных слоев различных цветов, стекло используется как защитное покрытие, предохраняющее металлические изделия от разрушения и придающее им внешний вид, удовлетворяющий эксплуатационным и эстетическим требованиям. Стеклоэмали применяются при изготовлении химической и пищевой аппаратуры, посуды, изделий санитарной техники, труб, вывесок, облицовочных плиток, ювелирных изделий.

Оптическая промышленность и оптическое стекло позволили создать современные точнейшие оптические приборы во всем разнообразии их типов и назначений (обычные очки, микроскопы, телескопы, фото- и киноаппараты и др.).

Особо чистое кварцевое стекло используется для изготовления волоконных световодов при создании волоконно-оптических линий связи, позволяющих передавать большие объемы информации. Отдельный класс стекол образуют так называемые лазерные стекла. Это многокомпонентные стекла различной природы (силикатные, фосфатные, фторбериллатные, боратные, теллуритные и др.), активированные неодимом. Лазеры могут быть миниатюрными, как, например, используемые в медицине, и могут представлять собой мощные системы, применяемые в термоядерном синтезе. Лазеры применяются также в научных исследованиях, геодезии, при точной обработке металлов.

Из краткого обзора областей применения стекла очевидно, что необходимо изготавливать стекла, разные по свойствам:особо химически стойкие, особо прочные механически, обладающие определенными коэффициентами термического расширения, заданными оптическими и электрическими константами и др. Поэтому неудивительно, что исследователи прилагают много усилий для постижения природы стекла, выяснения влияния разнообразных факторов на его различные свойства.

Стекло в строительстве и интерьере

СТЕКЛО СТРОИТЕЛЬНОЕ - изделия из стекла, применяемые в строительстве.

Строительное стекло содержит (%):75-80% SiO2, 10-15% CaO, Около 15% Na2O.

Оно служит для остекления световых проёмов, устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок, облицовки и отделки стен, лестниц и других частей зданий. К строительным стеклам, относят также тепло- и звукоизоляционные материалы из стекла (пеностекло и стеклянная вата), стеклянные трубы для скрытой электропроводки, водопровода, канализации и других целей, архитектурные детали, элементы стекложелезобетонных перекрытий и т. д.

Большая часть ассортимента строительного стекала служит для остекления световых проёмов:листовое оконное стекло, зеркальное, рифлёное, армированное, узорчатое, двухслойное, пустотелые блоки и др. Тот же ассортимент стекла может быть использован и для устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок.

Листовое оконное стекло, наиболее широко применяемое в строительстве, вырабатывается из расплавленной стекломассы, главным образом вертикальным или горизонтальным непрерывным вытягиванием ленты, от которой по мере её охлаждения и затвердевания отрезаются от одного конца листы требуемых размеров. Существенным недостатком листового оконного стекла является наличие некоторой волнистости, искажающей предметы, просматриваемые через него (в особенности под острым углом).

Зеркальное стекло обрабатывается шлифованием и полировкой с обеих сторон, благодаря чему оно обладает минимальными оптическим искажениями. Современный наиболее распространённый способ производства зеркального стекла состоит в горизонтальной непрерывной прокатке стекломассы между двумя валами, отжиге отформованной ленты в туннельной печи, шлифовке и полировке намеханизированных и автоматизированных конвейерных установках. Зеркальное стекло изготовляется толщиной от 4 мм и выше (в особых случаях - до 40 мм), для варки его применяют высококачественные материалы, поэтому оно обладает и более высоким светопропусканием, чем обычное оконное стекло; применяется главным образом для остекления окон и дверей в общественных зданиях, витрин и дляизготовления зеркал; механические свойства мало отличаются от механических свойств оконного стекла.

Прокатное узорчатое стекло имеет узорчатую поверхность, получаемую путём прокатки между двумя валками, один из которых рифлёный; вырабатывается как бесцветное, так и цветное; применяется в тех случаях, когда требуется получить рассеянный свет.Узорчатое стекло с матовыми или «морозным» рисунком применяется для внутренних перегородок, дверных филёнок и остекления лестничных клеток; изготовляется путём обработки поверхности оконного или зеркального стекла. Матовый рисунок получается обработкой поверхности струей песка под шаблон. Рисунок, напоминающий морозный узор на стекле, получают нанесением на поверхность слоя животного клея, который в процессе сушки отрывается вместе с верхними слоями стекла.

Армированное стекло содержит в толще своей проволочную сетку; оно более прочно, чем обычное; при разбивании ударами или растрескивании во время пожара осколки его рассыпаются, будучи связанными арматурой; поэтому армированное стекло применяют для остекления фонарей промышленных и общественных зданий, кабин подъёмников, лестничных клеток, проёмов противопожарных стен. Вырабатывается методом непрерывного проката между валками с закаткой проволочной сетки, сматываемой с отдельного барабана. Волнистое армированное стекло, по форме напоминающее волнистые асбестоцементные листы, применяется для устройства перегородок, фонарей, перекрытия стеклянных галерей и пассажей.

Сдвоенные (пакетные) стекла с воздушной или светорассеивающей прослойкой (например, из стеклянного волокна)обладают хорошими теплоизоляционными свойствами; изготовляются путём склейки 2 оконных стекол спрокладной рамкой. Толщина сдвоенных стекол с воздушной прослойкой 12-15 мм. Пустотелые стеклянные блоки изготовляются путём прессования и последующей сварки двух стеклянных полукоробок; применяются для заполнения световых проёмов, главным образом в промышленных зданиях; обеспечивают хорошую освещённость рабочих мест и обладают высокими теплоизоляционными свойствами. Укладка блоков в проёмы производится на строительном растворе в виде панелей, перевязанных металлич. переплётами.

Облицовочное стекло (марблит) представляет собой непрозрачное цветное листовое стекло.

Изготовляется путём периодической прокатки стекломассы на литейном столе с последующим отжигом в туннельных печах. Применяется для отделки фасадов и интерьеров жилых и общественных зданий. К облицовочному стеклу относится также цветное металлизированное стекло.

СТЕКЛО КВАРЦЕВОЕ - содержит не менее 99% SiO - (кварца). Кварцевое стекло выплавляют при температуре более 1700° С из самых чистых разновидностей кристаллического кварца, горного хрусталя, жильного кварца или чистых кварцевых песков. Кварцевое стекло пропускает ультрафиолетовые лучи, имеет очень высокую температуру плавления, благодаря небольшому коэффициенту расширения выдерживает резкое изменение температур, стойкое по отношению к воде и кислотам. Кварцевое стекло применяют для изготовления лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, изоляционных материалов, ртутных ламп («горное солнце»), применяемых в медицине и др.

СТЕКЛО ОРГАНИЧЕСКОЕ (плексиглас) - прозрачная бесцветная пластическая масса, образующаяся при полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты. Легко поддается механической обработке. Применяется как листовое стекло в авиа- и машиностроении, для изготовления бытовых изделий, средств защиты в лабораториях и др.

СТЕКЛО РАСТВОРИМОЕ - смесь силикатов натрия и калия (или только натрия), водные растворы которых называются жидким стеклом. Растворимое стекло применяют для изготовления кислотоупорных цементов и бетонов, для пропитки тканей, изготовления огнезащитных красок, силика-геля, для укрепления слабых грунтов, канцелярского клея и др.

СТЕКЛО ХИМИКО-ЛАБОРАТОРНОЕ - стекло, обладающее высокой химической и термической стойкостью. Для повышения этих свойств в состав стекла вводят оксиды цинка и бора.

СТЕКЛОВОЛОКНО - искусственное волокно строго цилиндрической формы с гладкой поверхностью, получаемое вытягиванием или расчленением расплавленного стекла. Широко применяется в химической промышленности для фильтрации горячих кислых и щелочных растворов, очистки горячего воздуха и газов, изготовления сальниковых набивок в кислотных насосах, армирования стеклопластиков и др.

Почему в домашнем интерьере мало применяется стекло? Наверное, потому, что еще сильно предубеждение, что оно не прочно и опасно своими острейшими осколками при разрушении.

Но присмотритесь, сколько стеклянных изделий нас окружает и служит нам годами:зеркала в прихожей и ванной, окна, в серванте и книжном шкафу.

Много ли из них у вас разбивалось и приносило неприятности?

Думается, что нет, по крайней мере, ничуть не больше других предметов домашнего интерьера.

Более смело применяется стекло в офисных помещениях. Деловые люди давно оценили преимущество стекла перед другими материалами. Это его способность при перепланировке помещения не уменьшать количество света.

Стекло не скрадывает объем, а зеркала делает его даже больше что придает интерьеру уют и солидность.

МатериалПредел прочности приУдарная прочностьсжатиирастяженииизгибеСталь200 Мпа200 Мпа200 Мпа200 МпаСтекло1500 Мпа50 Мпа20 Мпа6 МпаСтекло закалённое1100 Мпа300 Мпа200 Мпа30 Мпа

Из этой таблицы видно, насколько разными характеристиками обладает стекло при различных нагрузках. Максимальную прочность стекло имеет при сжатии (в 7 раз прочнее стали!). Самое слабое место стекла - его невосприимчивость к ударам. Но эту характеристику можно улучшить в 5 раз закалкой. Повысить ударную прочность еще в несколько раз, склеивание стекла между собой. Получиться "триплекс". По такой технологии делается автомобильное стекло и бронестекло. Даже разрушавшись, оно сохраняет свою несущую способность. Таким образом, можно компенсировать недостатки стекла и сделать его прочность подобным другим материалом.

Самое главное преимущество стекла перед другими материалами - это его прозрачность. Современная архитектура сейчас явно стремиться к максимуму естественного света и минимуму контрасту с окружающей природой. Единственный материал при этом можно использовать, это стекло. Потому и существует огромное количество его разновидностей. Стекло можно сделать цветным, навести на него рисунок, сделать солнцезащитным или энергосберегающим (при внешнем остеклении). При оформлении интерьеров можно использовать различную обработку стекла:полирование кромок, нанесение фацетов, тонирование, молирование (гибка стекла в термокамере), пескоструйную обработку и множество других операций. Любую идею дизайнера можно перенести на стекло.

Еще одно из важнейших свойств стекла - это его экологичность. Основой стекла является кремний. Его соединения, силикаты, распространены в природе в огромном количестве минералов. Ни сырье, ни сам продукт - стекло, не наносит природе ни какого вреда.

Оформление интерьера- это сложный творческий процесс, который требует массы сил, фантазий и навыков. Конечно же, можно воспользоваться услугами профессионального дизайнера интерьера, который поможет быстро и качественно спланировать все нюансы и моменты, касательные оформления квартир или домов. Сегодня нам известно огромное множество современных стилей в дизайне интерьера, но не зная их особенностей и значения, потеряться в стилях очень несложно. Хай- тек, постмодерн, модерн, классицизм, минимализм и многие другие. Прочитав названия достаточно непонятно, что из себя представляет то или иное направление в дизайне.

Очень популярным сегодня является стиль "Хай- тек", это совершенно неудивительно, ведь входящие в интерьер детали и элементы выполнены из стекла, металла и пластика. В комнате, выполненной в подобном стиле часто встречаются стеклянные полы и стеклянные межкомнатные двери. Это выглядит не только очень модно и стильно, но и обеспечивает квартиру множеством полезных функций. Стекло изолирует помещение от излишних шумов и температур. Кроме всего прочего, современные стеклянные элементы дома настолько прочны, что могут посоревноваться в качественных показателях даже с древесиной и металлом.

При отделке интерьера не менее распространено именно цветное стекло.

Обычная стеклянная масса после остывания имеет желтовато-зелёный или голубовато-зелёный оттенок. Стеклу можно придать окраску, если в состав шихты произвести включение, например, тех или иных оксидов металлов, которые в процессе варки изменят его структуру, что после остывания, в свою очередь, заставляет стёкла выделять определённые цвета из спектра проходящего сквозь них света. Железистые соединения окрашивают стекло в цвета - от голубовато-зелёных и жёлтых до красно-бурых, окись марганца - от жёлтых и коричневых до фиолетовых, окись хрома - в травянисто-зелёный, окись урана - в желтовато-зелёный (урановое стекло), окись кобальта - в синий (кобальтовое стекло), окись никеля - от фиолетового до серо-коричневого, окись сурьмы или сульфид натрия - в жёлтый (в самый же красивый жёлтый окрашивает, однако, коллоидное серебро), окись меди - в красный (так называемый медный рубин в отличие от золотого рубина, получаемого прибавкой коллоидного золота). Костяное стекло получается замутнением стекломассы пережжённой костью, а молочное - прибавкой смеси полевого и плавикового шпата. Теми же прибавками, замутив стекломассу в очень слабой степени, получают опаловое стекло. Окрашенные стёкла, помимо других областей применения, используют в качестве цветных светофильтров.

Каленое стекло выдерживает огромные массы, поэтому половое покрытие, выполненное из этого материала будет служить долгое время и при этом показывать самые достойные характеристики. Во- первых, за стеклянными элементами очень удобно ухаживать, достаточно регулярно протирать пол или двери специальными средствами для стекла, которые не включают в свой состав абразивов. Стеклянный пол может быть выполнен из глянцевого (блестящего) стела, а может быть матовым. Это еще и очень характерно для тех помещений, которые требуют визуального увеличения пространства. Стеклянные двери могут быть также матовыми или прозрачными глянцевыми. А также специально по заказу можно приобрести уникальную межкомнатную дверь с внутренним рисунком по стеклу, выполненным лазером. Это очень оригинально и эффектно.

Посуда из стекла

Способность "принимать" и сохранять пищу, и напитки определяется следующими групповыми показателями:химической стойкостью к пище и напиткам, стойкостью к атмосферным воздействиям, стойкостью к тепловым воздействиям, стойкостью к механическим воздействиям. Способность "отдавать" пищу и напитки:функциональностью объемно-пространственного решения и универсальностью.

Эргономические свойства предопределяют прежде всего удобство (комфортность) пользования и гигиеничность стеклоизделий. Комфортность бытовой посуды определяется удобством держания, переноса, выполнения функций хранения, мойки, а также удобством транспортирования и хранения. Гигиенические свойства обусловлены прежде всего природой и свойствами стекла и характеризуются такими групповыми показателями как безвредность и загрязняемость.

Механические свойства стекла характеризуются отсутствием пластических деформаций, высокой прочностью при сжатии (500-800 МПа) и низкой при растяжении, изгибе (25-100 МПа) и особенно при ударе (15-20 МПа). Прочность зависит от химического состава:увеличивается от наличия в составе стекла SiO2, Аl2Оз, В2Оз, МgО и уменьшается от присутствия щелочных оксидов, РЬО. Однако решающее влияние оказывает внутренняя структура стекла, состояние поверхности, наличие на ней дефектов. Прочность повышают путем закалки, ионного обмена в расплавах солей, нанесения на поверхность оксидно-металлических покрытий и другими приемами.

Термические свойства стекла характеризуются весьма низкой теплопроводностью, значительной теплоемкостью и термическим расширением. Термическая устойчивость изделий увеличивается с повышением механической прочности стекла, теплопроводности и с уменьшением термического расширения и теплоемкости. Мерой термостойкости служит перепад температур, который выдерживает изделие без разрушения. Термостойкость кварцевого стекла - 1000°С, посуды из сортового стекла - 95°, посуды из ситаллов - 300-600°С.

Стекло оптическое - прозрачное стекло любого химического состава, обладающее высокой стептнью однородности. Содержат 46,4% РЬО, 47,0% Si0 и другие оксиды; кроны - 72% SiO щелочные и другие оксиды.

Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др. Стекло для оптических приборов изготовлялось уже в 18 веке, однако возникновения собственно производства оптического стекла относится к началу 19 века, когда швейцарским учёным П. Гинаном был изобретён способ механического размешивания стекломассы во время варки и охлаждения - круговым движением глиняного стержня, вертикальнопогруженного в стекло. Этот приём, сохранившийся до настоящего времени, позволил получить стекло высокой степени однородности. Производство оптического стекла получило дальнейшее развитие благодаря совместным работам немецких учёных Э. Аббе и Ф.О. Шотта, в результате которых в 1886 возник известный стекольный завод товарищества Шотт в Иене (Германия), впервые выпустивший огромное многообразие современных оптических стекол. До 1914 производство оптического стекла существовало только в Англии, Франции и Германии. В России начало производства оптического стекла относится к 1916. Оно достигло большого развития только после

Великой Октябрьской социалистической революции благодаря работам советских учёных Д.С. Рождественского, И.В. Гребенщикова, Г.Ю. Жуковского, Н.Н. Качалова и др.

Основное требование, предъявляемое к оптическому стеклу - это высокая степень однородности. Отсутствие однородности вызывает отклонение лучей света от их правильного пути, что делает стекло негодным для его прямого назначения. Однородность оптического стекла нарушается причинами химического и физического порядка. Химическая неоднородность обусловлена местными изменениями химического состава и устраняется размешиванием оптического стекла в процессе варки. Физическая неоднородность вызывается напряжениями, возникающими в процессе охлаждения оптического стекла, и устраняется тщательным отжигом. Оптическое стекло должно иметь определённые оптические свойства - точные величины показателей преломления для лучей различных длин волн. Большой ассортимент оптического стекла с различными показателями преломления и средней дисперсией имеет огромное значение при расчёте и конструировании оптич. систем для снижения их дефектов, в частности для уничтожения вредного влияния вторичного спектра и исправления качества изображения.

Оптические свойства стекла зависят от его химического состава. Разнообразным сочетанием окислов удаётся получить стекло с требуемыми значениями оптических постоянных. Некоторые сорта оптического стекла, например, не содержат кремнезёма (основного составляющего любого стекла), другие содержат обычно применяемые окислители, но в чрезвычайно больших количествах. Прозрачность оптического стекла должна быть высокой, порядка 90-97% на 100 мм пути луча в стекле. Оптическое стекло должно быть химически устойчивым по отношению к действию влажной атмосферы и к действию слабых кислот, характеризующему «пятнимость» их, т.е. чувствительность к прикосновению рук.

Для производства оптического стекла применяются такие же сырьевые материалы, как и для других типов стекол. Однако требования к чистоте сырья весьма высоки. Особенно вредными примесями являются соединения железа и хрома, окрашивающие стекло и увеличивающие его светопоглощение. Варка оптического стекла производится в одно-, двухгоршковых печах. Важнейшая операция в производстве оптического стекла размешивание стекла в процессе варки и особенно в процессе охлаждения.

Для разделки оптического стекла применяются три способа:

) охлаждение стекла вместе с горшком с последующей разбивкой на куски и формовкой этих кусков в нагретом состоянии;

) отливка стекломассы в железную форму;

) прокатка в лист отлитой на стол стекломассы.

Оптические стекла выпускаются стекловаренными заводами в виде прямоугольных кусков различных размеров «плитки» и в виде заготовок - «прессовки» (линзы, призмы). К оптическим стеклам можно отнести также и специально окрашенные цветные стекла, применяемые для изготовления точных светофильтров, которые в виде плоскопараллельных пластин часто применяются в оптических приборах и служат для изменения спектрального состава проходящего через них света. Эти цветные стекла изготовляются на заводах оптического стекла теми же приёмами, что и оптическое стекло.

История стекла

Долгое время первенство в открытии стеклоделия признавалось за Египтом, чему несомненным свидетельством считались глазурованные стеклом фаянсовые плитки внутренних облицовок пирамиды Джессера (27ой век до н.э.); к ещё более раннему периоду (первой династии фараонов) относятся находки фаянсовых украшений, то есть стекло существовало в Египте уже 5 тысяч лет назад. Археология Двуречья, в особенности - Древних Шумера и Аккада, склоняет исследователей к тому, что немногим менее древними образцом стеклоделия следует считать памятник, найденный в Месопотамии в районе Ашнунака - цилиндрическую печать из прозрачного стекла, датируемую периодом династии Аккада, то есть возраст её - около четырёх с половиной тысяч лет. Бусина зеленоватого цвета диаметром около 9 мм, хранящаяся в Берлинском музее, считается одним из древнейших образцов стеклоделия. Найдена она была египтологом Флиндерсом Питри около Фив, по некоторым представлениям ей пять с половиной тысяч лет. Н. Н. Качалов отмечает, что на территории Старовавилонского царства археологи регулярно находят сосудики для благовоний местного происхождения, выполненные в той же технике, что и египетские. Учёный утверждает - есть все основания считать, «что в Египте и в странах Передней Азии истоки стеклоделия… отделяются от наших дней промежутком приблизительно в шесть тысяч лет».

Существует также несколько легенд, с той или иной степенью правдоподобия толкующих возможные предпосылки того, как сложилась технология. Н. Н. Качалов воспроизводит одну из них, поведанную античным естествоиспытателем и историком Плинием Старшим (I век). Эта мифологическая версия гласит, что однажды финикийские купцы на песчаном берегу, за неимением камней, сложили очаг из перевозимой ими африканской соды - утром на месте кострища они обнаружили стеклянный слиток.

Изучающие историю происхождения этого материала когда-нибудь придут к единому мнению и относительно места - Египет, Финикия или Месопотамия, Африка или Восточное Средиземноморье и т. д., - и относительно времени - «около 6 тысяч лет назад», но характерную для феноменологии естествознания черту - «синхронность открытий», можно наблюдать по некоторым признакам и в данном случае, причём не имеет большого значения разница даже в сотни лет, в особенности, когда в реконструируемом способе варки стекла прослеживаются существенные различия.

Актуальность легенд, повествующих о зарождении стеклоделия, сводится не столько к историческим и этногеографическим аспектам, которые с точки зрения теории познания лишь косвенно важны, - сколько к происхождению технологии как таковой, словно отделившейся от «случайных» процессов гончарных ремёсел, и ставшей отправной точкой для создания материала с новыми свойствами - первым шагом к управлению ими, а в дальнейшем - к постижению строения.

В изучении технологии египетского стекловарения определённых успехов добился английский исследователь А. Лукас. Его сведения дают следующее представление о развитии стекольного производства Египта «архаического» периода, который заканчивается IV тысячелетием до н. э.

Так называемый «египетский фаянс» (бусы, амулеты, подвески, небольшие пластинки для инкрустаций) представляет собой изделия, покрытые зеленовато-голубой глазурью. Отнесение их к тому, с чем ассоциируется в настоящее время «фаянс» нельзя считать правильным, поскольку отсутствует главный признак этой категории изделий - глиняный черепок. Известен египетский фаянс с «черепком» трёх родов:стеатит, мягкая кварцевая мука и цельный природный кварц. Существует мнение, что наиболее ранние образцы изготовлены из стеатита. Минерал этот по составу представляет собой силикат магния, он присутствует в природе в больших количествах. Изделия, вырезанные из куска стеатита, для получения глазури покрывались порошкообразной смесью из сырых материалов, входящих в её состав, и обжигались. Глазурь эта, по химическому составу представляющая собой силикат натрия с небольшой примесью кальция - не что иное как легкоплавкое стекло, окрашенное в голубые и зеленовато-голубые тона медью, иногда с изрядной примесью железа.

Египетские стеклоделы плавили стекло на открытых очагах в глиняных мисках. Спёкшиеся куски бросали раскалёнными в воду, где они растрескивались, и эти обломки, так называемые фритты, растирались в пыль жерновами и снова плавились.

Фриттование использовалось ещё долго после Средневековья, поэтому на старых гравюрах и при археологических раскопках мы всегда находим две печи - одну для предварительной плавки и другую для плавки фритт. Необходимая температура проплавления составляет 1450 °C, а рабочая температура - 1100-1200 °C. Средневековая плавильная печь («гуть» - по чешски) представляла собой низкий, топящийся дровами свод, где в глиняных горшках плавилось стекло. Выложенная только из камней и глинозёма, долго она не выдерживала, но надолго не хватало и запаса дров. Поэтому, когда лес вокруг гуты вырубали, её переводили на новое место, где леса было ещё в достатке. Ещё одной печью, обычно соединяемой с плавильной, была отжигательная печь - для закалки, где готовое изделие нагревалось почти до точки размягчения стекла, а затем - быстро охлаждалось, чтобы тем самым компенсировать напряжения в стекле (предотвратить кристаллизацию). В виде такой конструкции стеклоплавильная печь продержалась до конца XVII века, однако нехватка дров вынуждала некоторые гуты, особенно в Англии, уже в XVII веке переходить на уголь; а так как улетучивающаяся из угля двуокись серы окрашивала стекло в жёлтый цвет, англичане начали плавить стекло в замкнутых, так называемых крытых горшках. Этим плавильный процесс затруднялся и замедлялся, так что приходилось подготавливать шихту не такой твёрдой, и тем не менее однако уже в конце XVIII века преобладающей делается топка углем. Интересны сведения, имеющие отношение и к истории стекла и тому факту, что стекло, в общем смысле, за время своего существования, в отличие от многих других материалов, не претерпело практически никаких изменений (самые ранние образцы того, что стали называть стеклом ничем не отличаются от известного всем - бутылочного; исключением, конечно, являются виды стёкол с заданными свойствами), однако в данном случае речь идёт о веществе и материале минерального происхождения, нашедшем применение в современной практике.

Рис. 4 - Диатрета. Вторая половина IV века

Рис. 5 - Скифос. Цветное стекло. Восточное Средиземноморье. Первая половина I в. Эрмитаж

Заключение

Несмотря на то, что стекло известно с древнейших времен и находит широкое применение практически во всех областях человеческой деятельности, природа стеклообразного состояния, понимание процессов стеклования на атомно-молекулярном уровне далеки от создания теории стеклообразного состояния, аналогичной по своей общности теории кристаллического состояния. Жаркие дискуссии по определению понятия «стеклообразное состояние» отражают сложность решаемой проблемы. По сравнению с началом века к настоящему времени в связи с развитием техники структурно-чувствительных методов исследования стекла, а также некоторых разделов теоретической физики, примененных к интерпретации полученных экспериментальных результатов и созданию новых модельных представлений, произошло существенное углубление взглядов на стекло. Оно выражается в переходе от качественных гипотез (кристаллитная гипотеза и гипотеза беспорядочной сетки) к выработке количественных критериев для описания стеклообразного состояния.

Не вызывает сомнения, что развитие исследований в этой области будет стимулировать дальнейшее совершенствование прогнозирования составов стекол с заданными свойствами, их технологий изготовления, экспериментальных и теоретических методов исследования.

Список используемой литературы

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Стекло и другие Интернет-ресурсы.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Стекло известно человечеству уже не первое тысячелетие. Сначала люди научились добывать и использовать природные стекла, к которым относится, например, янтарь и горный хрусталь вулканического происхождения. Затем древние мастера научились и самостоятельно получать силикатные стекла сплавлением смеси кварцевого песка (SiO 2), соды (Na 2 CO 3) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na 2 O•CaO•6SiO 2 .

Процесс получения различных стекол в течение тысяч лет был скорее искусством, доступным отдельным мастерам, однако в новое время появилась единая методология получения различных видов стекол, существующая уже несколько столетий.

Тем не менее, как устроено стекло и в чём причина его уникальных механических свойств, учёные до сих пор не понимают.

Жаркие дебаты, касающиеся природы и механизма возникновения стеклообразного состояния твердых тел, продолжаются и поныне.

Школьная программа классифицирует стекло как твердое вещество в аморфном состоянии, но, чем стеклообразное состояние отличается от жидкости, пояснить может далеко не каждый кандидат химических наук. Связано это, прежде всего, с тем, что до сих пор никому не удалось экспериментально показать, какую же структуру имеет стекло на самом деле.

В отличие от кристаллических твердых тел, где все атомы упакованы в упорядоченную кристаллическую решетку, в стеклообразном состоянии такой дальний порядок расположения атомов отсутствует. С другой стороны, нельзя стекло назвать и сверхвязкой жидкостью, обладающей лишь ближним порядком — взаимным упорядочением только соседних молекул и атомов. Дифракционные методы исследования, успешно применяемые для исследования структуры твердых тел, показали, что для стекол характерно наличие так называемого среднего порядка упорядочения атомов — на расстояниях, лишь немногим превышающих межатомные.

Все эти работы позволили выяснить, что в стекле каждая такая локальная группировка атомов содержит одну-две ячейки. Они подобны ячейкам кристаллической решетки, однако искажены друг относительно друга. Кроме того, многие специалисты склоняются к тому, что многокомпонентные стекла — такие, например, как щелочноборатные стекла M 2 O / B 2 O 3 (М — атом щелочного металла), — являются химически неоднородными и содержат в своей структуре несколько различных типов группировок, различающихся взаимным расположением и количеством задействованных в них атомов. К сожалению, отсутствие дальнего порядка в структуре стекол делает невозможным их тщательное исследование с помощью дифракционных методов анализа, а потому уже почти полвека методы математического моделирования остаются единственным оружием ученых в этой области.

С термодинамических позиций стекло — не что иное, как метастабильная фаза твердого вещества, сильно затянувшийся процесс застывания. При переходе веществ из жидкого состояния в твердое, кристаллическое, происходит понижение внутренней энергии системы, сопровождающееся значительным выделением тепла. Образовывать упорядоченную кристаллическую решетку «выгодно» с энергетических позиций, и именно она — минимум внутренней энергии в кристаллическом состоянии — обуславливает существование большинства твердых тел.

При кристаллизации стекла этот минимум не достигается — атомы в структуре вещества не успевают занять свои кристаллографические позиции.

Однако физические свойства материала — его прочность и стабильность во времени — позволили многим ученым заключить, что структура стекла поддерживается неким локальным минимумом внутренней энергии этого материала, достигаемым еще до формирования кристаллической структуры.

Иначе говоря, атомы в стекле отказываются даже очень медленно сползаться к своим кристаллографическим позициям, как это можно было бы предположить, рассматривая стекло как просто переохлажденную и очень вязкую жидкость. На деле они просто оказываются «заперты» в тех положениях, где оказались при охлаждении из исходного расплава. Их дальнейшее смещение к «настоящему» минимуму энергии потребовало бы перехода через энергетический «перевал», а на такой переход энергию брать неоткуда.

Ещё полвека назад сразу несколько теоретиков, включая бристольского профессора физики Чарльза Фрэнка, предположили, что запирание атомов в структуре стекла происходит из-за формирования ими взаимопроникающих икосаэдрических группировок — 20-гранных объёмных фигур с пятикратной симметрией. К сожалению, отсутствие прямых методов исследования до сих пор не позволяло подтвердить эти выводы экспериментально.

Теперь сотрудникам того же Бристольского университета под руководством Падди Рояла при поддержке коллег из Японии и Австралии удалось показать, что образование структуры стекла действительно приводит к формированию икосаэдрических группировок атомов. Соответствующая принята к публикации в Nature Materials.

Правда, свой эксперимент ученые поставили не на стеклах, а на модельной системе, где вместо атомов использовались частицы коллоидного геля, взвешенные в полимерной матрице. При повышенной температуре такой гель ведет себя как жидкость, а при понижении температуры переходит в твердое состояние благодаря феномену так называемой динамической блокировки, когда локальная структура частиц геля препятствует дальнейшему их движению. Собственно, такая запертость частиц в пространстве и есть не что иное, как локальный минимум внутренней энергии геля.

Хотя подобный гель является довольно упрощенной моделью твердеющего стекла, процессы, сопровождающие формирование его динамически заторможенной структуры, во многом должны быть схожи с процессами затвердевания стекла.

Применение модельной системы понадобилось ученым для того, чтобы организовать прямое наблюдение за его частицами, выстраивающимися в структуру. Для этого ими был применен один из видов оптической микроскопии — конфокальная микроскопия, позволяющий наблюдать за системой микрометровых коллоидных частиц сразу в трех измерениях.

Обработав снимки и видеозаписи, ученые пришли к выводу что динамически заторможенная структура затвердевшего геля действительно формируется из икосаэдрических фигур, имеющих пятикратную симметрию.

Роял полагает, что его работа может лечь в основу создания долгожданной завершенной теории стеклообразного состояния, развитие которой в дальнейшем может привести к появлению методов получения многих подобных материалов.

В интервью журналу New Scientist он пояснил , какими преимуществами могут обладать подобные материалы. Например, многие металлы, полученные в стеклообразном состоянии, могут оказаться намного более привлекательными конструкционными материалами, чем самые дорогие и сложные современные сплавы.

Многие из наших читателей знают об успехе японских специалистов, добившихся необычайной пластичности обычной стали путём создания у последней наноразмерной волокнистой структуры. Если же получить сталь, вовсе лишенную напряжений на межзеренных границах кристаллитов, то такой материал будет, вероятно, на порядки устойчивее к действию разного рода нагрузок.

Окажется ли он прозрачным, как стекло, предсказывать Роял не берется.

СТЕКЛО
Любой материал, который при охлаждении переходит из жидкого состояния в твердое без кристаллизации, правильно называть стеклом независимо от его химического состава. Под это определение подпадают как органические, так и неорганические материалы. Однако стекла, используемые в широком обиходе, почти всегда изготавливают из неорганических оксидов.
СВОЙСТВА
Широкая употребительность стекла обусловлена неповторимым и своеобразным сочетанием физических и химических свойств, не свойственным никакому другому материалу. Например, без стекла, вероятно, не существовало бы обычного электрического освещения в том виде, в каком мы его знаем. Не было найдено никакого другого материала для колбы электрической лампы, который объединял бы в себе такие важные качества, как прозрачность, теплостойкость, механическая прочность, хорошая свариваемость с металлами и дешевизна. Аналогично, прецизионные оптические элементы микроскопов, телескопов, фотоаппаратов, кино- и видеокамер и дальномеров в отсутствие стекла, вероятно, не из чего было бы изготовить. Все указанные выше свойства в конечном счете связаны с тем фактом, что стекла являются аморфными, а не кристаллическими материалами. При комнатной температуре стекло представляет собой твердый хрупкий материал и обычно остается таковым при повышении температуры вплоть до 400° С. Однако при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается, вначале почти незаметно, пока, наконец, не становится вязкой жидкостью. Процесс перехода стекла из твердого состояния в жидкое не характеризуется сколько-нибудь определенной температурой плавления. При правильном охлаждении жидкого стекла этот процесс происходит в обратном направлении также без кристаллизации (деаморфизации).
ПРОИЗВОДСТВО СТЕКЛА
Сырьевые материалы. Смесь, или шихта, из которой приготавливается стекло, содержит некоторые главные материалы: кремнезем (песок) почти всегда; соду (оксид натрия) и известь (оксид кальция) обычно; часто поташ, оксид свинца, борный ангидрид и другие соединения. Шихта также содержит стеклянные осколки, остающиеся от предыдущей варки, и, в зависимости от обстоятельств, окислители, обесцвечиватели и красители либо глушители. После того как эти материалы тщательно перемешаны друг с другом в требуемых соотношениях, расплавлены при высокой температуре, а расплав охлажден достаточно быстро, чтобы воспрепятствовать образованию кристаллического вещества, получается целевой материал - стекло. Хотя песок внешне не похож на стекло, большинство распространенных стекол содержат от 60 до 80 мас.% песка, и этот материал как бы образует остов, относительно которого протекает процесс стеклообразования. Стеклообразующий песок - это кварц, наиболее распространенная форма кремнезема. Он подобен песку с морского пляжа, из которого, однако, удалено большинство посторонних примесей. Оксид натрия Na2O обычно вводится в шихту в виде кальцинированной соды (карбоната натрия), однако иногда используется бикарбонат или нитрат натрия. Все эти соединения натрия разлагаются до Na2O при высоких температурах. Калий применяется в форме карбоната или нитрата. Известь добавляется в виде карбоната кальция (известняка, кальцита, осажденной извести) либо иногда в виде негашеной (CaO) или гашеной (Ca(OH)2) извести. Главные источники монооксида бора для производства стекла - бура и борный ангидрид. Оксид свинца обычно вводится в шихту в виде свинцового сурика или свинцового глета.
Типы стекол. Кварцевое стекло. Стекло, состоящее из одного только кремнезема, правильно называть плавленым кварцем или кварцевым стеклом. Это простейшее стекло по своим химическим и физическим свойствам, и оно обладает многими необходимыми параметрами: не подвергается деформированию при температурах вплоть до 1000° С; его коэффициент теплового расширения очень низок, и поэтому оно обладает стойкостью к термоудару при резком изменении температуры; его объемное и поверхностное удельные электрические сопротивления весьма высоки; оно отлично пропускает как видимое, так и ультрафиолетовое излучение. К сожалению, кварцевое стекло с большим трудом плавится и перерабатывается в изделия. Высокая стоимость кварцевого стекла ограничивает его применение изделиями специального назначения, такими, как химико-лабораторная посуда, ртутные лампы и компоненты оптических систем, работающие при высоких температурах.
Натриево-силикатные стекла. Натриево-силикатные стекла получают сплавлением кремнезема (оксида кремния) и соды (оксида натрия). Смесь 1 части оксида натрия (Na2O) с 3 частями оксида кремния (SiO2) плавится при температуре, на СТЕКЛО900° С более низкой, чем чистый кремнезем; оксид натрия действует как сильный флюс. К сожалению, такие стекла растворяются в воде, и хотя они чрезвычайно важны для промышленного применения, из них нельзя изготавливать большинство изделий.
Известковые стекла. Древние стеклоделы обнаружили, что водорастворимость натриево-силикатных стекол можно устранить добавлением извести. Анализы древних стекол показывают поразительное сходство их химического состава с составом современных стекол, хотя современные стеклоделы, в отличие от древних, знают также, что добавление небольших количеств других оксидов, например оксида магния MgO, оксида алюминия Al2O3, оксида бария BaO, дополнительно повышает качество стекла. Если главные ингредиенты шихты - оксиды Na2O, CaO и SiO2, то получаемые стекла называются натриево-известково-силикатными, натриево-известковыми или просто известковыми стеклами независимо от присутствия других составляющих. С небольшими изменениями в составе эти стекла широко используются для изготовления листового и зеркального стекла, стеклотары, колб электроламп и многих других изделий. Эти стекла относительно легко плавятся и перерабатываются в изделия, а сырьевые материалы для них недороги. Вероятно, 90% производимого сегодня стекла является известковым.
Свинцовые стекла. Свинцовые стекла изготавливают сплавлением оксида свинца PbO с кремнеземом, соединением натрия или калия (содой или поташем) и малыми добавками других оксидов. Эти свинцово-натриево(или калиево)-силикатные стекла дороже известковых стекол, однако они легче плавятся и проще в изготовлении. Это позволяет использовать высокие концентрации PbO и низкие - щелочного металла без ущерба для легкоплавкости. Такой состав поднимает диэлектрические свойства материала до такого уровня, что делает его одним из лучших изоляторов для использования в радиоприемниках и телевизионных трубках, в качестве изолирующих элементов электроламп и конденсаторов. Высокое содержание PbO дает высокие значения показателя преломления и дисперсии - двух параметров, весьма важных в некоторых оптических приложениях. Те же самые характеристики придают свинцовым стеклам сверкание и блеск, украшающие самые утонченные изделия столовой посуды и произведения искусства. Большинство стекол, называемых хрусталем, являются свинцовыми.

Боросиликатные стекла. Стекла с высоким содержанием SiO2, низким - щелочного металла и значительным - оксида бора B2O3 называются боросиликатными. Борный ангидрид действует как флюс для кремнезема, так что содержание щелочного металла в шихте может быть резко уменьшено без чрезмерного повышения температуры расплавления. В 1915 фирма "Корнинг гласс уоркс" начала производить первые боросиликатные стекла под торговым названием "пирекс". В зависимости от конкретного состава стойкость к термоудару таких стекол в 2-5 раз выше, чем у известковых или свинцовых; они обычно намного превосходят другие стекла по химической стойкости и имеют свойства, полезные для применения в электротехнике. Такое сочетание свойств сделало возможным производство новых стеклянных изделий, в том числе промышленных труб, рабочих колес центробежных насосов и домашней кухонной посуды. Зеркало крупнейшего телескопа в мире на г. Паломар в Калифорнии изготовлено из стекла сорта "пирекс".
Другие стекла. Существуют много других типов стекол специального назначения. Среди них - алюмосиликатные, фосфатные и боратные стекла. Производятся также стекла с разнообразной окраской для изготовления линз, светофильтров, осветительного оборудования, косметической тары и домашней утвари.
Варка. Стекло варится путем выдерживания смеси сырьевых материалов при высоких температурах (от 1200 до 1600° С) в течение продолжительного времени - от 12 до 96 ч. Такой режим обеспечивает протекание необходимых химических реакций, в результате чего сырьевая смесь приобретает свойства стекла.

В древние времена варка производилась в глиняных горшочках глубиной и диаметром 5-7 см. В настоящее время применяются шамотные горшки гораздо больших размеров, вмещающие от 200 до 1400 кг шихты, для производства оптического, художественного и других видов стекла специального состава. В одной печи могут выдерживаться от 6 до 20 горшков. Большие массы стекла варятся в ванных печах непрерывного действия. Постоянный уровень расплавленного стекла в ванне поддерживается путем непрерывной подачи шихты на одном из концов установки и извлечения готового продукта с той же скоростью из другого конца; в таком режиме некоторые стекловаренные печи работали в течение пяти лет, прежде чем возникала необходимость в ремонте. Крупные печи, иногда вмещающие несколько сот тонн расплавленного стекла, приспосабливаются к интенсивному механическому производству. Как горшковые, так и ванные печи обычно нагреваются сжиганием природного газа или мазута.
Переработка в изделия. В отношении переработки в изделия стекло отличается от большинства других материалов двумя особенностями. Во-первых, оно должно перерабатываться, будучи чрезвычайно горячим и полужидким. Во-вторых, операции формования должны выполняться за короткие периоды, длящиеся от нескольких секунд до, самое большее, нескольких минут, - за это время стекло охлаждается до состояния твердого тела. При необходимости дальнейшей обработки стекло вновь должно быть нагрето. В расплавленном состоянии стекло может быть вытянуто в длинные нити, обладающие гибкостью при высокой температуре, извлечено из общей массы погруженным в него инструментом в виде небольшого сгустка, подцеплено концом стеклодувной трубки либо разлито в формы для получения отливок или прессовок. Поскольку стекло легко сплавляется с металлом, отдельные части сложного изделия соединяются друг с другом после повторного нагрева, благодаря которому также обеспечивается чистота соединяемых поверхностей. Вращение заготовки с постоянной скоростью при обработке придает изделию осесимметричную форму. Готовые стеклянные изделия подвергаются процессу отжига со стадией медленного охлаждения для релаксации напряжений. За все время производства стекла были созданы четыре главных метода его обработки: выдувание, прессование, прокатка и литье. Первые три метода используются как в мелкосерийном ручном, так и в непрерывном машинном производстве. Литье, однако, трудно приспособить к крупносерийному производству.

Последние достижения. В разработке средств механизации для быстрого и дешевого производства стеклянных изделий в 20 в. было достигнуто больше успехов, чем за всю предыдущую историю стекольного дела. В 1900-х годах, хотя уже были заложены основы механизации технологических процессов и массового производства, стекло все еще использовалось главным образом для получения только пяти видов изделий: бутылок, столовой посуды, окон, линз и украшений. С тех пор стекло стало производиться многими предприятиями и нашло применение буквально в тысячах различных областей. Теперь стекло легко приспосабливают к требованиям заказчика. Оно может быть прозрачным, полупрозрачным или непрозрачным, окрашенным или бесцветным. Некоторые виды стекла так же легки, как алюминий, а другие так же тяжелы, как чугун; есть стекла, по прочности превосходящие сталь. Из них изготавливаются волокна в 10 раз тоньше человеческого волоса и листы, столь же тонкие, как бумага. Стеклянные изделия могут быть крошечными, хрупкими и легкими или такими массивными, как сплошное 508-сантиметровое, 20-тонное зеркало Паломарского телескопа.

Плоское стекло. В течение и сразу после Первой мировой войны были разработаны новые и полностью непрерывные методы изготовления как оконного, так и зеркального стекла. В 1928 было создано многослойное безосколочное стекло для автомобилей. Вскоре после этого было освоено производство закаленного плоского стекла путем термообработки (закалки с высоким отпуском) твердых полированных листов. Этот процесс повышает прочность в несколько раз и дает продукт с исключительно высокими гибкостью и стойкостью к истиранию и всем видам механического и теплового удара. Когда такое стекло разбивается, оно распадается не на длинные, острые осколки, как обычное стекло, а на маленькие округлые кусочки, которые относительно безвредны. Отпуск оказывается эффективным при упрочнении не только плоского стекла, но и кухонной посуды, мерного стекла, линз защитных очков и круглых колб светильников. Стеклопакеты, заменяющие вставные оконные переплеты, - сравнительно новая разработка конструкции с плоским стеклом. Они состоят из двух или более листов стекла, герметично соединенных по периметру рамкой. Пространство между листами заполняют очищенным и осушенным воздухом. По сравнению с одинарным остеклением стеклопакеты уменьшают теплопотери почти на 50% и надолго избавляют от проблем, связанных с применением наружного оконного переплета, проникновением пыли и конденсацией влаги.
Стеновые стеклоблоки. Производство стеновых стеклоблоков и стекловолокна началось в 1931. Трудно вообразить два других вида стеклянных изделий, столь непохожих друг на друга. Стеновые стеклоблоки массивны и изготовляются сваркой двух прессованных полублоков с образованием герметической полости между ними. Такие элементы монтируются при строительстве с использованием обычных инструментов и материалов. Получаемые из них "стены дневного света" пропускают большую часть падающего на них солнечного излучения, но уменьшают его яркость, обеспечивают хорошую теплоизоляцию и практически исключают конденсацию влаги. Эти полезные свойства обусловили широкое использование стеновых стеклоблоков как элементов строительных конструкций.
Стекловолокно. В отличие от бытового стекла стекловолокно обычно изготавливается в форме нитей диаметром меньше 1 мкм. Поскольку каждое волокно представляет собой, по существу, сплошной стеклянный стержень, в объеме оно обладает всеми свойствами стекла. Стекловолокно термостойко и негорюче. Оно не поглощает влаги, не гниет и не подвержено химическому разложению. Оно атмосферо-, кислото-, масло- и коррозионностойко, а также не проводит электричества. Из стекловолокна можно изготавливать нити, ленты, оплетки и корд. Из несколько более толстых, коротких волокон получают упругую ватоподобную массу, называемую стекловатой. В такой форме стекловолокно - отличный теплоизолятор. Различные виды стекловолокна в сочетании с асбестом, слюдой, пластмассами и силиконами дают превосходные композиционные материалы. Действительно, материалы, состоящие из параллельных стеклянных нитей, внедренных в сложный полиэфир или другую матрицу, по прочности на единицу массы могут быть намного прочнее обычных конструкционных материалов, включая сталь, алюминий, магний и титан. Армированные стекловолокном пластмассы этого типа теперь широко используются для изготовления деталей самолетов и ракет, труб, резервуаров, корпусов лодок и строительных панелей. Промышленность стекловолокон выросла с удивительной быстротой ввиду широкого применения этого вида стекла в композиционных материалах.
Специальное кварцевое стекло. В 1939 был изобретен еще один замечательный вид стекла, названный 96%-м кварцевым стеклом. Этот продукт по своим свойствам практически эквивалентен чистому плавленому кварцу, однако он может производиться дешевле и с большим разнообразием форм и размеров. Стойкость к термоудару этого вида стекла настолько велика, что после нагрева до точки размягчения его можно сразу же опустить в холодную воду, не вызвав разрушения. Удельное электрическое сопротивление и химическая стойкость этого вида стекла также весьма высоки. Некоторые разновидности 96%-го кварцевого стекла обладают исключительно высоким пропусканием в середине ультрафиолетовой области спектра, что позволяет использовать такое стекло в солнечных и бактерицидных лампах, лабораторном оборудовании и специальных электротехнических изделиях.
Пеностекло. Пеностекло - еще один продукт изобретательности стеклоделов - по структуре похоже на хлеб и может распиливаться на куски нужного размера. Разработанное в 1940, это стекло так мало весит, что не тонет в воде, и все же является жестким, не горит и не выделяет запахов. Такая аномалия свойств создается после смешения тонко измельченных кокса и стекла и нагрева смеси до высокой температуры. Смесь мучнистого вида расплавляется, превращаясь в черную пену, которая заполняет объем формы и потом застывает. В результате получается твердый ячеистый материал с сотнями тысяч заполненных воздухом изолированных ячеек на 1 дм3. После снятия форм блоки пеностекла разрезаются до нужных размеров. Этот замечательный продукт весит примерно столько же, сколько весит пробка, и во время Второй мировой войны использовался в качестве заменителя пробки, а также пробковой древесины, пористой резины и капка. Как и пробка, пеностекло - отличный изолятор. Однако в отличие от пробки на него не влияют сырость и конденсация влаги, так что оно очень подходит для обкладки холодильных камер и бытовых холодильников. Пеностекло в равной мере успешно может применяться и для высокотемпературной теплоизоляции вплоть до 425° С, поскольку оно не только не горит, но и заглушает огонь. Новый сорт пеностекла содержит 99% кремнезема и может использоваться при температуре до 1200° С.
Металлизация. На поверхность стекла можно наплавить тонкий слой металла; при этом соединение получается настолько прочным, что к металлическому покрытию можно припаять довольно массивные металлические детали. Этот метод широко применяется в радио- и электротехнической промышленности.
Проводящие покрытия. Был открыт целый ряд необычных применений стекла в связи с тем, что ему можно придать свойство поверхностной проводимости. Это достигается напылением на поверхность стеклянного изделия тонкого, прозрачного, почти невидимого слоя оксида металла. Такое покрытие весьма долговечно и имеет поверхностное сопротивление в пределах от 10 до 100 Ом/см2. При обычных температурах можно использовать известковое стекло, а при высоких - боросиликатное. Изготовленные из такого стекла панели лучистого нагрева могут работать при температурах до 350° С. Подобные панели - хороший источник энергии длинноволнового инфракрасного излучения, которое большинство веществ и сред поглощает с эффективностью 90% и более. Таким способом изготавливаются настольные стеклянные излучатели и вспомогательные нагреватели для помещений. Проводящие покрытия, нанесенные на ветровые стекла самолетов, сохраняют их теплыми и свободными от льда.
Электротехнические изделия. Стеклянные колбы широко используются в качестве оболочек для ламп накаливания и электронно-лучевых трубок. Проволочные резисторы, трансформаторы, конденсаторы, реле и переключатели могут заключаться в оболочки из отпущенного стекла с выводами через стеклянные изоляторы. Крупные проходные изоляторы массой до 22 кг, рассчитанные на сильные токи и высокие напряжения, изготавливаются путем центробежной отливки стекла вокруг металлических втулок. С применением стекла изготавливаются конденсаторы как постоянной, так и переменной емкости. В конденсаторах постоянной емкости используется листовое стекло толщиной до 0,025 мм. Конденсатор переменной емкости состоит из изготовленной с жестким допуском стеклянной трубки, часть внешней поверхности которой металлизируется для образования одной обкладки. Внутрь трубки вставляется стержень из латуни или инвара, образующий вторую обкладку. Стеклянные трубки или стержни с нанесенной на них углеродной, металлической или металлооксидной пленкой используются в качестве резисторов.
Светочувствительные стекла. В 1947 было обнаружено, что стекла некоторых составов при воздействии ультрафиолетового излучения образуют скрытое изображение, которое может быть проявлено путем нагрева стекла чуть выше температуры отжига. Скажем, на стекло можно наложить фотографический негатив и облучить его ультрафиолетом, а потом нагреть стекло; в результате в объеме стекла появится воспроизведенное в цвете изображение. Цвет изображения зависит от вида светочувствительного металла, введенного в шихту. Один из составов дает опаловое стекло такой природы, что разбавленная фтористоводородная кислота протравливает облученную часть раз в пятнадцать быстрее, чем необлученную. Эта огромная разница в растворимостях позволяет осуществлять химическое травление. Таким способом в стекле можно вытравливать отверстия размером меньше половины среднего диаметра человеческого волоса в количестве до 100 тыс. отверстий на 1 см2. Стекла этого типа используются для изготовления световых табло, именных табличек и декоративных плиток, а также в качестве чувствительных элементов дозиметров. После воздействия проникающего излучения некоторые из таких стекол ярко светятся при облучении ультрафиолетовым светом, а другие меняют свой цвет. Интенсивность флуоресценции или степень изменения окраски пропорциональна полученной дозе облучения.
Стеклокерамика. Это гибридное название относится к материалам, которые вначале были произведены как стекла, а потом во всей своей массе переведены в кристаллическое состояние. Они выпускаются фирмой "Корнинг гласс уоркс" под зарегистрированными торговыми названиями "пирокерамика" и "фотокерамика". Сырьевые материалы для изготовления стеклокерамики примерно те же, что и для изготовления стекла, однако включают некоторые дополнительные добавки, играющие роль зародышеобразователей. После формования одним из обычных способов - прессования, выдувания или прокатки - изделие нагревается до температуры образования ядер кристаллизации. В 1 см3 изделия образуются миллиарды таких ядер, которые вырастают до мельчайших кристаллов, хотя никакой видимой кристаллизации не происходит. Затем температура повышается, и во всем объеме стеклообразного изделия начинается кристаллизация вокруг кристаллов-зародышей. Процесс продолжается до тех пор, пока растущие кристаллы не наталкиваются друг на друга и вся масса изделия не становится кристаллической за исключением малых областей стеклообразной матрицы на границах кристалла. Температуры переработки, зародышеобразования и кристаллизации зависят от состава стекла. В некоторых случаях образование ядер кристаллизации производится воздействием рентгеновского или ультрафиолетового излучения с последующей термообработкой. В отличие от обычной керамики, стеклокерамика не имеет пор, а ее кристаллы меньше размером и более однородны. По сравнению со стеклом-основой стеклокерамика тверже, не деформируется до более высоких температур и в несколько раз прочнее. Одним из первых ее применений были обтекатели ракет. Теперь широко используется стеклокерамическая посуда, которую можно переставлять из холодильника прямо на плиту. Лабораторная посуда, цилиндры двигателей и даже шарикоподшипники изготавливаются из стеклокерамики. Эти разработки - главное достижение в технологии стекла.
См. также

Как это все же удивительно — ученые совершенно ясно представляют себе структуру сложнейших синтетических пластмасс в то время, как «устройство» древнейшей пластмассы - стекла остается белым пятном на карте наших знаний! Человек сумел расщепить атом , разгадать генетический код, выйти в космос, но у него пока не хватает знаний для того, чтобы разобраться в сущности стекловидного состояния вещества.

Кристалл или не кристалл

Науке пока не удалось найти такую схему, в которую «вмещались» бы все стекла, которая объясняла бы все возможности их состояния. Мы знаем; что стекло - это твердое вещество, получившееся в результате охлаждения расплава. Но оно перешла в твердое состояние как-то «неправильно», не согласуясь с нашими представлениями о затвердевании жидкостей. В стекле нет « », характерной для кристаллических веществ. Мы не находим в нем регулярного повторения одних и тех же структурных элементов? В то же время полного хаоса в массе стекла тоже нет, оно изотропно, его средняя структура одинакова во всех направлениях. Сложность проблемы усугубляется еще тем, что различные стекла имеют самый различный химический состав и «умудряются» при это обладать весьма похожими свойствами.

Существующие взгляды на структуру стекла можно разделить на две большие группы. У каждой из них есть свои защитники и противники. Нужно помнить, однако, что работы в этой области еще далеко не закончены и что всякое схематическое деление влечет с собою опасность излишне упростить проблему. (К слову о стекле, этот товар издревле был весьма необычным и имел особые требования к качеству и прочности, разумеется, в былые времена люди не могли просто так почитать в интернете отзывы о товарах как могут сделать сегодня, скажем на сайте http://ask-why.ru/otzivi/ , поэтому для проверки качества стеклянных изделий купцы средневековья имели с собой чуть ли не маленькую передвижную химическую лабораторию).

Почти классическая теория

Во главе первого лагеря стоит В. Захарпасен, выдвинувший теорию «деформированной решетки». Эта, ставшая уже почти классической, теория предполагает, что в стекле все-таки есть решетка — непрерывная система взаимосвязанных анионов и катионов. Основа такой решетки — тетраэдр кремнекислоти или ее стеклообразующей модификации. По Захарпасену, тетраэдры расположены так, что возникают «пустоты», которые у многокомпонентных стекол заполняются катионами других элементов. При медленном застывании стекла именно эти элементы, затвердевающие первыми, становятся центрами, вокруг которых располагаются тетраэдры стеклообразующей кремнекислоты.

Захарпасен считает, что без решетки невозможна упорядоченная структура сложного вещества. «Но чем же объяснить все аномалии стекла?» - спрашивают противники «почти классической» теории. Почему при переходе стекла из пластического состояния в твердое отсутствует характерный для всех других веществ «скачок», вызываемый кристаллизацией? Захарпасен и его сторонники призвали на помощь теоретическое представление о «неправильности» структурной решетки в стекле. Возьмите кристаллический кварц, говорят они, каждый тетраэдр кремнекислоти в нем расположен в строгом согласии с другими. Но превратите кварц в стекло, и решетка окажется «деформированной», отдельные тетраэдры в ней уже не будут правильно ориентированы один относительно другого. К сожалению подобная «модель» не могла объяснить многих экспериментальных фактов многих свойств стекла, и в итоге пришлось отказаться от деформированной решетки да и от решетки вообще.

«Намек» на кристаллизацию

Ученый академик А. А. Лебедев с самого начала выбрал другой путь. Он представляет себе стекло как аморфное вещество, у которого, однако, есть «намек» на кристаллизацию. Процесс остановился на стадии микрокристаллических образований, в которых настоящая кристаллическая решетка проявляется лишь частично. Эти структурные элементы Лебедев назвал «кристаллитами» - неполными, несовершенными кристаллами, которые собраны в конгломераты, составляющие основу всей структуры стекла.

Ученики Лебедева дополнили его теорию многочисленными опытами. Американские исследователи нашли, что кристаллитная теория Лебедева объясняет многие явления, не объяснимые теорией Захарпасена. Но в дальнейшем американцы столкнулись с фактами, идущими вразрез и с той и с другой теорией. Сейчас исследования продолжаются - ученые ищут общую концепцию, пригодную для всех видов стекла, для всех его свойств и во всех условиях, но эта концепция еще не родилась.

У стекла есть одно свойство - оно известно уже много столетий,- которое могло бы оказаться ключом к разгадке структуры. Стекло — это некристаллическое вещество, но у него есть склонность к кристаллизации, образно говоря, «желанно» кристаллизоваться. Способность к кристаллизации подавлена в момент перехода в твердое состояние, но в благоприятных условиях может проявиться, как только получит к этому стимул. Можно сказать, что в стекле имеются «революционные напряжения», направленные к созданию внутреннего порядка. Благоприятные условия для «революционной» перестройки структуры может создать определенная температура: область, в которой стекло окончательно кристаллизуется, стеклоделы называют критической, а сам процесс кристаллизации — расстекловыванием, или девитрификацией.

Неожиданный союзник

Девитрификация является кошмаром для каждого директора стекольного завода. Прекрасная, прозрачная, аморфная стекломасса заполняется кристалликами, «камешками», которые превращают стекло в брак.

Девитрификаци считалась вредной много столетий. Но, как это уже не раз бывало в других областях техники, стеклоделы научились управлять своим «врагом», научились использовать его в своих интересах. Так родилась технология «управляемой рекристаллизации». Этот процесс по аналогии с каталитическим синтезом (аналогии, впрочем, не совсем точной) иногда называют каталитическим центрообразованием. Катализатором, вызывающим лавину, является очень малое количество некоторых элементов, добавленное к расплаву. При определенных температурах они создают в аморфном веществе центры кристаллизации, и это приводит к образованию решетки.

Тверже стали, легче алюминия

В результате термической обработки в присутствии центрообразователей стекло перестает быть стеклом. Оно превращается: в вещество с удивительными механическими свойствами. Называют это вещество по-разному - «ситалл», «стеклокерамика» или «пирокерам».

Ситаллы называют материалом будущего, но уже сегодня они находят применение в промышленности. Они незаменимы там, где нужны износостойкие и особо легкие детали машин, работающие в тяжелых условиях, где нужен материал легко формирующийся и очень прочный. Ситаллы используют также для сварки стеклянных изделий, например, кинескопов, работающих в условиях глубокого вакуума. Область применения ситаллов поистине безгранична - от кухни (жаропрочная посуда) до космических кораблей. Вскоре мы, по-видимому, совсем привыкнем к управляемой рекристаллизации и забудем, что у его истоков стоял такой высокотеоретический вопрос - решетка Захарпасена или кристаллит Лебедева.

Продолжение следует.