Стекло и стеклянные изделия
Стекло и стеклянные изделия
СОДЕРЖАНИЕ
1. Общие сведения
2. Стекло и его свойства
3. Стеклянные материалы
3.1 Листовое светопрозрачное
и светорассеивающее стекло
3.2 Светопрозрачные
изделия и конструкции
3.3 Облицовочные изделия
из стекла
3.4 Изделия из пеностекла
3.5 Материалы на основе
стекловолокна
4. Ситаллы, шлакоситаллы
и ситаллопласты
4.1 Ситаллы
4.2 Шлакоситаллы
4.3 Ситаллопласты
5. Изделия из каменных
расплавов
6. Использование отходов
в производстве плавленых изделий
Заключение
Список литературы
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Стекло – все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения
расплава, независимо от их химического состава и температурной области
затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости
механическими свойствами твердых тел; причем процесс перехода из жидкого
состояния в стеклообразное должен быть обратимым.
По масштабам применения первое место принадлежит строительству, в
котором оно применяется не только для устройства световых приемов, но и в
качестве конструктивного и отделочного материала. За 3 – 4 тыс. лет до н.э.
производство стекла было известно египтянам, в этот период стекольные изделия изготовлялись
путем пластического формирования и прессования. Значительное развитие получило
стеклоделие в Венеции, которая оставалась мировым центром стеклоделия до XVII
века. Венецианское стекло, отличающееся большой художественной ценностью,
проникало в другие страны Европы и ближнего Востока.
В России в 1635 году шведом Елисеем Койотом на пустоши Духанино в
Дмитровском уезде был построен стекольный завод. Вслед за Духанинским был
открыт казенный завод в Измайлове (1669-1710). Здесь наряду с иноземцами работали
и русские мастера, которые осваивали основные приемы европейского стеклоделия.
Начало XVIII в. можно назвать периодом подъема стеклоделия. Важной вехой его
развития в России явилось открытие стекольного завода на Воробьевых горах под
Москвой, построенного также по инициативе Петра I. В 1706 завод уже работал.
Основными видами продукции Воробьевского завода были литые зеркала и
зажигательные стекла. Стекло варилось, затем выливалось на медную доску,
прокатывалось медным катком, шлифовалось, полировалось и под него подводилась
амальгама. При этом размеры зеркал были самыми большими в Европе того времени.
Наиболее широкое развитие стеклянная промышленность получила в СССР. В годы
первых пятилеток был построен ряд крупнейших стекольных заводов, в том числе
заводы-гиганты в г. Гусь-Хрустальный, Горьком, Улан-Удэ, Дагестане и т.д.
Основную массу продукции составляло оконное листовое стекло, его производили в
мощных печах S = 650 – 700 м2. Наряду с «лодочным» способом
вертикального вытягивания стекла внедряется в промышленность «безлодочный»
способ, повышающий скорость вытягивания на 15 – 20 %.
2. СТЕКЛО И ЕГО СВОЙСТВА
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. 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. 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.
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.
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.
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.
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. 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. Химическая
устойчивость силикатных стекол объясняется образованием при воздействии воды,
кислот и солей защитного нерастворимого поверхностного слоя из гелеобразной
кремнекислоты – продукта разложения силикатов.
3. СТЕКЛЯННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
3.1
Листовое светопрозрачное и светорассеивающее стекло
Витринное стекло
производится двух марок: М7 - полированное и М8 - неполированное, толщиной
6,5-12 мм и максимальных размеров 3000x6000 мм. Применяется для остекления
витрин, витражей и окон общественных зданий. Светопропускание витринных стекол
75-83%.
Стекло листовое узорчатое имеет на
одной или обеих сторонах четкий рельефный узор и изготовляется способом
проката. Узорчатое стекло бывает бесцветным и цветным, окрашенным в массе или
нанесением на поверхность его пленок оксидов различных металлов. Применяется
для декоративного остекления оконных и дверных проемов, внутренних перегородок,
крытых веранд и т.д. Для этих же целей применяется листовое стекло
"мороз", имеющее на одной стороне узор, напоминающий заиндевевшее
стекло.
Армированное листовое бесцветное
и цветное стекло для устройства световых
проемов, фонарей верхнего света, ограждений в зданиях и сооружениях различного
назначения. Армированное стекло может иметь обе поверхности или одну
поверхность гладкими, рифлеными или узорчатыми. Для армирования применяется
сварная или крученая сетка из стальной проволоки со светлой поверхностью или с
защитным алюминиевым покрытием. Диаметр проволоки сетки 0,45-0,60 мм. Сетка
имеет квадратные или шестиугольные ячейки размерами 12,5 и 25 мм. Армированное
стекло отличается повышенной прочностью и огнестойкостью. Светопропускание
бесцветного армированного стекла 65-75%.
Увиолевое стекло пропускает
25-75% ультрафиолетовых лучей и применяется для остекления оранжерей и
заполнения оконных проемов в детских и лечебных учреждениях. Такое стекло
получают из шихты с минимальными примесями оксидов железа, титана, хрома.
Закаленное стекло
представляет собой листовое или другой формы стекло с повышенной механической
прочностью и термической устойчивостью. Используют для остекления дверей,
перегородок, ограждения лифтовых шахт, балконов, лестниц, а так же для
изготовления электронагреваемых не замерзающих стекол. Толщина более 5 мм, оно
выдерживает удар свободно падающего стального шара массой 800 гр. с высоты 120
см. Безопасно. Осколки этого стекла имеют тупые ребра и края.
Многослойное стекло
(триплекс), армированное или неармированное, состоит из нескольких листов
стекла, прочно склеенных между собой прозрачной эластичной прокладкой, чаще
всего из поливинилбутирольной пленки. При ударе оно не дает осколков и является
безопасным.
Теплопоглощающее стекло
предназначено для защиты интерьеров зданий от воздействия прямого солнечного
излучения и уменьшения солнечной радиации в помещениях. Стекла голубого, серого
и бронзового оттенков получают введением в состав стекломассы оксидов кобальта,
железа или селена. Задерживая большое количество инфракрасных лучей, стекло
нагревается и подвергается большим температурным деформациям. Поэтому при
остекленении следует предусматривать достаточный зазор между рамой и стеклом.
Применяется с целью уменьшения нагрева солнцем помещений жилых,
культурных, общественных и промышленных зданий.
Теплоотражающее стекло
применяется для нагрева помещений от солнечных и тепловых лучей.
Изготавливается нанесением на поверхность тонких (0,3-1 мкм) пленок металлов и
их оксидов. Светопропускание стекол 30-70%, а пропускание тепла 40-60%. В связи
с тем, что в таких стеклах большая часть инфракрасных лучей не поглощается, а
отражается, само стекло почти не нагревается. Вследствие уменьшения излучения
из помещения они повышают теплозащиту зимой. Стекла имеют различную окраску:
золотистую, голубую, оранжевую и др.
Электропроводящее стекло
применяется в строительстве для стеклопакетов, используемых как источники
тепла. Электропроводящие прозрачные покрытия наносятся на стекло с целью
обогрева стекла и предотвращения запотевания. Покрытие получают напылением на
поверхность стекла тонкой (0,5 мкм) пленки солей металлического серебра. Стекло
устойчивое к радиоактивным излучениям применяется при строительстве АЭС и
предприятий по изготовлению изотопов. Для поглощения радиоактивных лучей
используются стекла с высоким содержанием свинца и бора. Например, тяжелое
свинцовое стекло плотностью 6200 кг/м3,содержащее 80% оксида свинца, по своей
защитной способности в этом отношении эквивалентно стали.
3.2
Светопрозрачные изделия и конструкции
Кроме листового светопроницаемого стекла в строительстве
применяются светопрозрачные изделия и конструкции: стеклоблоки, стеклопрофилит,
стеклопакеты, стеклобетонные конструкции и стеклянные трубы.
Блоки стеклянные пустотелые, блоки обладают хорошей стекло рассеивающей способностью, а
выполненные из них световые проемы и перегородки имеют хорошие тепло- и
звукоизоляционные свойства. Блоки состоят из двух отпрессованных половинок,
которые свариваются между собой. Наиболее распространенные виды стеклянных
блоков имеют на внутренней стороне рифления, придающие блокам светорассеивающую
способность (рисунок 1). Светопропускание - не менее 65%, светорассеивание -
около 25%, коэффициент теплопроводности - 0,4 Вт/(м · °С).
Панели из
профильного стекла (стеклопрофилит).
Отечественной промышленностью освоен выпуск профилированных стеклянных изделий
больших размеров. Подобные изделия имеют коробчатый, ковровый, ребристый и
другие профили и используются для монтажа светопропускающих перегородок и
перекрытий.
Стеклобетонные
конструкции представляют собой бетонную
обойму, внутри которой на растворе уложены стеклянные блоки. Эти конструкции
несгораемы и препятствуют распространению огня. В промышленном строительстве
стеклянные блоки применяют для устройства окон. В жилых и общественных зданиях
пустотелые стеклянные блоки используют для заполнения наружных световых
проемов, остекления лестничных клеток, а также для устройства светопрозрачных
перекрытий и перегородок.
Стеклопакеты в индустриальном строительстве находят все большее применение.
Они состоят из двух или трех листов стекла, между которыми образуется
геометрически замкнутая воздушная полость. Стекло пакетное остекление обладает
хорошей тепло- и звукозащитной способностью, оно не запотевает и не нуждается в
протирке внутренних поверхностей. В зависимости от назначения стеклопакеты
могут быть выполнены с применением оконного, закаленного, отражающего или
других видов стекла.
Стеклянные
трубы в
ряде случаев (например, в условиях химической агрессии) могут оказаться
эффективнее металлических. Они обладают высокой химической стойкостью, гладкой
поверхностью, прозрачны и гигиеничны. Благодаря этим высоким качествам их
широко используют в пищевой и химической промышленности. Основными недостатками
стеклянных труб следует считать хрупкость, т.е. слабое сопротивление изгибу и
ударам, а также невысокую термостойкость (около 40°С). В последнее время на
основе боросиликатных стекол получены термостойкие трубы с малым тепловым расширением.
Страницы: 1, 2
|