Фізико-хімічні методи дослідження якості скла

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ВІННИЦЬКИЙ ТОРГОВЕЛЬНО-ЕКОНОМІЧНИЙ ІНСТИТУТ

КИЇВСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО  ТОРГОВЕЛЬНО-ЕКОНОМІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

ФАКУЛЬТЕТ ТОВАРОЗНАВСТВА, МАРКЕТИНГУ ТА ТУРИЗМУ

КАФЕДРА ТОВАРОЗНАВСТВА ТА МАРКЕТИНГУ

 

 

Курсова робота

 

з дисципліни: «Фізико-хімічні  методи дослідження сировини і матеріалів»

на тему : «Фізико-хімічні  методи дослідження якості скла»

 

                                                                                 Студента 1 курсу групи ТКЛ-11

                                                                                        Денної форми навчання

                                                                                       

 

Науковий керівник                                                       д.т.н., проф. Авксентюк Б.П.

 

 

Вінниця 2012

 

 

ЗМІСТ

 

ВСТУП………………………………………………………………………………….….3

1. Скло, його історія……………………………………………………………………….5

2. Загальні властивості скла

2.1 Механічні властивості скла…………………………………………………………..8

2.2 Електро-фізичні властивості………………………………………………………….9

2.3 Хімічні властивості…………………………………………………………………..11

2.4 Фізичні властивості  скла………...…………………………………………………..13

3. Загальна технологія виготовлення скла …………………………………..…….…..16

4. Види скла…………………………………………………………...….………………18

5. Фізико-хімічні методи дослідження якості скла

5.1 Рентгенофазовий аналіз……………………………………………………………..24

5.2 Метод ядерного магнітного резонансу…………….……………………………….25

5.3 Гравіметричні методи аналізу заліза у склі………………………………………..27

5.4 Мікроскопічні методи дослідження……………………………………………...…28

ВИСНОВКИ ТА ПРОПОЗИЦІЇ…………………………………………………………31

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ…………………………………………….….33

ДОДАТКИ………………………………………………………………………………..35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

Скло — один із найдавніших і, завдяки різноманітності своїх властивостей — універсальний в практиці людини матеріал. Фізико-хімічно — неорганічна речовина, тверде тіло, структурно-аморфне, ізотропне; агрегатно всі види скла — надзвичайно в'язка переохолоджена рідина, що досягає склоподібного стану в процесі охолодження із швидкістю, достатньою для запобігання кристалізації розплавів, які одержуються в заданих температурних межах (від 300 до 2500 ºС), які обумовлені оксидним, фторидним або фосфатним походженням їх складів.

Спочатку так  називали всім відомий і найпоширеніший продукт скловиробництва, який в науковому вжитку з деяких пір відносять до силікатного скла. Коли була встановлено ідентичність будови, складу і властивостей скла багатьом мінералам, останні стали кваліфікуватися як різновиди його природного аналога, іменуючись відповідно до умов формування: не закристалізовані похідні лави, що швидко охолонула, — вулканічним склом (пемза, обсідіани, пехштейн, базальти і ін.), а таке, що утворилося із земної гірської породи в результаті удару космічного тіла — метеоритним (молдавіт).

Основним приводом для створення штучного замінника  — органічного скла, стала відсутність  на час його розробки (1930-ті роки) матеріалів, придатних для використання в  авіації — прозорих, але позбавлених  крихкості, достатньо міцних і гнучких — цими якостями і був наділений даний синтетичний полімер. В даний час органічне скло вже не здатне задовольняти всім вимогам, що пред'являються авіацією, і, тим більше — космонавтикою, проте на зміну йому прийшли — і інші види пластиків, і нові модифікації «звичайного» скла (наділені підвищеною відбиваючою здатністю, термостійкі та міцні). Оргскло (органічна речовина) за строгими фізико-хімічними характеристиками до свого прототипу відношення не має. У природі скло зустрічається у складі вулканічних порід, які швидко охололи з рідкої магми при взаємодії з холодним повітрям чи водою. Іноді скло зустрічається у складі метеоритів, розплавлених при проходженні атмосфери.

Скло, що використовується у промислових масштабах —  матеріал штучного походження, якому властиві такі основні характеристики, як прозорість, твердість, хімічна стійкість, термостійкість. Крім того, скло має властивості, які обумовлюються його прозорістю, електричними та термомеханічними параметрами. Завдяки цьому скло широко використовують майже у всіх галузях техніки, медицині, у наукових дослідженнях та у побуті.

За масштабами застосування перше місце належить будівництва, в якому воно застосовується не тільки для пристрої світлових  прийомів, але і в якості конструктивного і обробного матеріалу. За 3 - 4 тис. років до н.е. виробництво скла було відомо єгиптянам, в цей період скляні вироби виготовлялися шляхом пластичного формування і пресування. Значний розвиток отримало вироблення скла у Венеції, яка залишалася світовим центром виготовлення скла до XVII століття. Венеціанське скло, що відрізняється великою художньою цінністю, проникало в інші країни Європи і ближнього Сходу.

Об'єктом дослідження  у даній роботі є скло.

Актуальність  проблеми, що досліджується у роботі, полягає у надзвичайно широкому використані скла серед українських споживачів.

Мета дослідження: вивчити і науково обґрунтувати методи дослідження якості скла.

Тому темою  роботи є  « Фізико-хімічні методи дослідження якості скла», а завдання такі :

а) надати коротку  довідку про історію, виробництво і властивості скла;     

б) вивчення методів дослідження  скла.

Методами дослідження  скла є: рентгенофазовий аналіз, метод ядерного магнітного резонансу, гравіметричні методи аналізу заліза у склі та мікроскопічні методи дослідження.

 

 

 

 

 

1. Скло, його історія

 

За загально складеною історичною думкою технології виготовлення скла вперше почали використовувати  близько 2500-3000 р.р. до н.е. у Межиріччі  та Єгипті, оскільки глазуровані склом  фаянсові прикраси, вік яких нараховує  п'ять тисяч років, знаходили саме там. Археологія Межиріччя, особливо періоду Стародавніх Шумеру та Аккаду, схиляє дослідників до того, що менш старовинним зразком виробництва скла слід вважати пам'ятку, знайдену в Межиріччі в районі Ашнунаку — циліндричну печатку з прозорого скла, що датується періодом династій Аккадської держави, тобто вік її — близько чотирьох з половиною тисяч років. Намистина зеленуватого кольору діаметром близько 9 мм, що зберігається у Єгипетському музеї у Берліні, вважається одним з найдавніших зразків скла. Знайдена вона була єгиптологом Фліндерсом Пітрі біля Фів, за деякими допущеннями їй п'ять з половиною тисяч років. Вчений Н. Качалов стверджує, що на території Старовавілонського царства археологи постійно знаходять посудинки для пахощів місцевого походження, виконані у тій же техніці, що і єгипетські. Учений стверджує — є всі підстави вважати, «що в Єгипті й у країнах Передньої Азії джерела склоробства... відділяються від наших днів проміжком приблизно у шість тисяч років»[4].

Близько 1500 років до н.е. у Єгипті почали виготовляти перші предмети домашнього вжитку. Це в основному були чаші, кухонне начиння та пляшки. Центрами виробництва скляних виробів були столиці Єгипту, спочатку Фіни, а потім Александрія. З Єгипту склоробство проникло на територію сучасної Італії (I ст. до н.е.). Рим у I ст. н.е. стає значним центром виробництва скла. Тут засновано декілька скляних майстерень і залучено значну кількість єгипетських склоробів. Масштаби виробництва були настільки великі, що римських склоробів у 220 р. було обкладено податком, а їхні майстерні зведені на одну з головних вулиць Риму. З Риму склоробство поширюється в римські провінції (Британія, Галлія та ін.), а також у III-IV ст. на північне узбережжя Чорного моря і у Київську Русь[5].

Першим великим технологічним проривом у скляному виробництві можна вважати технологію видування скла, яке виникло у 100 році на території сучасних Палестини та Сирії. Ця технологія полягала у захопленні розплавленого скла на кінці трубки, у яку людина повинна була дути для надання форми скляному виробу. Основне призначення цих виробів стосувалось домашнього побутового використання (пляшки, вази).

Наступним за значенням  після Риму центром скляного виробництва  у IX ст. стає Венеція, найсильніша морська  держава Середземного моря. Падіння Східної Римської імперії (1204 р.) і переселення константинопольських склоробів до Венеції дало сильний поштовх виробництву венеціанського скла починаючи з XI століття і аж до XVI-XVII ст. Завдяки надзвичайній якості своєї продукції Венеція стає на той час європейською столицею з виготовлення художнього скла. Саме виробництво з 1291 р. було зосереджене на острові Мурано для зменшення ризику ворожого нападу та захисту виробничих секретів. Вже тоді скловари Венеції використовували склобій.

До XIV століття виробництво скла з'явилось у  Нормандії та Лотарингії. У цей  час в Нормандії виникла технологія виготовлення плаского скла для вікон. Вона полягала у видуванні скляної  кулі, яку за допомогою надрізу  розгортали у диск. Наступне досягнення у розвитку технологій скла у Франції зроблено Кольбертом. Саме він заснував у 1665 році «Королівську мануфактуру скла». Перший завод було відкрито у містечку Сен-Гобен у департаменті Ена, що на півночі Франції.

У XVIII ст. виробництво  скла поступово перейшло від індивідуального до промислового масштабу. Уже тоді окремі фабрики виробляли понад мільйон пляшок на рік. У числі найважливіших винаходів того часу слід назвати регенеративну скловарну піч Сіменса (1870). На відміну від горшкових печей ванні печі здатні переробляти великі кількості скломаси. Це створило передумови механізації виробництва скла[5].

Приблизно у 1880 році у Клода Бушера, склодува з  міста Коньяк виникла ідея використовувати  стиснуте повітря для надання  склу кінцевої форми, що відразу привело до зростання продуктивності праці на 150%. Промислова революція суттєво вплинула на процес виготовлення скла:

печі розігрівались  за допомогою вугілля замість  дерева;

розпочалось застосування повністю автоматичних ліній;

формування  здійснювалось стиснутим повітрям та з використанням металевих форм.

Наступним етапом розвитку у виробництві листового  скла був метод машинної витяжки  скла, розроблений Эмілем Фурко у 1902 році. При цьому способі скло витягується зі скловарної печі через  прокатні вальці у вигляді безперервної стрічки назовні, надходячи в шахту охолодження, у верхній частині якої воно ріжеться на окремі аркуші. Машинний спосіб виробництва скла був удосконалений надалі в першій половині двадцятого століття. З найсучасніших способів варто відзначити так званий метод Ліббея-Оуенса та Пітсбурзький метод[6].

Останнім етапом у розвитку технологій виробництва  листового скла було патентування у 1959 році англійською компанією «Пілкінгтон» (англ. Pilkington) флоат-методу. При цьому  процесі, який можна прирівняти до відкриття, скло надходить із плавильної печі в горизонтальній площині у вигляді плоскої стрічки через ванну з розплавленим оловом на подальше охолодження й відпал.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Загальні властивості скла

 

2.1 Механічні властивості скла

 

Густина скла залежить від його хімічного складу. Вважається, що мінімальну густину має кварцове скло — 2203 кг/м3. Найменшу густину має боросилікатне скло, і, навпаки, густина скла, що містять оксиди свинцю, вісмуту, танталу досягає 7500 кг/м3. Збільшення густини при введення модифікаторів викликано заповненням порожнин просторового метало-силікатного каркасу, в результаті чого збільшується величина маси одиниці об'єму. Густина звичайних натрій-кальцій-силікатних видів скла, в тому числі віконних, коливається в межах 2500...2600 кг/м3. При підвищенні температури з кімнатної до 1300°C густина більшості видів скла зменшується на 6...12%, тобто в середньому на кожні 100°C густина зменшується на 15 кг/м3. Табличні значення густини скла знаходяться у діапазоні від 2400 до 2800 кг/м3. Значення густини загартованих і відпалених зразків скла розрізняються на 0,08...0,09 кг/м3 одиниць другого знака після коми. В загартованому склі зафіксовано структуру розплаву, котра має більший об'єм у порівнянні із структурою відпаленого скла.

Пружність скла також залежить від його хімічного  складу і модуль Юнга для силікатного  скла може змінюватися від 48 ГПа  до 83 ГПа, модуль зсуву — 22...32 ГПа, коефіцієнт Пуассона — 0,17...0,3. Наприклад, у кварцового прозорого скла модуль Юнга складає 71,4 ГПа. Залежність модулів пружності від хімічного складу скла є неоднозначною. При збільшенні у складі скла вмісту оксидів лужних металів модулі пружності зменшуються, так як міцність зв'язків МеO значно менша від міцності зв'язку SiО. Уведення у склад до 12% CaO чи B2O3, а також оксидів лужноземельних елементів Al2O3 та PbO сприяє зростанню модуля Юнга. Модуль пружності скла після гартування зростає на 8...10%.

Міцність. Вироби зі скла здатні витримувати набагато вищі напруження на стиск, ніж на розтяг. Для звичайного скла границя міцності на стиск становить у залежності від складу від 500 до 2500 МПа (у віконного скла близько 1000 МПа), на згин — 0,03...0,12 МПа. Шляхом загартовування скла вдається підвищити його міцність у 3 - 4 рази. Також значно підвищує міцність скла обробка його поверхні хімічними реагентами з метою видалення дефектів поверхні (найдрібніших тріщин, подряпин і т.д.).