Курс лекций по "Товароведению"

Лекция: Силикатные товары

Силикатные товары объединяют в себе изделия из стекла и керамики (фарфора, фаянса, майолики, гончарной и тонкокаленной керамики). Они получили свое название по причине того, что основным элементом, входящим в их химический состав, является кремний — Si (от лат. silicium).

Кремний —  второй после углерода типический элемент IV группы Периодической системы Д. И. Менделеева. Если углерод является основой органической химии, необходимым компонентом всех живых существ, то кремний — главный элемент неорганической химии и всей неживой природы.

Земная кора более  чем наполовину состоит из кремнезема S102, его гидратных форм xSi0₂-yH2O, различных силикатных и алюмосиликатных пород. В природе кремний находится только в связанном состоянии. Важнейшие природные минералы кремния: кремнезем S102, каолинит AlSi/tOjo XOHJg, полевые шпаты Me (AlSi₃0₈), где Me — Na, К, слюды МеЭ (А181₃О₁₀) (ОН, F)₂, где Me — Li, Na, К, а Э — Al, Fe.

Силикатные  товары по химической природе представляют собой искусственные силикаты, получаемые сплавлением кремнезема со щелочами и карбонатами или путем соответствующей обработки природных материалов.

По назначению можно выделить три группы силикатных изделий:

1. Бытовые — стеклянная и керамическая посуда, художественно-декоративные изделия, зеркала и др.

2. Архитектурно-строительные  —  материалы  для  строительства, отделки, украшений зданий и помещений — цемент, силикатный и глиняный кирпич черепица, стеклоблоки, оконное и другие виды строительного стекла, облицовочные плитки т.д.

3. Технического назначения — лабораторная и химическистойкая посуда, оптическое стекло, электро-и радиофарфор, стеклоткань и другие материалы.

В курсе товароведения  силикатных товаров изучаются силикатные товары бытового назначения.

Общие  свойства  силикатов (соответственно и  товаров  из них): высокая химическая стойкость, высокая гигиеничность, термическое расширение, малая теплопроводность, отсутствие электропроводности, низкая термическая стойкость, невысокое разрушающее напряжение при изгибе, растяжении и ударе.

Высокая химическая стойкость силикатов объясняется  большой энергией связи между атомами кремния и кислорода. Более прочную связь атомы кремния образуют только с атомами фтора. По этой причине только плавиковая кислота способна интенсивно разрушать силикаты.

Высокое термическое  расширение силикатов объясняется тем, что в природе существует восемь модификаций кремнезема. При резких колебаниях температуры может происходить переход из одной модификации в другую. При этом значительно изменяется объем, в результате чего изделие разрушается.

Малая теплопроводность и диэлектрические свойства силикатов объясняются отсутствием в них свободных электронов.

Высокий коэффициент  термического расширения в совокупности с низкой теплопроводностью объясняют невысокую термическую стойкость этих минералов.

Меняя химический состав и технологический режим  производства, можно в довольно больших пределах управлять их характерными свойствами.

 

1. СТЕКЛЯННЫЕ  ТОВАРЫ

Стекло —  вещество аморфно-кристаллитной структуры, получаемое путем переохлаждения расплава, состоящего из различных оксидов, обладающее при постепенном повышении вязкости механическими свойствами твердых тел независимо от химического состава и температурной области затвердевания. Переход из жидкого состояния в стеклообразное является обратимым.

История стекла и стеклоизделий уходит в глубокую древность. Варить стекло и изготавливать  из него изделия начали еще в Древнем Египте более чем за 4000 лет до н.э. Благодаря ряду уникальных свойств стекла (главным образом — прозрачности и возможности при формовании изделий получать практически любую форму) к началу XVIII в. оно стало материалом, широко используемым как в строительстве, так и производстве изделий бытового назначения.

В Беларуси первый стекольный завод был построен в 1883 г. (в настоящее время — стеклозавод «Неман» в поселке Березовка Лидского района Гродненской области — третий по величине в СНГ по выпуску сортовой посуды). История Борисовского 152 хрустального завода (крупнейшего в республике изготовителя хрустальных изделий) берет начало с построенной в 1898 г. минским купцом Кобановым стеклянной Гуты.

В настоящее  время белорусские стекольные заводы радуют потребителя широчайшим ассортиментом стеклянных изделий бытового назначения. Значительная часть продукции заводов отправляется на экспорт, в том числе и в страны дальнего зарубежья.

 

МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СТЕКЛЯННЫХ ТОВАРОВ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

Сырьевые  материалы, применяемые для производства стекла, принято делить на главные и вспомогательные.

К главным  сырьевым материалам стекольного производства относят природные или искусственные вещества, необходимые для введения в состав стекла оксидов, являющихся основой для получения изделий с необходимыми физическими и химическими свойствами.

К вспомогательным сырьевым материалам относят различные соединения многих химических элементов, необходимые для окрашивания и глушения стекла, обеспечения нужных условий для получения изделий высокого качества, ускорения процессов варки и осветления полученной массы. Часто одни и те же материалы выполняют различные функции. Общая схема классификации сырьевых материалов представлена на рис. 4.1.

 

Сырьевые материалы  стекольного производства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Характеристика главных материалов стекольного производства

Кремнезем (Si02> является основным стеклообразующим оксидом в бы

товых стеклах (от 55 до 75 %). В стекловарении для  введения кремнезема применяют в  основном кварцевый песок. Он представляет собой обломочную породу, состоящую в основном из зерен кварца.

На качество готовых  изделий оказывают влияние содержание примесей в песках, однородность зернового состава песка и размер зерен. Примеси оксидов алюминия, кальция, магния, калия и натрия не являются вредными, так как они входят в состав почти всех стекол, но их содержание необходимо учитывать при расчете шихты. Примеси окрашивающих оксидов, которые придают стеклам нежелательные цветовые оттенки и снижают их прозрачность, являются вредными для здоровья людей. К их числу относятся оксиды железа, титана, хрома, марганца, ванадия и некоторые другие. Например, оксид железа (III) Fe₂0₃, который в том или ином количестве присутствует во всех песках, окрашивает стекло в желтый цвет. Нередко присутствующий в песках оксид железа (II) FeO придает стеклу голубой оттенок. Если в наличии оба оксида железа, стекло приобретает зеленоватые оттенки.

Однородность  состава песков и размер зерен  оказывают влияние главным образом на скорость варки и количество пороков в стекле. Наиболее пригодными для стекловарения считаются пески со средним размером зерен от 0,15 до 0,40 мм в диаметре. Крупные зерна кварца (0,8—2 мм) провариваются медленно или этого не происходит вообще, что является причиной образования порока «инородное включение». Мелкие зерна провариваются быстро, поэтому целесообразнее применять мелкозернистые пески. Но обязательным условием при их использовании является их однородность. Неоднородность мелкозернистых песков также является причиной образования инородного включения в стекле.

Оксид натрия (Na₂0) наряду с кремнеземом является важнейшей составной частью большинства стекол. Он ускоряет стеклообразование и понижает температуру варки, облегчает процесс осветления, повышает коэффициент теплового расширения, снижает термическую и химическую устойчивость стекла.

Основными сырьевыми материалами для введения в стекло оксида натрия являются сода (кальцинированная Na₂C0₃ или кристаллическая Na₂CO₃ • 10Н₂О) и сульфат натрия (Na₂S04)-При варке стекла указанные материалы разлагаются на оксид натрия и соответствующие газообразные вещества, которые далее улетучиваются.

Оксид калия (К2О) снижает склонность стекла к кристаллизации, улучшает его цветовой оттенок и придает блеск. По этой причине оксид калия непременно используют при производстве столовой посуды, хрусталя и цветных стекол.

Оксид калия в состав шихты вводят посредством поташа К₂С0₃.

Оксид кальция (СаО), являясь наряду с кремнеземом и оксидом натрия основным сырьевым материалом производства, придает стеклу химическую стойкость.

Для введения СаО в состав стекломассы используют в основном известняк и мел, которые одинаковы по химическому составу (СаСОз), но различаются по внешнему виду и физическим свойствам. Основное требование к данным сырьевым материалам — минимальное содержание окрашивающих примесей (особенно оксидов железа).

При введении в стекло оксида бора (В₂О₃) пропорционально снижению в шихте оксида натрия повышается химическая стойкость, снижается коэффициент термического расширения, благодаря чему значительно увеличивается термостойкость стекла. При замене оксидом бора части оксида кремния снижается склонность стекла к кристаллизации, увеличивается скорость варки, улучшается его осветление.

Оксид бора вводится в стекломассу в основном посредством добавления в шихту борной кислоты (Н₃ВО₃) или буры (Na₂B₄0₇ • 10Н₂0).

Оксид алюминия (глинозем), который повышает механическую прочность стекла, термическую и химическую устойчивость, в шихту вводят в основном в виде природного глинозем-содержащего сырья (полевых шпатов, пегматитов и каолинов).

Оксид магния (MgO) снижает склонность стекла к кристаллизации и увеличивает скорость твердения стекломассы. При вводе совместно с глиноземом повышается химическая стойкость стекла.

Чаще всего  оксид магния вводится при помощи доломита — минерала, представляющего собой двойной карбонат кальция и магния (СаС0₃ -,MgC0₃). Доломиты всегда содержат примеси кремнезема, глинозема и оксидов железа. Чем меньше содержание последних примесей, тем более качественным считается сырье.

Оксид бария (ВаО) придает стеклу блеск, повышает коэффициент преломления света. Добавлением в стекло оксида бария получают так называемый «бариевый хрусталь». Небольшие (0,2—0,5 %) добавки ВаО ускоряют процесс варки.

Вводят оксид  бария в состав стекла в основном посредством природных минералов, представляющих собой карбонаты, сульфаты или нитраты бария.

Оксид свинца (РЬО) применяют для производства хрустальных стекол, которых отличают большая плотность, высокий показатель преломления, характерный блеск, хорошая способность к гранению, шлифовке и полировке.

Наиболее  предпочтительным сырьем для введения оксида свинца является свинцовый сурик (РЬзО), получаемый нагреванием в окислительных условиях с последующим прокаливанием металлического свинца.

Оксид цинка (ZnO) понижает коэффициент термического расширения и повышает химическую устойчивость стекла. Применяется для производства лабораторной посуды, оптических и цветных стекол.

 

 Характеристика вспомогательных  материалов стекольного производства

В качестве красителей в стекловарении используют соединения различных металлов, которые окрашивают стекло либо растворяясь в нем (молекулярные красители), либо равномерно распределяясь в стекломассе в виде мельчайших коллоидных частичек (коллоидные красители).

Основные  молекулярные красители и придаваемый  ими стеклу цвет приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

 

Краситель	Химическая формула	Придаваемый стеклу цвет
Оксид марганца	Мп2О3	Фиолетовый  при концентрации до 3 % Черный при концентрации более 3 %
Оксид кобальта	СоО	В зависимости  от концентрации от синеватого оттенка до ярко-синего
Оксид хрома	Сг203	Желто-зеленый
Оксиды железа	Fe203 FeO Fe304	От желтого  до коричневого Сине-зеленый  Зеленый
Сульфид железа	FeS	От желтого  до коричневого, черный при больших концентрациях
Оксид меди (II)	CuO	Зеленовато-голубой
Оксид урана	UO3	Желтый

 

Основные  коллоидные красители и придаваемый  ими стеклу цвет приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

 

Краситель	Химическая формула	Придаваемый стеклу цвет
Селен	Se	Розовый (в  присутствии мышьяка) Ярко-красный (в присутствии сульфида кадмия
Соединения  золота	Аи, АиС13	От розового до темно-красного (золотой рубин)
Соединения  серебра	Ag, AgCl	Золотисто-желтые цвета
Оксид меди (I)	Си20	Красный цвет (в восстановительной среде) Синий цвет (в окислительной среде)