“С К Л О”Все про скло
Скло – один з найпоширеніших матеріалів, який широко використовується в господарстві і побуті: для засклення будинків, споруджень, транспортних засобів. Скляний посуд, пляшки, банки, електролампи, освітлювальна апаратура, дзеркала – необхідні предмети нашого побуту.
Листове скло має дуже різноманітний асортимент: безбарвне – поліроване, візерункове, армоване; пофарбоване листове скло також має різноманітний асортимент. З безбарвного і пофарбованого скла виготовляють різні види будівельного скла – скляні блоки, профільне скло, склошифер, склоплитки й інші лицювальні матеріали. З листового скла виготовляють безпечні стекла (загартоване, триплекс) для заскління автотранспорту, літаків і ін.
У харчовій і хімічній промисловості застосовують труби, апарати і реактори зі скла. Високоміцні скляні нитки, витягнуті з розплаву скла використовують для виготовлення технічних тканин – хімічно стійких, електро-, тепло-, звуко- і гідроізоляційних, а також як арматуру при виготовленні склопластиків і бетонів.
Екскурс в історію
Скло відоме людям уже близько 55 століть. Самі древні зразки виявлені в Єгипті. В Індії, Кореї, Японії знайдені скляні вироби, вік яких відноситься до 2000 року до н.е. Розкопки свідчать, що на Русі знали секрети виробництва скла більш тисячі років тому. А перше згадування про російський скляний завод (він був побудований під Москвою біля села Духаніно) відноситься до 1634 року.
Незважаючи на таку древню історію, масовий характер виробництво скла придбало лише наприкінці минулого сторіччя завдяки винаходу печі Сіменса-Мартіна і заводському виробництву соди. А вже листове скло – річ зовсім сучасна. Технологія його виготовлення була розроблена в нашому столітті.
Склоподібний стан
Склоподібні речовини виходять шляхом переохолодження рідких розплавів, що застигають не кристалізуючи внаслідок інтенсивного (швидкого) наростання в'язкості. Температура знижується поступово доти поки скло не стає тендітним і твердим. А при нагріванні тверді склоподібні речовини поступово розм'якшуються, стають пластичними, а потім перетворюються в розплав. Зі зміною в'язкості, безупинно змінюються й інші фізико-хімічні властивості (це враховується при виробленні скла тим чи іншим способом).
Таким чином, визначення скла, дане комісією з термінології при Академії Наук, звучить так:
«Склом називаються всі аморфні тіла, одержувані шляхом переохолодження розплаву незалежно від їхнього складу і температурної області затвердіння і, що володіють у результаті поступового збільшення в'язкості механічними властивостями твердих тіл, причому процес переходу з рідкого стану в склоподібний повинен бути оборотним».
Початок склоробства відносять до четвертого тисячоріччя до нашої ери. Про те, як люди навчилися робити скло, існують різні версії. Швидше за все склоробство виникло на базі гончарного ремесла після того, як судини з глини навчилися не тільки робити міцними при випалі, але і непроникними для рідин, покриваючи їхньої стінки склоподібними плівками (глазурями). Для глазурей була використана випадкова суміш на основі кварцового піску і золи, що містить оксиди лужних і лужноземельних металів. У міру того як накопичувався досвід скловаріння, склад скла коректувався і наближався до самого легкоплавкого складу, а саме складу потрійний евтектики в системі Si2 – Na2O – СаО з температурою плавлення 725°С. Одержання нових складів скла привело до того, що до дійсного часу майже всі елементи таблиці Д.І. Менделєєва випробувані в складах різних стекол.
По основному склоутворюваному оксиду скла одержали назви: силікатні (Si2), боратні (У2ПРО5), фосфатні P2ПРО5) і ін. – це всі з'єднання компонентів з киснем – дали назву класу – оксидне скло, до якого і відноситься листове скло.
Скло не має визначеної температури плавлення чи затвердіння. Ці процеси проходять у деякому температурному інтервалі. При охолодженні розплав переходить з рідкого в пластичне, а потім у твердий стан, тобто протікає процес скловання – поступовий перехід переохолодженої рідини в склоподібний стан. Навпаки, при нагріванні скло з твердого стану переходить у пластичне, а при більш високій температурі – у рідке (розм'якшення скла).
Властивості скла визначаються не тільки їхнім хімічним складом, але також температурою, при якій відбувалося варіння скла, і швидкістю охолодження розплаву, тобто так називаним «тепловим минулим». Т.е. скло того самого хімічного складу може мати різні властивості і структуру в залежності від його наближення до рівноважного. Тому так важливо дотримувати температурні і тимчасові параметри виробництва скла.
Основоположником наукового склоробства в Росії є М.В. Ломоносов, що організував у 1748 р. першу наукову лабораторію по хімії і технології скла.
Основні гіпотези будіви скла
Теорії будови скла – немає, але є гіпотези, що пояснюють структуру і властивості скла. Гіпотези будови скла відбивають етапи розвитку структурних уявлень про будову склоподібних речовин і умови склоутворення. Серед них центральне місце займають гіпотези Д.І. Менделєєва, А.А. Лебедєва, Захаріасена, Таммана.
Властивості скла у твердому стані
Властивості скла звичайно підрозділяють на механічні, електричні, оптичні і хімічні. Ми розглянемо тут коротко лише ті властивості, що мають практичне значення при використанні листового скла. Механічні властивості скла характеризують відношення скла до хімічних впливів, до них відносяться: твердість, крихкість, щільність.
Під твердістю розуміється властивість скла пручатися що дряпає і ріже зусиллям. Від цієї властивості залежить тривалість усіх видів механічної обробки скла, а також його придатність до такою умовою служби, при яких скло працює на стирання (буддеталі, частини приладів, годинні камені і т.п.).
У залежності від способу виміру твердості скла розрізняють твердість царапання, мікротвердість, твердість шліфування і вдавлення.
Мікротвердість визначається шляхом вдавлення в скло під навантаженням алмазної піраміди.
Мікротвердість стекол коливається від 480 до 1000 кг/мм2. Твердість скла залежить від його складу. Самі тверді стекла – кварцові високоглиноземні боросилікатні. Самі м'які стекла – багатолужні і свинцеві. Звичайні промислові стекла характеризуються середнім значенням твердості. По шкалі Маоса твердість усього селікатного скла лежить у межах від 5 до 7.
Мірою твердості скла служить або ширина подряпини, наносимой на скло при визначеному тиску, або величина тиску, при якому на склі утвориться подряпина визначеної ширини.
Абразивна твердість виміряється кількістю скла, зішліфованого з поверхні випробуваного зразка скла за певних умов його обробки: чим більше його кількість за даний відрізок часу, тим менше твердість скла.
Крихкість
Тендітними називаються матеріали, що раптово руйнуються при невеликому перевищенні межі міцності. Звичайно крихкість скла виражають межею його міцності при ударі, причому за ударну міцність скла приймають сумарну роботу ударів, віднесену до одиниця об'єму зразка. Крихкість скла залежить від його товщини: зі збільшенням останній міцність скла при ударі зростає.
Значний вплив на ударну міцність скла робить його термічна обробка. Міцність загартованих зразків скла в 5-7 разів більше міцності таких же, але нормально відпалених зразків. Однак установлено, що надмірно тривалий обпалювання скла приблизно в 2-2,5 рази збільшує його ударну міцність.
Відомо, що введення до складу скла, окису Mg чи кремнезему збільшує межу міцності скла при ударі.
Щільність
Щільність скла – важлива фізична величина, від якої залежать тепловий, оптичні і ряд інших його властивостей. Найменшу щільність має кварцове скло (2,203 г/см3), найбільшу – скло з високим змістом Pb (до 7 г/см3). Щільність звичайного листового скла при кімнатній температурі в середньому дорівнює 2,5 г/см3 (2,45-2,55 г/см3). З підвищенням температури вона зменшується.
Термічні властивості скла
Найголовнішими термічними властивостями скла є теплоємність, коефіцієнт термічного розширення і термічна стійкість.
Термічною стійкістю називається здатність матеріалу витримувати різкі зміни температури не руйнуючи і не утворити тріщин. Скла значно краще витримують різке нагрівання, чим різке охолодження. Це порозумівається тим, що при нагріванні в зовнішніх шарах скла розвиваються менш небезпечні для цього матеріали напруги стиску, тому що зовнішні шари як би стягаються внутрішніми більш холодними шарами, що не дають їм розширюватися навпаки, під впливом охолодження зовнішні шари прагнуть затися, але скоротитися до кінця відповідно законам розширення вони не можуть, тому що внутрішні менш остиглі шари перешкоджають цьому.
Виникаючі при цьому в зовнішніх шарах скла розтяжні зусилля є для нього найбільш небезпечними, якщо врахувати, що скло має значно меншу міцність при розтяганні, чим при стиску.
Електричні властивості
До найголовніших електричних властивостей скла відносяться електропровідність, діелектричні втрати, діелектрична проникність і діелектрична міцність.
При нормальній температурі скла є провідниками електрики другого роду, їхня електропровідність незначна, тому багато стекол можуть служити ізоляторами. Однак, при підвищеній температурі і струмах високої напруги електропровідність скла значно зростає.
Оптичні властивості
До оптичних властивостей стекол відносяться пропущення, поглинання, переломлення, розсіювання і відображення світла, що є результатом взаємодії електромагнітного випромінювання зі склом. Для листового скла товщиною 10мм пропущення світла складає 88-90%, поглинання коливається від 0,5 до 3% у залежності від змісту домішок барвних компонентів, відображення дорівнює 8-9%. Висока прозорість листового скла обумовлена тим, що скло є однорідним і однофазним середовищем, відсутні границі розділу фаз, що можуть викликати розсіювання світла. Оптичні властивості характеризуються показником переломлення, що виражається відношенням синуса кута падіння до синуса кута переломлення світлового променя. Це відношення залежить від природи суміжних середовищ і довжин хвиль променів, але не залежить від кута падіння, тобто n=const.
Показник переломлення скла залежить від ряду факторів, головним чином, від щільності скла, а отже від його хімічного складу і структури. Чим вище щільність скла, тим менше швидкість поширення світла.
Хімічна стійкість
Хімічна стійкість листового скла до впливу агресивних середовищ має значення головним чином з погляду збереження якості його поверхні в умовах транспортування і збереження. Листове скло для остекління зовнішніх світлових прорізів будинків і засобів транспорту, будучи хімічно стійким матеріалом, служить цілком задовільно протягом багатьох десятиліть. Продукти його руйнування, що утворяться при впливі атмосфери і вологи, легко змиваються з зовнішньої поверхні (при цьому не виявляються які або видимі ознаки зміни), а виникаючі на поверхні плівка гелю кремнекислоти згодом ущільнюється і захищає скло від подальшого гідролізу.
Умова служби листового скла усередині приміщень ще більш сприятливі. При тривалому чи збереженні транспортуванні упакованого скла, особливо в умовах підвищеної вологості між окремими аркушами, які знаходяться в безпосередньому чи контакті на незначній відстані один від іншого, під впливом вологи утворяться розчини високої концентрації, що взаємодіючи зі склом, викликають появу на поверхні його райдужних і білих плям. В запобіганні цього скло необхідно зберігати в сухих приміщеннях.
У прийнятій класифікації хімічної стійкості скло поділяють на 5 гідролитичних класів.