Утилизация отходов стекла

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.[10].

2.2. Строение и  свойства стекла

Свойства стекла определяются прежде всего, составом входящих в него оксидов. Главными стеклообразующими  оксидами являются оксиды кремния, фосфора  и бора, в соответствии с чем  стекла называют силикатными, фосфатными или боратными.[5]. Подавляющее большинство промышленных стекол является силикатными. Фосфатные стекольные расплавы применяют в основном для производства оптических, электровакуумных стекол, боратные – для специальных видов стекол (рентгенопрозрачных, реакторных и др.). Смешанные боросиликатные стекла применяют для изготовления оптических и термически устойчивых стеклоизделий.

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

Стекло как строительный материал обладает целым рядом ценных качеств, не свойственных другим материалам, и прежде всего, светопрозрачностью при высокой плотности и прочности, в связи с чем оно является незаменимым материалом для светопроемов[4].

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

Прочность при сжатии стекла достигает 700 – 1000 МПа, прочность при  растяжении значительно ниже – 30 – 80 МПа. Прочностные показатели изделий  из стекла зависят не только от состава, но и от целого ряда других факторов: способа получения, режима тепловой обработки, состояния поверхности, размеров изделия. Низкая прочность  стекла при растяжении и изгибе обусловлена  наличием на его поверхности микротрещин, микронеоднородностей и других дефектов. Теоретическая прочность стекла при растяжении, рассчитанная различными способами, достигает 10000 МПа.[7].

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

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

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

Модуль упругости стекол лежит в пределах 45000 – 98000 МПа. Отношение  модуля упругости к прочности  при растяжении (Е/Rp) – так называемый показатель хрупкости стекла – достигает 1300 – 1500 (у стали он составляет 400 – 450, у резины – 0,4 – 0,6). Чем больше показатель хрупкости материала, тем  при меньшей деформации напряжение в материале достигает предела  прочности[8].

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

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

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

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

Электрические свойства стекла оцениваются объемной и поверхностной  электропроводностью. Электропроводность определяет возможность применения стекол в качестве изоляторов и учитывается  при расчете режимов работы стекловарных электропечей. При нормальной температуре  объемная электрическая проводимость стекол мала. С возрастанием температуры  она повышается. Увеличение содержания в составе щелочных оксидов, особенно оксида лития, повышает электропроводность стекол[2]. Закалка стекол приводит к увеличению их электропроводности, кристаллизация – к ее уменьшению.

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

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

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

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

Химическая устойчивость стекол характеризует их сопротивляемость разрушающему действию водных растворов, атмосферных воздействий и других агрессивных сред. Силикатные стекла отличаются высокой стойкостью к  большинству химических реагентов, за исключением плавиковой и фосфорной  кислот[2]. Химическая устойчивость силикатных стекол объясняется образованием при воздействии воды, кислот и солей защитного нерастворимого поверхностного слоя из гелеобразной кремнекислоты – продукта разложения силикатов.

2.3. Виды стекол

В зависимости от основного  используемого стеклообразующего  вещества, стекла бывают оксидными (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные), фторидными, сульфидными и т. д.[10].

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, вертикально погруженного 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 оптическиъх 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.[5].

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 оптической 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.[6].

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 светопоглощепие. 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;

2) отливка стекломассы в железную форму;

3) 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).