Фізико-хімічні методи дослідження якості скла

Твердість скла, як і багато інших властивостей, залежать від виду та вмісту домішок. За шкалою Мооса твердість скла становить 6-7 од., що знаходиться між твердістю апатиту і кварцу. Найтвердішими є кварцове скло, малолужне боросилікатне скло із вмістом Al2O3 до 10...12% та алюмосилікатне скло з високим вмістом Al2O3. Зі збільшенням вмісту лужних оксидів твердість скла зменшується. Найм'якішими буде свинцеве скло.

Крихкість. В  діапазоні відносно низьких температур (нижче температури плавлення) скло руйнується від механічного впливу без помітної пластичної деформації і, тому відноситься до ідеально крихких  матеріалів (поряд з алмазом та кварцом). Дана властивість може бути охарактеризована питомою ударною в'язкістю. Як і у попередніх випадках, зміна хімічного складу дозволяє регулювати і цю властивість: наприклад, введення брому підвищує міцність на удар майже удвічі. Силікатні види скла мають ударну в'язкість в межах 1,5...2,0 кН/м, чим у 100 разів поступаються залізу.

Теплопровідність  скла досить незначна і становить 0,0017...0,032 кал/(см·с·град) або від 0,711 до 13,39 Вт /(м·К). У віконного скла ця цифра  дорівнює 0,0023 кал/(см·с·град) чи 0,96 Вт /(м·К).

 

2.2 Електро-фізичні властивості

 

Залежно від  складу і від температури навколишнього  середовища скло можуть бути ізолятором (діелектриком), напівпровідником і провідником струму

Електропровідність. Велика група оксидних видів скла (силікатні, боратні, фосфатні та ін.) належить до класу ізоляторів, що обумовлено високими значеннями ширини забороненої зони. При кімнатній температурі питома об'ємна електропровідність силікатного скла лежить в межах 10-7...10-15 Ом-1 м-1.

Встановлено, що носіями струму в оксидних видах скла є катіони лужних або лужноземельних металів. Низька електропровідність оксидного скла обумовлена ​​малою рухливістю катіонів. Підвищення температури супроводжується зниженням в'язкості, збільшенням рухливості носіїв струму, в результаті чого електропровідність зростає на декілька порядків. Кварцове скло є майже ідеальним ізолятором серед силікатних видів скла. Його електропровідність при кімнатній температурі становить 10-18 Ом-1·м-1, а при 800 °C 10-4 Ом-1·м-1.

В результаті адсорбції  вологи, а також продуктів хімічної взаємодії поверхні з вологою  повітря на поверхні виробів створюється  електропровідний шар. У багатьох випадках цей процес є небажаним, оскільки негативно позначається на ізоляційних  властивостях скла. Підвищення вмісту в склі оксидів лужних металів прискорює реакцію гідролізу поверхневого шару скла. Введення у склад скла оксидів BaO, MgO, ZnO, PbO до 10...15 % замість SiO2 або спеціальна обробка поверхні парою кремнійорганічних сполук сприяє зниженню поверхневої провідності.

Силікатні види скла при температурах нижчих за температуру  склування (Tg) відносяться до класу діелектриків.

Діелектрична  проникність скла залежить від його складу, змінюючись для силікатного  скла від 3,8 (для кварцового) до 16,2 (для скла з високим вмістом оксидів важких металів) і мало залежить від температури аж до 400...500 °С.

З підвищенням  частоти поля діелектрична проникність  зменшується. Найінтенсивніше цей  ефект спостерігається в області  низьких частот від 0 до 103 Гц, в той час як в інтервалі 103...1010 Гц це зменшення (при нормальній температурі) не перевищує 10%. З підвищенням температури діелектричні втрати інтенсивно збільшуються і, як наслідок, діелектрик розігрівається.

Електрична  міцність. Електрична міцність скла при тепловому пробої зменшується зі збільшенням товщини зразка внаслідок погіршення відводу тепла від внутрішніх шарів виробу. У змінному електричному полі розігрівання діелектрика здійснюється інтенсивніше (додаються діелектричні втрати), в результаті чого електрична міцність скла в змінному полі нижча, ніж у постійному. Тепловий механізм пробою характерний як для діелектриків, що мають при звичайних умовах досить високе значення електропровідності. Електрична міцність скла при тепловому пробої становить 104...105 кВ·м-1.

 

2.3 Хімічні властивості

 

Скло - хімічно  досить стійкий матеріал. Кислоти, за винятком плавикової і фосфорної, практично  не діють на скло. Однак немає  такого скла, які б зовсім не реагували  з водою і лугами. При тривалому  впливі лугів на скло відбувається його вилуговування, зміна складу, виду і властивостей. При дії води відбувається гідроліз скла, в результаті якого певна кількість лугу і інших розчинних компонентів переходить у воду; їх можна визначити титруванням 0,01 н. АЛЕ Чим більше кислоти пішло на титрування, тим менш стійким до впливу води було скло.

По відношенню до дії води скла ділять на п'ять  гідролітичних класів.

До класу I відносять  скла, практично незмінні водою, до класу V-незадовільні скла; до класу II відносяться  стійкі скла; до класу III-тверді апаратні; до класу IV-м'які апаратні скла.

Більшість силікатних стекол, що випускаються промисловістю, відносяться до кордону класів II і III або до початку класу III.

Найбільшою  хімічної стійкістю по відношенню до води і кислим агресивних середовищ має кварцове скло, але по відношенню до лугів воно теж малостійкі, як і інші скла. Наприклад, при впливі на кварцове скло концентрованої НС1 протягом 120 год при 20 ° С втрата в масі скла становить 25 мг / см 2, а при дії на те ж скло 1%-го розчину NaOH протягом того ж часу і при тій же температурі втрата в масі становить 160 мг / см 2.

Таким чином, хімічна  стійкість скла в першу чергу  визначається його складом: скло хімічно  більш стійко з великим вмістом  малорозчинних окислів алюмінію, бору, цинку, свинцю, магнію і менш стійко з великим вмістом добре розчинних окислів лужних і лужноземельних металів.

Проте хімічна  стійкість скла залежить і від  його обробки. Так, вона підвищується після  видування скла з скломаси, а також  після відпалу в печах, атмосфера яких містить сірчистий ангідрид. Це пояснюється тим, що при високій температурі між сполуками лужних металів, що входять до складу скла, і газами, що містяться в навколишньому скло атмосфері, протікає реакція, причому лише на поверхні скла.

Відпал скла

У склі при нагріванні, охолодженні, механічному впливі виникає  внутрішня напруга. Напруги можуть бути тимчасовими і залишковими. Тимчасові напруги зникають при  охолодженні скла. Залишкові напруги  залишаються у склі й значно знижують їх характеристики: різко знижується міцність скляного виробу, скло робиться не ізотропність, тобто властивості в різних напрямках скляної маси робляться різними.

Для ліквідації залишкових напружень застосовують відпал скла. Відпал - це спеціальна термічна обробка всього скляного виробу, яка полягає в нагріванні до такої температури, при якій частки скла стають рухливими, але скло ще не розм'якшується, і повільному охолодженні. Напруження зникають тим швидше, чим менше в'язкість скла. Наприклад, при в'язкості в 1 -10 13 - 2,5-10 13 П напруги зникають за 7-15 хв., а при в'язкості в 4-10 4 П-за 4 ч.

Температуру, відповідну в'язкості 1-10 13 П, називають верхньою температурою відпалу. Температуру, відповідну в'язкості близько 10 15 П, називають  нижній температурою відпалу. Весь процес відпалу ділиться на чотири стадії.

Перша стадія - нагрівання або охолодження до температури  відпалу. Якщо виріб має кімнатну температуру, то його поступово нагрівають, якщо ж воно розігріто вище температури  відпалу даного скла, то його охолоджують до температури відпалу.

Друга стадія - витримування при температурі відпалу  ± ° C до зникнення напружень. Чим  більше розміри виробу і товщина  стінок, тим довший витримка його при  температурі відпалу.

Третя стадія - повільне охолодження до нижньої  температури відпалу. Найголовніше - охолоджувати з досить малою швидкістю, щоб не виникли нові постійні напруги.

Верхня температура  відпалу молібденового скла знаходиться  при 535-540 ° С, до цієї температури його нагрівають на першій стадії відпалу і витримують; на третій стадії це скло повільно охолоджують до 410 ° С - нижньої температури відпалу.

Четверта стадія - охолодження до кімнатної температури. При падінні температури нижче  нижньої температури відпалу напружень у виробі не виникає, тому охолодження на даній стадії може проходити з досить великою швидкістю, практично із швидкістю остигання печі.

Швидкість нагрівання на першій стадії і охолодження на четвертій визначається розміром і  товщиною стінок виробів.

Для визначення залишкових напружень у склі застосовують спеціальні прилади - полярископи, що випускаються промисловістю.

Відпал скляних  виробів проводять в спеціальних  печах; в заводських умовах - це камерні, муфельні, роликові, циркуляційні і  вертикальні печі. В умовах склодувних майстерень для відпалу скла застосовують електричні муфельні печі. Контроль і витримку скла в обумовленому інтервалі температур здійснюють за допомогою регулюючих приладів.

Будь-яка склодувна  майстерня повинна мати велику піч для випалу великогабаритних скляних виробів і обов'язково кілька малих муфельних печей.

 

2.4 Фізичні властивості скла

                                                                                                                              Фізичні властивості скла залежать від його хімічного складу, умов варіння і наступної обробки. Скло не має певної точки плавлення. Воно переходить у рідкий стан поступово, стаючи м'якший при підвищенні температури.

Часто застосовують термін «температура розм'якшення» скла. Мабуть, ця температура лежить вище температури відпалу скла, але сама по собі ця величина досить невизначена.

Найважливішими  властивостями скла, що визначають умови його варіння і подальшої  обробки, є в'язкість і поверхневий  натяг.

В'язкість. Властивість рідин чинити опір їх течії-переміщенню одного шару відносно другого - під дією зовнішніх сил називають в'язкістю і позначають г). Таким чином, в'язкість характеризує внутрішнє тертя, тому це властивість часто називають внутрішнім тертям. В'язкість - поняття, зворотне плинності. Кількісно цю величину виражають силою, що діє на одиницю площі зіткнення двох шарів, яка достатня для підтримки певної швидкості переміщення одного шару відносно другого. У системі вимірювання СГС в'язкість вимірюється в пуаз; пуаз прийнято позначати П: 1 пуаз = 1 діна-секунда/сантіметр = 100 сантіпуаз = 10 е мікропуаз або 1П = 1 дн-с/см = = I г / = 2 жовтня сП = 10 6 МКП. В одиницях СІ в'язкість виражається в паскаль-секунда: 1П = 0,1 Па-с.

В'язкість скла в звичайних умовах дорівнює Ю 13 -10 ls П При нагріванні в'язкість скла зменшується, воно робиться більш м'яким і тягучим, так що його можна формувати, піддавати тепловій обробці.

Обробляти на полум'ї  склодувних пальників можна тільки розм'якшене скло, в'язкість якого лежить в інтервалі від 10 3 до 10 * П. Механічне формування скла проводять при температурі 800-1100 ° С і в'язкості 4 жовтня -4 -10 3 П.

При охолодженні  скло знову твердне. Температура, при  якій в'язкість скла досягає 10 13 П, називається  температурою склування.

Крива зміни  в'язкості зі зменшенням температури  повинна бути відносно пологої, тобто  в'язкість не повинна змінюватися  занадто різко. Залежно від виду кривої «в'язкість - температура» скла ділять на «довгі» і «короткі». До «довгим» стеклам відносяться порівняно легкоплавкі стекла - свинцеві, № 23, молібденові та ін; до «короткою» - скла типу «пірекс». Самим «коротким» склом є кварцове.

При швидкій  зміні температури в склі виникають  нерівномірні внутрішні напруги. Таке скло дуже хитким і легко розтріскується. Напруження в склі знімають шляхом відпалу. Для цього вироби кладуть у піч в зону з температурою на 20-30 С нижче температури склування, витримують при цій температурі деякий час, а потім повільно охолоджують. Природно, чим менше в'язкість скла, тим менше потрібно його нагрівати, щоб зняти внутрішні напруження.

Поверхневий натяг. Поверхня будь-якої рідини, а отже і  розплавленої скломаси, завжди прагне скоротитися за рахунок сил, які  називають силами поверхневого натягу. Щоб збільшити поверхню, потрібно затратити роботу. Розмір цієї роботи, віднесений до одиниці поверхні, називають поверхневим натягом і позначають о. У системі одиниць СГС цю величину вимірюють у динах на сантиметр, в СІ - в ньютонах на метр. Поверхневий натяг скла дорівнює 220 - 380 дин / см і залежить від його хімічного складу. При введенні до складу скла оксидів алюмінію і магнію його поверхневий натяг збільшується, а при введенні окисів калію, натрію, барію і фосфору - знижується. Поверхневий натяг зменшується при підвищенні температури.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Загальна технологія виготовлення скла

 

За минулі тисячоліття  методи виготовлення скла майже не змінилися, найраніші зразки практично  нічим не відрізняються від сучасного, усім відомого скла для виготовлення пляшок (винятком є тільки сучасне скло із заданими властивостями). У природному стані воно існує як мінерал обсидіан — вулканічне скло. Величезна кількість модифікацій скла дає змогу найрізноманітнішого утилітарного використання, обумовленого його складом і хіміко-фізичними властивостями.

Звичайне віконне скло і скляний посуд являють собою  сплав оксиду натрію, оксиду кальцію  і діоксиду силіцію. Його приблизний склад можна виразити формулою: Na2O • CaO • 6SiO2. Вихідними матеріалами  для виготовлення скла слугує білий  кварцовий пісок SiO2, сода Na2CO3 і вапняк або крейда CaCO3. Суміш цих речовин у відповідних співвідношеннях сплавляють у спеціальних печах. Спочатку при 700—800°С внаслідок взаємодії карбонатів натрію і кальцію з діоксидом силіцію утворюються силікати натрію і кальцію: