Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Получение, разработка новых материалов, способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяются уровнем своего развития научно-технический и экономический потенциал страны.

Материалы с малой плотностью (легкие материалы) широко используются в авиации, ракетной и космической технике, а также в автомобилестроении, судостроении и других отраслях промышленности. Применение легких материалов дает возможность снизить массу, увеличить грузоподъемность летательных аппаратов без снижения скорости и дальности полета, повысить скорость движения автомобилей, судов, железнодорожного транспорта.

Комиссия по терминологии АН СССР дала такое определение стеклу:

Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от химического состава и температурной области затвердения и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

Стекло - считают техническим термином в отличие от научного термина "стеклообразное состояние". В стекле могут оказаться пузыри, мелкие кристаллики. В материале из стеклообразного вещества, может быть даже специально образовано очень большое число мельчайших кристалликов, делающих материал непрозрачным или придающих ему иную окраску. Такой материал называют "молочным" стеклом, окрашенным стеклом и т.д.

Современные понятия различают термины "стекло" и "стеклообразное состояние". "Стеклообразного состояния": "Веществом твердое некристаллическое, образовавшееся в результате охлаждения жидкости со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации во время охлаждения". Н.В. Соломин, "стеклом называется материал, в основном состоящий из стеклообразного вещества".

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

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

2. При нагревании не плавятся, как кристаллы, а постепенно размягчаются, переходя из хрупкого в тягучее, высоковязкое и в капельножидкое состояние;

3. Расплавляются и отвердевают обратимо, вновь приобретают первоначальные свойства.

Обратимость прессов и свойств указывает на то, что стеклообразующие расплавы и затвердевшее стекло являются истинными растворами. 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.

Ко второй группе в решающей мере зависят от концентрации щелочей или от концентрации каких либо других избранных компонентов. Зависимость их от состава влияет на: вязкость, электропроводность, скорость диффузии ионов, диэлектрические потери, химическая стойкость, светопропускание, твердость, поверхностное натяжение.

1. Свойства стекла

Область применения стекол определяется их свойствами. Так, для листовых стекол важны прочность на сжатие и растяжение, термические свойства, химическая устойчивость, светопрозрачность. Ниже рассмотрены важнейшие свойства стекла, характеризующие его в твердом состоянии.

Плотность. Плотностью называется отношение массы тела к его объему. Определяется она по формуле

р = т / V

где р -- плотность, г/см3; т -- масса, г; V -- объем, см3.

Стекло имеет плотность от 2,2 до 7,5 г/см3. Она определяется химическим составом. В состав тяжелых стекол (флинтов) входит много свинца, в состав легких -- окислы элементов с малой атомной массой -- лития, бериллия, бора. Большинство промышленных строительных стекол (оконное, полированное, профильное) имеет плотность 2,5--2,7 г/см3 в частности оконное стекло 2,55 г/см3. Плотность стекол в некоторой степени зависит и от температуры. Так, с повышением температуры плотность стекол уменьшается.

Прочность. Прочностью называется способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Прочность характеризуется пределом прочности. В зависимости от направления действия нагрузки определяют предел прочности при сжатии, растяжении, изгибе и т.д.

Предел прочности стекол при сжатии R (кгс/мм2, Па) измеряют величиной разрушающей силы F (кгс), действующей на поперечное сечение S (мм2) образца перпендикулярно действующей силе: R =F/S.

Предел прочности на сжатие для различных видов стекла колеблется от 50 до 200 кгс/мм2, например прочность оконного стекла 90--100 кгс/мм2. Для сравнения можно указать, что прочность на сжатие чугуна 60--120, стали 200 кгс/мм2.

На прочность стекла оказывает влияние его химический состав. Так, окислы СаО и В2О3 значительно повышают прочность, РЬО и А12О3 в меньшей степени, МgО, ZnО и Fе2О3 почти не изменяют ее.

Предел прочности при растяжении определяют по формуле R = P/S, где R -- предел прочности при растяжении, кгс/мм2 (Па); P -- средняя величина разрушающего усилия, кгс; S -- площадь шейки образца в момент разрыва, мм2.

Из механических свойств стекол прочность на растяжение является одним из важнейших. Объясняется это тем, что стекло работает на растяжение хуже, чем на сжатие. Обычно прочность стекла на растяжение составляет 3,5--10 кгс/мм2, т. е. в 15--20 раз меньше, чем на сжатие.

Прочность стекла на растяжение зависит от состояния поверхности стекла. Наличие на ней каких-либо повреждений (трещин, царапин) снижает прочность стекла в 4--5 раз. Поэтому для сохранения заданной прочности стекла необходимо оберегать его поверхность от повреждений, например покрывать кремний органическими пленками. Химический состав влияет на прочность стекла при растяжении примерно так же, как и на прочность при сжатии.

Твердость. Твердость -- это способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. От твердости зависит продолжительность всех видов механической обработки (в производстве полированного автомобильного и технического стекла).

К твердым сортам относят боросиликатные малощелочные стекла с содержанием В2О3 до 10--12%, твердость которых по шкале Мооса равна 7. Стекла с большим содержанием щелочных окислов имеют меньшую твердость. Наиболее мягкие -- многосвинцовые силикатные стекла, твердость которых по шкале Мооса равна 5--6.

Хрупкость. Хрупкость стекол определяется способностью противостоять удару. Большая хрупкость стекол ограничивает их применение. В лабораторных условиях вместо хрупкости определяют микрохрупкость стекла, которая измеряется числом микротрещнн, образовавшихся на поверхности стекла при вдавливании в него алмазной пирамидки.

На хрупкость стекол влияют однородность, конфигурация и толщина изделий: чем меньше посторонних включений в стекле, чем более оно однородно, тем выше его хрупкость. Хрупкость стекол практически не зависит от состава. При увеличении в составе стекол В2О3, SiO2, А12Оз, ZrО2, МgО хрупкость незначительно понижается.

Теплоемкость.Удельная теплоемкость характеризуется количеством теплоты, необходимым для нагревания 1 г вещества на 1°С. Измеряется она в кал/г-град, ккал/кг-град (Дж/кг-К).

Стекла имеют удельную теплоемкость от 0,08 до 0,25 кал/г-град в зависимости от химического состава. Окислы тяжелых элементов РЬО, ВаО, как правило, понижают теплоемкость стекол, а окислы легких элементов типа Li2О повышают ее.

С повышением температуры теплоемкость стекла увеличивается, причем до температуры начала размягчения она увеличивается незначительно, а при пластичном состоянии начинает возрастать быстрее. Увеличение теплоемкости стекла с повышением температуры происходит и в расплавленно-жидком состоянии.

Теплопроводность.Теплопроводность веществ измеряется количеством тепла, переносимым через единицу площади поперечного сечения образца в единицу времени при разности температур, равной единице:

Q =

где Q -- переносимое количество тепла, кал; -- коэффициент теплопроводности, кал/см-с-град или ккал/м-ч-град (вт/м-град); S -- площадь, через которую происходит теплопередача, см2; а -- толщина образца, см; I -- разность температур, ° С; - время, с. Стекло плохо проводит тепло. Коэффициент теплопроводности, стекол 0,0017--0,032 кал/см-с-град, в частности для оконных стекол он равен 0,0023. Наибольший коэффициент теплопроводности имеет кварцевое стекло, поэтому при замене SiO2 любыми другими окислами теплопроводность стекла понижается.

С повышением температуры теплопроводность стекол увеличивается. Так, при нагревании стекла до его температуры начала размягчения величина ее повышается примерно в два раза.

Температура начала размягчения.

Температура начала размягчения стекла характеризует температуру, при которой стекло (стеклоизделие) начинает деформироваться. Она играет существенную роль при производстве стекла. Например, температуру отжига стекла принимают обычно на 20--30° С ниже температуры начала его размягчения, с тем чтобы изделие не деформировалось при тепловой обработке.

Температура начала размягчения стекла в основном определяется его химическим составом. Тугоплавкие окислы (размягчающиеся при высоких температурах), такие, как SiO2, А12О3, повышают температуру начала размягчения стекла, легкоплавкие окислы типа Nа2О, К2O, Li2О понижают ее.

Наивысшей температурой начала размягчения обладает кварцевое стекло (1200--1500° С). Большинство обычных строительных стекол, в том числе и оконное, начинает размягчаться при 550-- 700° С.

Тепловое (термическое) расширение.

Твердые тела при нагревании увеличиваются в объеме. Увеличение линейных размеров тела при нагревании и есть тепловое линейное расширение. Для количественной характеристики линейного теплового расширения твердых тел служит коэффициент линейного теплового расширения а. Под коэффициентом линейного расширения понимают увеличение длины образца при нагревании его на 1° С, отнесенное к длине образца до нагревания, т. е.

где б -- коэффициент линейного расширения, 1/град; l0 -- длина образца при температуре 0° С, см; lt -- длина образца, нагретого до температуры t, ° С, см.

Иногда пользуются значениями коэффициента объемного расширения стекла, равным 3а.

Коэффициент линейного теплового расширения стекол колеблется от 5-10~7 до 200 -10~7. Самый низкий коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло -- а = 5,8-10~7 (соответственно коэффициент объемного расширения 3а=17,4- 10~7). Оконное стекло имеет коэффициент линейного расширения 88·10-7 (у металлов, как правило, 100·10-7).

Величина б стекла в значительной степени зависит от его химического состава. Наиболее сильно на термическое расширение стекол влияют щелочные окислы: чем больше содержание их в стекле, тем больше а. Тугоплавкие окислы типа SiO2, А12О3, МgО, а также В2О3, как правило, понижают а.

Коэффициент термического расширения важно знать при спаивании (спекании или сваривании) разных стекол, при производстве сортовых или листовых накладных стекол. Коэффициенты теплового расширения совмещаемых стекол должны быть близкими по величине, в противном случае такое изделие разрушится по шву от возникших напряжений.

Термическая устойчивость.

Термической устойчивостью (термостойкостью) называют способность стекла выдерживать, не разрушаясь, резкие изменения температуры. Термическая устойчивость играет существенную роль для стекол, которые используются в условиях резкой смены температуры.

Наибольшей термостойкостью обладает кварцевое стекло, оно выдерживает резкий перепад температур до 1000° С. Термостойкость оконных стекол составляет 80--90° С.

Термостойкость стекла зависит от упругости, прочности на растяжение, теплопроводности, теплоемкости и главным образом от коэффициента термического расширения: чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем ниже его термостойкость, и, наоборот, чем меньше коэффициент термического расширения, тем больше термостойкость.

Когда стекло охлаждается, его наружные слои стремятся уменьшиться в объеме. Этому препятствуют внутренние слои, остывающие медленно из-за малой теплопроводности стекла. Образующиеся напряжения между наружными и внутренними слоями приводят к разрушению стекла. Те же процессы протекают и при резком нагревании стекла. Разница заключается в том, что при охлаждении в стекле образуются напряжения растяжения, а при нагревании -- напряжения сжатия. Следовательно, чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем больше величина образующихся в стекле напряжений и тем меньше его термостойкость. Из этого также вытекает, что стекло лучше переносит резкое нагревание, чем охлаждение, так как при нагревании в нем образуются напряжения сжатия, а при охлаждении -- растяжения. А стекло работает на сжатие в 15--20 раз лучше, чем на растяжение.

Химический состав стекла во многом определяет его термостойкость: окислы, повышающие коэффициент термического расширения стекла, понижают его термостойкость, и наоборот.

Оптические свойства.

Под оптическими свойствами стекла подразумевают его светопрозрачность, светопоглощение, отражение и преломление света.

При падении пучка света на поверхность прозрачного тела часть света отражается, а часть проходит через него, преломляясь. Но если сложить свет, отраженный и преломленный, то не получится количества света, которое падает на стекло, -- небольшая часть света поглощается стеклом.. Поглощение света обусловлено присутствием в стекле соединений-красителей, вызывающих избирательное поглощение, т. е. поглощение лучей только с определенной длиной волны. Так, из-за наличия в стекле, в том числе и оконном, соединений железа оно имеет зеленоватый оттенок.

Светопоглощение понижает общую светопрозрачность стекла (светопрозрачность оконного стекла составляет примерно 88%), поэтому для получения стекол с высокой степенью прозрачности необходимо свести к минимуму содержание нежелательных примесей в сырьевых материалах.

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.

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 NaОН, Na2СОз, НС1 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 (НС1) 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 по потере 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 НС1, пошедшим на титрование.

Гидролитические классы (расход НС1, мл): I -- не изменяемые водой стекла 0 -- 0,32; II -- устойчивые стекла 0,32--0,65; III -- твердые аппаратные стекла 0,65 -- 2,8; IV -- мягкие аппаратные стекла 2,8 -- 6,5; V 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.

2. Основы современной технологии получения стекла. Состав, технология получения стекла

Сырьем для получения стекла являются природные и искусственно получаемые вещества, которые подразделяются на следующие группы:

1. Стеклообразующие вещества - окислы кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка. Эти окислы участвуют в образовании структуры стекла.

2. Модифицирующие вещества - окислы натрия, лития, кальция, магния, бария и др., расширяющие в сочетании со стеклообразующими диапазон физико-химических свойств стекол в какую-либо сторону.

3. Промежуточные вещества - окислы алюминия, свинца, железа, титана, бериллия. Сами они не образовывают стабильной стекловидной структуры, но могут заменять часть стеклообразующих окислов в структурном каркасе стекла.

4. Красители - окислы и соли металлов, образующие в стекле коллоидные растворы и обеспечивающие различный цвет стеклу. Например, в красный цвет стекло окрашивают Cu2O, AuCl, в синий - CoO, CuSО4, в зеленый - Cr2O3, FeO и др.

5. Глушители - вещества, делающие стекло матовым, молочным. К этой группе относятся окислы и сернистые соединения мышьяка, олова, сурьмы и др.

6. Обесцвечиватели - вещества, добавление которых в стекломассу, устраняют желтую или другую слабую окраску. Например, введение MnО2 удаляет зеленую окраску, полученную от FeO.

7. Осветители - вещества, удаляющие из стекломассы газовые включения. К ним относятся NaNO3, As2O3, NH4Cl и др.

Вредной примесью в сырье являются окислы Fe, придающие стеклу зеленый оттенок.

Компоненты шихты промывают, сушат, измельчают, просеивают. При промывке удаляются глинистые частицы и органические примеси. измельчение сырья производится в щековых, а затем в молотковых дробилках или в бегунах. Сырье сушат в барабанных сушилках.

Просеянные сырьевые материалы смешиваются в определенных соотношениях, получается шихта, которая направляется на варку в стекловаренную печь.

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.

Процесс осуществляется в ваннах или в горшковых печах. Ванна - непрерывно действующая печь, конструктивно аналогична мартеновской печи. Она имеет ванну длиной около 30 метров, над которой в пламенном пространстве сжигается топливно-генераторный или природный газ. Топливо и воздух, необходимый для горения, предварительно нагреваются в регенераторах, а затем подаются через форсунки в пламенное пространство печи. Варка стекла - сложный физико-химический процесс, состоящий из следующих стадий:

1. Удаление гигроскопической и кристаллизационной влаги и выгорание органических соединений при температурах ниже 500 єС.

2. Силикатообразование, заканчивающееся при 900 - 1000 єС; шихта при этом превращается в спекшуюся массу, состоящую из силикатов Ca, Na, Mg и других металлов и свободного кремнезема.

3. Стеклообразование происходит при температурах 1000 - 1200 єС. Масса плавится и происходит взаимное растворение кварца и силикатов в щелочном силикатном расплаве. К концу этой стадии образуется прозрачная жидкая стекломасса, но еще не однородная по химическому составу и содержащая растворенные газы.

4. Дегазация и гомогенизация происходит при 1450 - 1500 єС. Вязкость стекломассы уменьшается, из нее выделяются пузырьки газа. Для гомогенизации, т.е. полной однородности, стекломассу выдерживают при указанных температурах в течении нескольких часов.

5. Охлаждение стекломассы (студка) заключается в постепенном повышении вязкости расплава до пределов, допускающих формование изделий. В этот период температура стекломассы снижается на 200 - 300 єС.

Горшковые печи по устройству сходны с ванными печами, но варка стекломассы в них производится в горшках, установленных в ванне. Такие печи применяются для варки хрустального стекла и стекол особого назначения.

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.



Рис. 1. Ванная стекловаренная печь: 1 - бассейн; 2 - загрузочный карман; 3 - здание цеха; 4 - главный свод; 1 - бассейн; 2 - загрузочный карман; 3 - здание цеха; 4 - главный свод; 5 - колонны обвязки печи; 6 - машина вертикального вытягивания; 7 - отломщик рамного типа; 8 - роликовый конвейер; 9 - горелки; 10 - регенераторы; 11 - воздушный шибер; 12 - боров для отвода отходящих газов; 13 - котёл - утилизатор; 14 - дымовая труба

Ванная стекловаренная печь имеет варочный и выработочный бассейн, соединенные между собой по стекломассе протоком. Для загрузки шихты и стеклобоя печь оборудована двумя загрузочными карманами, расположенными по ее боковым сторонам.

Варочный бассейн печи отапливается газообразным или жидким топливом. Для отопления газообразным топливом варочного бассейна, печь оборудована шестью горелками, расположенными с торцевой стены ванной печи, противоположной ее выработочной части.

Удаление дымовых газов из стекловаренной печи осуществляется через систему дымовых каналов, оснащенных дымовоздушными клапанами, трубой и дымососом.

Стекловаренная печь проточная. Производительность печи-70 тонн в сутки.

Технология получения стекла состоит из двух производственных циклов.

Цикл технологии стекломассы включает операции:

* подготовки сырых материалов;

* смешивания их в определённых соотношениях, в соответствии с заданным химическим составом стекла в однородную шихту;

* варки шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы.

Цикл технологии получения стеклянных изделий складывается из операций:

* доведения стекломассы до температуры (и вязкости);

* формования изделий;

* постеленного охлаждения изделий с целью ликвидации возникающих в процессе формования напряжений;

* термической, механической или химической (в отдельности либо во взаимном сочетании) обработки отформованных изделий для придания им заданных свойств.

Сырые - кремнезём, являющийся главной частью стекла, вводится в виде молотого кварца. Пригодность песка для стекловарения определяется содержанием в нём примесей и зерновым составом. Вредными примесями являются прежде всего соединение железа и хрома, придающие желтовато-зелёный зеленый цвета. Размер зёрен песка примерно 0,2-0,5 мм.

Окись алюминия, применяемая в производстве промышленных стекол, вводится с глиной, каолином, гидратом окиси алюминия.

Окись натрия вводится с одной кальцинированной содой.

Окись калия вводится в виде солей; применяется главным образом в производство посуды, цветных, оптических и некоторых технических стекол.

Окись лития используется при выработке опаловых и некоторых специальных стекол.

Окись кальция вводится преимущественно в виде мела.

Окись бария используется при производстве оптических стекол и хрусталя.

Окись цинка применяется в производство оптических, химико-лабораторных стекол.

В стекловарении используются материалы, содержащие одновременно горные породы, доменный шлак, стеклянный бой и др.

К вспомогательным сырым материалам относятся осветлители. В качество осветлителей, способствующих удалению из стекла пузырей, применяют в небольших количествах сульфаты натрия и аммония, хлористый натрий, и др. Некоторые из этих веществ одновременно являются обесцвечивателями.

В качестве красителей применяют соединения кобальта, никеля, железа, хрома, марганца, селена, меди, урана, кадмия, серу, хлорное золото и др.

Белые, мало прозрачные стекла молочные (наиболее заглушенные), опаловые применяются различные фосфаты, соединения сурьмы, олова и др.

Стекловарение ведётся при температурах 1400°-1600°. В нём различают три стадии.

Первая стадия - варка, когда происходит химическое взаимодействие и образование вязкой массы. Варка стекла производится в стекловаренных печах. Выбор того или иного типа печи обусловливается видом применяемого топлива, ассортиментом вырабатываемых изделий, размерами производства и прочее. Управление современной стекловаренной печью строго контролируется и в значительной мере автоматизировано. Контроль доведён до высокой степени точности. Автоматически регулируются: давление, соотношение газообразного или жидкого топлива и воздуха; количество подаваемого в печь топлива; уровень стекломассы в ванне и другие параметры.

Другой способ варки этого стекла-- сплавление кварцевого порошка в пламени кислородно-водородной горелки. Непрозрачное кварцевое стекло получается путём оплавления кварцевого песка на угольном или графитовом стержне, разогретом электрическим током до 1800°.

Процесс варки стекла некоторых видов, например оптического, кварцевого, стеклянного волокна, отличается специфическими особенностями. Прозрачное кварцевое стекло изготовляется из горного хрусталя в графитовых тиглях, разогреваемых под вакуумом до 1900°--2000° индукционными токами высокой частоты, либо прямым пропусканием электрического тока. В конце варки в печь впускают воздух под давлением.

Вторая стадия - осветление, происходит удаление пузырьков, а также растворение еще оставшихся нерастворёнными зёрен песка; в этой стадии стекло выдерживается в печи в течение нескольких часов при наиболее высокой температуре.

Третья стадия - охлаждение стекломассы, когда она охлаждается до такой температуры при которой становится возможным и наиболее удобным изготовлять из неё те или иные 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 (рис. 5), прокатка и литье. Первые три метода используются как в мелкосерийном ручном, так и в непрерывном машинном производстве. Литье, однако, трудно приспособить к крупносерийному производству.

Рис. 2. Технологическая схема прессования: а - г - последовательность операции; 1 - стекло; 2 - пресс - форма; 3 - кольцо; 4 - пуансон; 5 - изделие; 6 - поддон



Рис. 3. Прокатная машина НП - 3001: 1 - тележка; 2 - система смазывания; 3 - система охлаждения валков; 4 ,6 - прокатные валики; 5 - приёмный лоток; 7 - механизм подачи сетки; 8 - станина; 9 - приёмные валики; 10 - механизм перемещения машины

3. Типы стекла

3.1 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.

3.2 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 ~900° 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.

3.3 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.

3.4 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.

3.5 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 году 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».

3.6 Стеклянное волокно

Стеклянным волокном (СВ) называют искусственное волокно, изготовляемое различными способами из расплавленного стекла.

Стеклянные волокна различного химического состава обладают ценными свойствами - негорючестью, стойкостью к коррозии, высокой прочностью, сравнительно малой плотностью, высокими оптическими, диэлектрическими и теплофизическими свойствами, что позволяет их применять в различных областях техники, главным образом, для изготовления текстильных материалов и изделий (нитей, жгутов, лент, и нетканых материалов). Штапельные СВ в процессе их получения формируют в виде ваты, матов и холстов, скрепляемых органическими и неорганическими связующими.

Материалы из непрерывных и штапельных стеклянных волокон широко используются в электротехнической промышленности, машиностроении, химической промышленности, строительстве и других отраслях народного хозяйства. Большую часть изделий из непрерывных стеклянных волокон применяют в качестве армирующих материалов: стеклотканей, стеклопластиков, композитов и стеклоцемента при изготовлении электроизоляции, коррозионно-стойких трубопроводов и емкостей - в химической, автомобильной промышленности, строительстве, железнодорожном транспорте, судостроении, авиационной, космической технике и др.

Материалы из штапельного волокна используют для теплозвуко-электроизоляции, фильтрации химически агрессивных сред и др.

Стеклообразные материалы используются в различных областях техники, в том числе в волоконной оптике.

3.7 Органическое стекло

Органическое стекло - техническое название прозрачных твердых материалов на основе органических полимеров. К этой группе относятся полиакрилаты, полистирол, полимеры аллиловых соединений, поликарбонаты, сополимеры винилхлорида, сополимеры некоторых эфиров целлюлозы и др. в промышленности под "органическим стеклом" чаще всего понимают листовой материал, получаемый полимеризацией в массе метилметакрилата.

Полиметилметакрилатное органическое стекло получают радикальной полимеризацией метилметакрилата в массе. В зависимости от назначения в состав полимеризационной смеси могут входить пластификаторы, красители, замутнители, стабилизаторы, а также другие акриловые мономеры. Сополимеризация метилметакрилата с другими акриловыми мономерами или стиролом, а также введение термостабилизирующих добавок позволяет получить органическое стекло с термостойкостью до 200 ° С .

Полимеризация метилметакрилата сопровождается усадкой реакционной массы (до 23%), что могло бы привести к получению листов с дефектами. Поэтому процесс обычно проводят в два этапа. Вначале получат полимер невысокой молекулярной массы (форполимер). Затем форполимер заливают в форму для получения листа ; дальнейшая полимеризация форполимера сопровождается значительно меньшей усадкой.

Аналогичный эффект достигается, если полимеризации подвергают раствор полиметилметакрилата а мономере (сироп-раствор). Применение форполимера или сироп-раствора предотвращает также утечку реакционной массы из недостаточно уплотненных форм.

Полимеризацию в один этап осуществляют только в тех случаях, когда необходимо получить полиметилметакрилатное стекло очень высокой оптической прозрачности.

Все необходимые ингредиенты органического стекла вводят в форполимер или сироп-раствор. Полученную смесь тщательно перемешивают, вакуумируют для удаления пузырьков газа и фильтруют. Полимеризацию проводят в формах, собранных из двух листов полированного силикатного стекла, стали или алюминия, скрепленных зажимами, с проложенными между ними эластичными прокладками. Толщина эластичных прокладок определяет будущую толщину листа органического стекла. В качестве материала для эластичных прокладок используют различные резины, пластики и др. форму либо оклеивают по краям плотной бумагой, либо по периметру формы укладывают резиновые или поливинилхлоридные трубки. Устройство формы обеспечивает возможность усадки в одном направлении - по толщине формы. Форму заполняют через воронку точно отмеренной порцией полимеризованной смеси, герметически закрывают или заклеивают и помещают в камеры с циркулирующим теплым воздухом или в ванны с теплой водой (в некоторых случаях температура воздуха или воды может быть 18 - 20 ° С).

Полимеризацию проводят в изотермических условиях. Нарушение изотермического режима может привести к перегреву формы, вскипанию мономера, т. е. образованию пузырчатой массы.

Если отвод тепла осуществляется неравномерно, то глубина полимеризации в различных частях формы будет различной. Обычно полимеризацию в формах проводят медленно, часто в течение 24 - 48 ч, а в толстых слоях (более 50 мм) - неделями при 20 - 50 ° С до конверсии мономера свыше 90 %. Процесс завершается при температурах, близких к температуре размягчения полиметилметакрилата, т. к. при низких температурах диффузия не прореагировавшего мономера затруднена и поэтому даже за большой период невозможно полное превращение мономера.

По окончании полимеризации формы охлаждают до 50 ° C и отделяют силикатное стекло от органического. Ориентацию осуществляют с помощью машин и прессов различной конструкции, равномерно растягивая (обычно на 50 - 70 %) или сжимая заготовки, разогретые до температуры, на 10 - 12 ° С превышающей температуру размягчения. Ориентированные листы охлаждают под давлением.

В отдельных случаях листы органического стекла получают методом фотополимеризации. Заполненные формы облучают УФ-светом до образования геля, после чего осуществляют процесс по обычной схеме.

Для производства стержней из полиметилметакрилатного органического стекла полимеризационную смесь заливают в горизонтальные вращающиеся алюминиевые трубы, которые затем в вертикальном положении помещают в водяную ванну. Режимы полимеризации те же, что и при получении листового органического стекла.

Изделия сложной конфигурации получают литьем под давлением или экструзией гранулированного полиметилметакрилата.

При получении литьевого органического полимера метилметакрилата с акрилонитрилом сополимеризацию осуществляют по той же технологии, как и в производстве полиметилметакрилатного стекла. Листы из полистирола, поликарбоната, сополимеров винилхлорида и эфиров целлюлозы получают экструзией, а изделия сложной конфигурации - литьем под давлением гранулированных или порошкообразных полимеров, полученных обычным методами.

Органическое стекло обладает сравнительно невысокой плотностью и малой хрупкостью, что является существенным преимуществом перед силикатным стеклом. Однако температура размягчения органического стекла значительно ниже, чем у силикатного стекла.

Полиметилметакрилатное органическое стекло удовлетворительно переносит пребывание на воздухе в условиях 97 %-ной влажности в течение 12 месяцев и старение в атмосферных условиях от 5 до 10 лет и более. Полистирол менее атмосферостоек; при длительном воздействии солнечного света он желтеет и становится хрупким.

Среди оптических свойств органического стекла наиболее важны показатель преломления, оптическая прозрачность (светопрозрачность), оптические искажения и фотоупругость

Оптическая прозрачность органического стекла не может превышать 92 % при условии, что рассеяние и поглощение света равны нулю
По оптической прозрачности органические стекла делят на прозрачные в блоке и прозрачные только в пленках (тонких листах). К первой группе относятся полимеры и сополимеры метилметакрилата, полистирол, поликарбонат и др. полимеры, обладающие незначительным поглощением света; ко второй - органические стекла на основе эфиров целлюлозы, винопроз, литые эпоксидные и фенол-формальдегидные стекла

Рассеяние света с поверхности изделий из органического стекла можно свести практически к минимуму при условии, что качество обработки поверхности аналогично качеству обработки полированного силикатного стекла.

Не наполненные органические стекла прозрачны для рентгеновского излучения и g - излучения, а в тонких листах - для a - и b - излучения.

Под действием механических нагрузок в первоначально изотропном органическом стекле возникает явление фотоупругости.

В результате на поверхности напряженного органического стекла возникают радужные эллиптические картины, которые мешают наблюдению через стекло.

Наибольшей фотоупругостью обладают эпоксидные, фенол-формальдегидные и термостойкие полиакрилатные стекла; наименьшей - полиметилметакрилатные, полистирольные и поликарбонатные.

Оптические искажения предметов, наблюдаемых сквозь органическое стекло, связаны, главным образом, с невозможностью изготовить изделия из этих стекло с истинно плоскопараллельными поверхностями. В результате этого любое изделие из органического стекла является призмой в той или иной мере призмой, обладающей абсолютным (угловым) оптическим искажением.

3.8 Тканные стекломатериалы

Тканные стекломатериалы применяются как фильтры и огнеупорные материалы, а также как наполнители в стеклопластиках.

В настоящее время стекольная промышленность выпускает различные виды специального стекла: стекло с содержанием 1 - 1,5 % закиси железа, которое поглощает тепловые лучи, увиолевое стекло, содержащее не более 0,01 % окиси железа, которое пропускает ультрафиолетовые лучи.

Особое место среди специальных видов стекол, созданных за последние годы, занимают электропроводящие стекла. Они получаются двумя путями:

1. Введение в их состав элементов или окислов, обладающих свойствами полупроводников;

2. Повышение их поверхностной электропроводности за счет нанесения тонких прозрачных полупроводниковых покрытий из двуокиси олова, окиси индия и окиси титана.

Эти стекла могут использоваться в полупроводниковых приборах и устройствах, для термосопротивлений (термисторов), для фотосопротивлений и светофильтров, а также как электрообогреваемые, в качестве незапотевающих и необледеняемых в транспорте и во влажных помещениях. Из них могут быть изготовлены электрообогреваемые стеклянные панели и камины.

4. Применение стекломатериалов в авиастроении

Самолеты и вертолёты остекляют однослойными или многослойными материалами на основе органических и силикатных стекол. В качестве однослойного (листового) материала для остекления летательных аппаратов применяется только органическое стекло. Изделия из него получают вакуумформованием, пневмоформованием и штамповкой в интервале температур между температурами стеклования и термостабильности. Используется также метод холодного формования при температуре ниже температуры стеклования. Листовое органическое стекла можно подвергать всем видам механической обработки с помощью инструмента. Для крепления листового органического стекла на летательном аппарате применяются 2 способа: жёсткое (болтовое) и мягкое (безболтовое), посредством так называемой крепежной ленты.

Многослойные материалы изготовляют путём склеивания между собой пластин из силикатного или (и) органического стекла, материалы, представляющие собой комбинацию этих стекол, называются органосиликатными или гетерогенными. Различают триплекс (в материале 3 слоя), пентоплекс (5 слоев) и полиплекс (более 5 слоев). Многослойные стекла делят также на силовые (толщина 10--100 мм), рассчитанные на эксплуатацию в условиях ударных и других нагрузок, и несиловые (толщина 3--6 мм). Стеклянные пластины склеивают при помощи полимерных плёнок, располагаемых между ними, или путём заливки между пластинами смесей мономеров, содержащих инициатор, с последующей их полимеризацией или поликонденсацией.

При изготовлении светофильтрующих и других специальных многослойных стекол используют цветные или металлизированные стеклянные пластины. Многослойные стекла часто снабжают встроенными электронагревателями проволочного или плёночного типа.

При изготовлении гетерогенного многослойного стекла силикатные пластины обычно склеивают поливинилбутиральной плёнкой, а полученный многослойный силикатный элемент соединяют с пластиной из органическим стекла методом заливки. Многослойные силикатные и органосиликатные стекла не разлетаются на осколки при ударе. Силикатные стеклянные пластины, входящие в состав многослойного стекла, часто подвергают упрочнению закалкой и травлением. Разрушение закалённого силикатного стекла приводит к почти полной потере прозрачности, так как стекла покрывается сетью мелких трещин. Многослойные стекла обладают способностью выдерживать удар птицы при её столкновении с летательным аппаратом и пулестойкостью.

Металлизированные многослойные стекла могут служить защитными экранами от различных видов излучений (радиоволн, УФ или ИК излучения и т. д.). Органический триплекс с проволочным электрообогревателем широко используется в качестве смотрового стекла гермошлемов лётчиков. Силикатные и гетерогенные полиплексы применяют для остекления военных самолётов и вертолётов.

Стекловолокниты - это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве наполнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатногосостава.

Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, с металлической арматурой. Материал получается с изотопными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков и даже волокнитов. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.). При использовании в качестве связующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пастообразные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова автомашин, лодки, корпуса приборов и т. п.).

Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями и тщательно склеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.

Стекловолокниты могут работать при температурах от -60 до 200 °С, а также в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки.

При старении в течение двух лет коэффициент старения К = 0,5-0,7.

Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства. Из них изготовляют детали высокой прочности, с арматурой и резьбой.

Данные характеристики позволили стекловолокнитам найти широкое применение в авиации. В частности из материалов армированных стекловолокном изготовляют легкие и высокопрочные фюзеляжи авиалайнеров.

химический стекло авиастроение

Список литературы

1. Энциклопедия полимеров. - М.: Россииская энциклопедия, 1992.

2. Органические стекла и метакрилатные формовочные полимеры. Каталог. - Черкассы, 1987. - 32 с.

3. Айрапетова Г.А., Несветаева Г.В. Строительные материалы. Учебно справочное пособие (Серия «Строительство».) - Ростов Н/Д: изд-во «Феникс», 2004. - 608 с.

Размещено на Allbest.ru