Что такое силикатное стекло

Силикатное стекло и ситаллы

Стёкла – аморфные материалы. Они отличаются от кристаллических веществ многими ценными свойствами, например однородностью физико-механических свойств, прозрачностью в оптической области спектра, лег­кой обрабатываемостью в размягченном состоянии.

Состав “нормального”, силикатного стекла выражается формулой Na₂CaSi₆О₁₄ или Na₂О • СаО • 6SiО₂. Наиболее близко к этому составу под­ходит обычное оконное стекло.

Основными компонентами сырьевой смеси (шихты) для производства стекла являются сода (Na₂CО₃), известняк – мел (СаСО₃) и кварцевый песок (SiО₂). Суммарный процесс образования “нормального” стекла может быть выражен уравнением:

Вместо соды можно использовать более дешёвый сульфат натрия, для разложения которого добавляют нужное количество угля:

Кроме основных компонентов для придания стёклам нужных свойств в шихту вносят различные добавки в виде оксидов, солей и других веществ.

Процесс стекловарения проводят в печах непрерывного действия. Его условно разделяют на несколько стадий:

– на стадии силикатообразования (при 800 – 1200°) образуется расплав и проходят основные химические реакции между компонентами сырьевой смеси, например:

К концу этой стадии в шихте не остается исходных веществ (песка, со­ды, мела и т.д.), а продукт представляет собой плотную спёкшуюся массу.

– на стадии стеклообразования (1200 – 1250°) происходит взаимное рас­ширение силикатов и образуется однородная стекломасса условного состава Na₂О ∙ CaO ∙ 6SiО₂, насыщенная газовыми пузырьками (CО₂, SО₂, О₂ и др.);

– на стадии осветления (1400 – 1600°) расплав стекла перемешивают (до нескольких суток) и он освобождается от газовых пузырьков. Затем температуру несколько снижают и проводят стадию гомогенизации, на ко-торой происходит полное усреднение расплава по составу;

– на стадии охлаждения температуру равномерно снижают до 400 – 500°, до достижения величины оптимальной вязкости расплава;

– на стадии формования стеклоизделий используют методы проката (толстое листовое стекло), вытягивания (оконное листовое стекло, трубы, стекловолокно), прессования (стеклянная тара, посуда) или выдувания (уз­когорлая тара, сортовая посуда);

– полученные изделия очень медленно доохлаждают для предотвра­щения возникновения внутренних напряжений.

Как уже упоминалось, для получения стёкол с особыми свойствами в состав шихты вводят различные неорганические добавки. По завершении процесса стекловарения эти добавки, как правило, превращаются в различ­ные оксиды, полностью растворенные в стекле и химически вошедшие в его структуру. В зависимости от своей химической роли в стекле, эти окси­ды делят на две группы – стеклообразующие и модифицирующие. Атомы элементов оксидов первой группы (В₂О₃, А1₂О₃, Р₂О₅, As₂О₅, V₂O₅ и др.) замещают в структуре стекла атомы кремния, оксидов второй группы (К₂О, MgO, BaO, ZnO, PbO и др.) – атомы натрия или кальция.

Оксиды бора, алюминия и цинка повышают химическую стойкость стекла, оксиды алюминия и магния – прочность и термостойкость, оксиды фосфора, свинца, бария и цинка снижают температуру размягчения стекла, оксиды свинца и бария, кроме того, повышают коэффициент преломления (например, при образовании свинцового хрусталя). Многие оксиды прида­ют стеклу окраску, например, изумрудно-зелёную (Сг₂О₃), зелёную (FeO), желтую (СгО₃), желто-коричневую (Fe₂О₃), синюю (СоО), фиолетовую (Мn₂О₃), красно-розовую (Se, MnО₂, CoO+B₂О₃) и др. Для устранения обычного зеленоватого оттенка оконного стекла (Fe 2+ – зелёный цвет) в стекломассу при варении добавляют соединения селена или марганца, ко­торые придают стеклу розовый цвет. За счёт наложения цветов зеленова­тый оттенок пропадает.

Таблица 1-Состав распространенных стекол

Физические и физико-механические свойства силикатных стёкол весьма разнообразны. В частности, их плотность колеблется от 2,2 (кварце­вое стекло) до 8,0 (свинцово-силикатное стекло). Стёкла, как правило, представляют собой достаточно прочные (модуль упругости 44 – 87 ГПа), но хрупкие материалы, весьма чувствительные к ударным механическим воздействиям. Наибольшая прочность характерна для алюмосиликатных стёкол, наименьшая – для стёкол с высоким содержанием В₂О₃ и РbО.

Важнейшим оптическим свойством стекла является его прозрачность. Обычное неокрашенное листовое стекло толщиной 6 мм пропускает около 80% солнечного света в ближнем ультрафиолетовом (длины волн 270 -380 нм), а также видимом (380 – 800 нм) и ближнем инфракрасном (800 -2600 нм) диапазонах спектра. Стёкла, окрашенные специально введенными оксидами переходных металлов, характеризуются значительно меньшим светопропусканием и применяются как солнцезащитные. Для защиты от солнечной радиации создают высокоотражающие стекла, получаемые на­несением на поверхность стекла тонких пленок металлов (Fe, Ni, Сг) или оксидов (ТiО₂, Со₃О₄, А1₂О₃ + ZnO).

Наконец, все большее распространение для теплозащиты помещений в холодный период получают так называемые низкоэмиссионные стёкла, покрытые тонкой пленкой специального теплоотражающего материала, например, серебра. Такие стёкла хорошо пропускают внутрь помещений солнечный свет, но отличаются исключительно высоким коэффициентом отражения (0,9 против 0,1 у обычного стекла) в дальней инфракрасной об­ласти, благодаря чему тепло, излучаемое людьми и тёплыми предметами внутри помещения, отражается обратно в помещение, а не излучается на­ружу.

Что касается химических свойств, то большинство технических сили­катных стёкол характеризуется высокой стойкостью к действию влажной атмосферы, воды и кислот (кроме HF и Н₃РО₄).

Наиболее сильное химическое разрушение стекла происходит под дей­ствием фтороводородной кислоты уже при комнатной температуре. Если количество HF небольшое, идет так называемое матовое травление стекла по реакции:

При избытке HF происходит прозрачное травление, без выделения га­за и образования нерастворимого фторида кальция:

Водные растворы щелочей также довольно быстро разрушают стекло, особенно при нагревании. В основе механизма щелочной коррозии стекла лежит ускоренное извлечение (выщелачивание) из него диоксида кремния, в результате чего структура стекла разрушается, например, по реакции:

В виде тонкого порошка стекло уже при обычных условиях очень мед­ленно реагирует с водой. При этом из структуры стекла выщелачивается в основном, оксид натрия, переходя в раствор в виде гидроксида, а в остаю­щемся твёрдом каркасе стекла место катионов натрия замещают атомы во­дорода в составе силанольных групп:

≡SiОNa + H₂О→≡ SiOH + NaOН

Таким образом, в случае полного завершения реакции мы получаем в твер­дом остатке гидросиликат кальция.

Отдельно следует отметить такой стеклообразный теплоизоляционный материал, как пеностекло. Его получают, добавляя в шихту или тонкоиз-мельченный стеклянный бой специальные порообразователи. выделяющие при варке стекла газ и вспучивающие стекломассу (мелкодисперсный угле­род, карбид кремния SiC, мел СаСО₃, пиролюзит МnО₂ и др.).

Вспенивают стекло, как правило, при 700 – 900° с получением пенома-териала с объемной массой 0,15 – 0,5 г/см 3 . По сравнению с другими неор­ганическими и органическими утеплителями (пеногипс, пенобетон, пено-полистирол) пеностекло обладает уникальным сочетанием высоких значе­ний водо-, термо- и морозостойкости. Оно сохраняет свои свойства даже при температуре кипения жидкого воздуха (-192°) и, с другой стороны, может использоваться для теплоизоляции горячих металлических поверх­ностей вплоть до температур порядка 400°.

77.243.189.99 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Изготовление и характеристики силикатного стекла

Существуют универсальные строительные материалы, которые используются при возведении любых объектов, независимо от их технологического назначения. Силикатное стекло относится как раз к таким элементам. Это один из древнейших материалов, который человечество научилось производить еще с незапамятных времен. Причем по составу нынешнее вещество мало чем отличается от древнейшего. Изменилась только технология изготовления и бесполезных примесей в составе стало намного меньше.

Изготовление материала

На сегодняшний день существует один общепринятый способ изготовления. Силикатная промышленность по производству стекла требует первоначальной подготовки сырья, после чего начинается непосредственный процесс выплавки.

Поэтапно это выглядит так:

• 1. Основными компонентами для производства являются кварцевый песок, известняк и сода. Из них при помощи специального оборудования готовится однородная масса – шихта, в которую все указанные элементы входят в измельченном виде.
• 2. Далее приготовленный состав поступает в печь, где под воздействием температуры от 300 до 2500 градусов происходит его расплав до однородной жидкой массы. Такой широкий диапазон вызван наличием большого количества марок стекла и зависит от используемых присадок. Нередко таковыми выступают твердосплавные металлы.
• 3. Далее полученное вещество поступает в формы, которые будут соответствовать виду готового изделия. Там стекло застывает с температурой, достаточной для предотвращения кристаллизации составляющих компонентов.
• 4. Полученный материал не обязательно будет прозрачным. Этот параметр также зависит от использования дополнительных элементов при выплавке.

Профессиональные химики называют материал натрий-кальций-силикатное стекло. Это связано с тем, что вещество представляет собой сплав трех оксидов – одновалентного натрия, двухвалентного кальция и четырехвалентного кремния. Причем в одной структурной единице содержится по одной доле оксидов металлов и сразу шесть долей оксида кремния. Именно этим и обусловлены все свойства, которыми обладает стекло.

В состав силикатного стекла также могут входить другие металлы и их соединения. Они добавляются, чтобы изменить технические характеристики и придать материалу новые параметры, которые могли бы помочь ему в выполнении непосредственных функций. Неметаллические элементы при этом применяются значительно реже и составляют в основном фториды.

Дело в том, что у стекла очень много различных отраслей использования, так что оно имеет много марок. Отличаются эти продукты своей прозрачностью, прочностью, твердостью, цветом. За каждый отдельный показатель отвечает особый химический элемент. Поэтому любая нестандартная модель будет стоить дороже, чем обычное стекло, получаемое из известняка, песка и соды.

Жидкое стекло

Кроме привычного и знакомого всем твердого материала, который установлен во всех домах в оконных рамах, существует также жидкое силикатное стекло. Это водно-щелочной раствор стандартного вещества, в который не входит оксид кальция. Он получается путем обработки кремнеземсодержащего сырья концентрированным гидроксидом натрия или сплавлением кварцевого песка с обыкновенной содой.

Данный состав также широко применяется в строительной промышленности. В частности он служит для изготовления огнеупорных материалов. После обработки жидкостью бетон, дерево, краска перестаю бояться открытого огня. Вещество также хорошо укрепляет слабые грунты, склонные к выветриванию полезных микроэлементов. Используется в качестве основного компонента при изготовлении термостойкой керамики для выплавки металлических форм.

Одной из основных характеристик материала является силикатный модуль жидкого стекла. Этот показатель характеризует процентное содержание оксида кремния к оксиду натрия в составе. Величина лишь показывает выход продукта из кремнезема, но никак не определяет качество самого раствора. Для расчетов используются химические методы исследования, которые проводятся при помощи специального оборудования.

Характеристики материала

Применимость любого материала определяется его техническими параметрами. Свойства силикатного стекла, не содержащего примесей, при нормальных условиях:

• • физическая плотность находится в диапазоне 2500-2600 килограмм на кубический метр и не зависит от температурных условий атмосферы;
• • модуль упругости (модуль Юнга) – 70 гигапаскаль;
• • модуль сдвига, который характеризует способность сопротивляться сдвиговой деформации, находится на отметке 26,2 гигапаскаль;
• • величина отношения относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению или коэффициент Пуассона – 0,25;
• • предел прочности – 1000 мегапаскаль, но при закаливании удается увеличить базовый показатель в 3-4 раза. Посуда из силикатного стекла есть в каждом доме, так что многие знают, что если уронить стакан на пол, то он не всегда разбивается, так как для его изготовления используют закаленную марку;
• • показатель твердости по шкале Мооса – 7 единиц;
• • по показателям хрупкости стекло относится к категории идеально хрупких материалов, что означает его разбиваемость без видимой деформации;
• • теплопроводность крайне низкая – 0,0023 кал/(см*с*град);
• • температура плавления находится в диапазоне 400-600 градусов по Цельсию.

Цена такого стекла за квадратный метр зависит от марки.

силикатное стекло

Англо-русский словарь технических терминов . 2005 .

Смотреть что такое “силикатное стекло” в других словарях:

силикатное стекло — silikatinis stiklas statusas T sritis chemija apibrėžtis Stiklas, kurio stiklodaris – SiO₂. atitikmenys: angl. glass; silicate glass; silicious glass; soda lime glass rus. силикатное стекло; стекло … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

силикатное стекло — silikatinis stiklas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. silicate glass vok. Silikatglas, n rus. силикатное стекло, n pranc. verre de silicate, m … Radioelektronikos terminų žodynas

Натрий-кальций-силикатное стекло — – бесцветное стекло, содержащее в основном двуокись кремния (SiO2), окислы щелочных металлов (Na2O, K2О), окислы щелочноземельных металлов (CaO, MgO) и дополнительные компоненты. [ГОСТ 24315 80] Рубрика термина: Виды стекла Рубрики… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

натрий-кальций-силикатное стекло — Бесцветное стекло, содержащее в основном двуокись кремния (SiO2), окислы щелочных металлов (Na2O, K2О), окислы щелочноземельных металлов (CaO, MgO) и дополнительные компоненты. [ГОСТ 24315 80] Тематики стекло и изделия из стекла DE Natron Kalk… … Справочник технического переводчика

германиево-силикатное стекло — germanio silikatinis stiklas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. germanosilicate glass vok. Germaniumsilikatglas, n rus. германиево силикатное стекло, n pranc. verre germanosilicate, m … Radioelektronikos terminų žodynas

стекло органическое — прозрачный твёрдый материал на основе органических полимеров, например полиакрилатов, полистирола, поликарбонатов (в промышленности термин «стекло органическое» чаще всего относят к листовому полиметилметакрилату). Отличается сравнительно… … Энциклопедический словарь

стекло — Прозрачный хрупкий материал, получаемый при остывании стекломассы [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)] Разновидности стекла Стекло – твердотельное состояние аморфных веществ. Термин также… … Справочник технического переводчика

СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ — СТЕКЛО НЕОРГАНИЧЕСКОЕ, квазиаморфное твердое вещество, у которого при наличии ближнего порядка (см. БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК) отсутствует дальний порядок (см. ДАЛЬНИЙ ПОРЯДОК И БЛИЖНИЙ ПОРЯДОК) в расположении частиц. В современном понимании понятие… … Энциклопедический словарь

Стекло армированное — в армированное стекло запресовывается отожженная, хромированная или никелерованная стальная проволока, которая служит каркасом, удерживающим мелкие осколки стекла при его повреждении. [Словарь архитектурно строительных терминов] Стекло… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

СТЕКЛО — СТЕКЛО, прозрачный (бесцветный или окрашенный) хрупкий материал. Наиболее распространено силикатное стекло, основной компонент которого оксид кремния. Получают его главным образом при остывании расплава, содержащего кремнезем и часто оксиды… … Современная энциклопедия

Стекло — СТЕКЛО, прозрачный (бесцветный или окрашенный) хрупкий материал. Наиболее распространено силикатное стекло, основной компонент которого оксид кремния. Получают его главным образом при остывании расплава, содержащего кремнезем и часто оксиды… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Источники:

https://studopedia.ru/4_79532_silikatnoe-steklo-i-sitalli.html
https://promplace.ru/steklo-staty/silikatnoe-steklo-2005.htm
https://dic.academic.ru/dic.nsf/eng_rus_technic/269214/%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%B0%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5