Виробництво скла

Скло

Скло (неоргані́чне скло) — тверда аморфна речовина, прозора, в тій чи іншій частині оптичного діапазону (в залежності від складу), отримана під час застигання розплаву, що має склотвірні компоненти[1].

Склотвірний компонент — речовина (оксид, сульфід, селенід, телурид чи фторид елементу), яка в процесі застигання розплавленої маси утворює скло[1].

Під склом розуміють сплави різних силікатів з надлишком діоксиду силіцію. Розплавлене скло не відразу твердне при охолодженні, а поступово збільшує свою в'язкість, аж поки не перетвориться в однорідну тверду речовину. Скло при твердінні не кристалізується, тому воно не має різко вираженої точки плавлення. На відміну від кристалічних матеріалів скло, при нагріванні у відповідному температурному інтервалі розм'якшується поступово, переходячи з твердого крихкого стану у тягучий високов'язкий і далі — у текучий стан — скломасу[2].

Походження і застосування

У природі скло зустрічається у складі вулканічних порід, які швидко охололи з рідкої магми при взаємодії з холодним повітрям чи водою. Іноді скло зустрічається у складіметеоритів, розплавлених при проходженні атмосфери.

Коли встановили ідентичність будови, складу і властивостей звичайного силікатного скла низці мінералів, останні стали кваліфікуватись як різновиди його природні аналоги, отримуючи назви відповідно до умов формування: вулканічне скло (пемза, обсидіани, пехштейн та ін.), скло метеоритного походження — тектит (молдавіти,лівіти та ін.).

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

Зі скла виробляють волокно, вату, тканини тощо. Ці матеріали відзначаються, значною механічною міцністю, негорючістю, кислотостійкістю і високими тепло- і електроізоляційними властивостями. Вони мають широке застосування в різних галузях техніки і будівельній справі.

У зв'язку з його згаданими електрофізичними властивостями, скло застосовують для виготовлення низько- та високовольтних ізоляторів, балонів і ніжок освітлювальних та електронних ламп, газорозрядних приладів, тонко- та товстостінних газонепроникних і вакуумщільних оболонок, різних електровакуумних приладів, рентгенівських трубок, компонентів електричних ланцюгів, що мають специфічні електрофізичні властивості.

При виробництві скла використовують:

• головні або склотвірні матеріали, до яких належать кварцовий пісок, сода, вапняк, доломіт, поташ, бура, каолін, пегматит, свинцевий сурик тощо;

• допоміжні матеріали, до яких належать сульфат натрію, селітра, триоксид миш'яку і сурми (для просвітлення скла), фториди, перекис марганцю, селен та інші речовини (для знебарвлювання скла), оксиди хрому, міді, кобальту, заліза (барвники).

За видом основних склотвірних матеріалів розрізняють такі класи скла[5]: елементарні, оксидні, галогенідні, халькогенідні, металеві, сульфатні, нітратні, карбонатні та ін.

• скло елементарне — здатні утворювати лише невелике число елементів: сірка, селен, миш'як, фосфор, вуглець. Склоподібні сірку і селен вдається отримати при швидкому переохолодженні розплаву; миш'як — методом сублімації у вакуумі; фосфор — при нагріванні до 250 °C під тиском понад 100 МПа; вуглець — в результаті тривалого піролізу органічних смол. Промислове застосування знаходить скловуглець, що має унікальні властивості, котрі перевершують властивості кристалічних модифікацій вуглецю: він здатний залишатися в твердому стані аж до 3700 °C, має низьку густину (близько 1500 кг/м3, має високу механічну міцність, електропровідність та хімічну стійкість.

• скло оксидне (наприклад, скло силікатне та його різновиди), являють собою великий клас сполук. Найлегше утворюють скло оксиди SiO2, CeO2, B2O3, P2O5, As2O3. Велика група оксидів — TeO2, TiO2, SeO2 WO3 MoO3, Bi2O3, А12O3, Ga2O3, V2O5 — утворює скло при сплавленні з іншими оксидами або сумішами оксидів. Наприклад, легко утворюється скло в системах СаО—Al2O3, СаО—А12O3—В2O3, Р2O5—V2O2, MemOn—P2O5—V2O5, де MemOn — різні модифікуючі оксиди.

• скло галогенідне (фторберилатне), яке отримують на основі склотвірного BeF2 компонента. Багатокомпонентні склади фторберилатних видів скла містять також фториди алюмінію, кальцію, магнію, стронцію, барію. Фторберилатние скло знаходить практичне застосування завдяки високій стійкості до дії жорстких випромінювань, включаючи рентгенівські промені, і до таких агресивних середовищ, як фтор і фтористий водень;

• скло халькогенідне, яке отримують в безкисневих системах типу As—X, Ge—As—X, Ge—Sb—X, Ge—P—X (де X: S, Se, Te) та ін. Халькогенідне скло має високу прозорість в інфрачервоній області спектру, має електронну провідність, проявляє внутрішній фотоефект.

Види скла, отримані на основі нітратних, сульфатних і карбонатних сполук представляють науковий інтерес, але практичного застосування поки не знайшли.

Кожен із склотвірних оксидів може утворювати скло в комбінації з проміжними або модифікувальними оксидами. Скло отримує назву за видом склотвірного оксиду: силікатне, боратне, фосфатне, германатне і т. д. Практичне значення мають види скла простих і складних складів, що належать до силікатної, боратної, боросилікатної, фосфатної, германатної, алюмінатної, молібдатної, вольфраматної та інших систем.

Виробництво скла полягає у підготовці (просіюванні, сушінні, змішуванні) сировинних матеріалів, плавленні їх у скловарних печах з одержанням скломаси, формуванні з неї (пресуванням, прокаткою, видуванням та іншими способами) скляних виробів, відпалі їх (при нагріванні до температури 450…600 °C і поступовому охолодженні), щоб запобігти розтріскуванню, а також у механічній, хімічній, термічній або термохімічній обробці. Скло буває прозорим і непрозорим, забарвленим і безбарвним.

За минулі тисячоліття методи виготовлення скла майже не змінилися, найраніші зразки практично нічим не відрізняються від сучасного, усім відомого скла для виготовлення пляшок (винятком є тільки сучасне скло із заданими властивостями). У природному стані воно існує як мінерал обсидіан — вулканічне скло. Величезна кількість модифікацій скла дає змогу найрізноманітнішого утилітарного використання, обумовленого його складом і хіміко-фізичними властивостями.

Звичайне віконне скло і скляний посуд являють собою сплав оксиду натрію, оксиду кальцію і діоксиду силіцію. Його приблизний склад можна виразити формулою: Na2O • CaO • 6SiO2. Вихідними матеріалами для виготовлення скла слугує білий кварцовий пісок SiO2, сода Na2CO3 і вапняк або крейда CaCO3. Суміш цих речовин у відповідних співвідношеннях сплавляють у спеціальних печах. Спочатку при 700–800°С внаслідок взаємодії карбонатів натрію і кальцію з діоксидом силіцію утворюються силікати натрію і кальцію:

• Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2 ↑

• CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 ↑

При 1200–1300 °C силікати натрію і кальцію з надлишком діоксиду силіцію утворюють сплав

• Na2SiO3 + CaSiO3 + 4SiO2 = Na2O•CaO•6SiO2

Скляну масу в розплавленому стані витримують до повного видалення газів. Разом з тим проводять знебарвлення скла додаванням незначних кількостей діоксиду марганцю MnO2. Звичайне скло буває забарвлене в зелений колір домішками оксидів заліза, які потрапляють разом з піском. Діоксид марганцю надає склу рожевого забарвлення, а зелений і рожевий кольори в сукупності дають білий колір. Після цього скляну масу охолоджують до певного ступеня в'язкості і виготовляють різні вироби.

Види скла

В залежності від практичного використання скляних виробів змінюється хімічний склад скла, форма, розміри, та спосіб їхнього виготовлення. Сучасна скляна промисловість виготовляє найрізноманітніші вироби — промислове та побутове листове скло, скляні труби і ізолятори, медичне та парфумерне скло, тарне та сортове скло, піноскло, скловолокно, ситали та інше.

Тарне скло

Див. також: майонезна баночка

Тарне скло займає досить велику частку від загального об‘єму продукції, що виготовляють скляні заводи. Це відбувається тому, що тарне скло використовується дляфасування, зберігання та транспортування різноманітних рідких пастоподібних та твердих продуктів.

Перевагами скляної тари, що обумовлюють широке її використання у різноманітних галузях промисловості та в побуті є: гігієнічність, прозорість, можливість виготовлення тари різноманітних розмірів та форми, можливість герметичного закривання та багаторазового використання, доступна ціна.

Кришталь

Кришталь — художнє скло, що називають так за схожість із гірським кришталем — один із найдорожчих і найгарніших різновидів. Із нього виготовляють різноманітнийпосуд, вази, люстри, що можуть посперечатися своєю красою із найвитонченішими витворами мистецтва.

Оптичне скло використовують для виготовлення лінз, призм, кювет і багато чого іншого.

Хіміко-лабораторне скло має високу хімічну й температурну стійкість, що дає змогу використовувати його під час наукових, часом небезпечних дослідів.

Медичне скло використовується для зберігання й упаковки лікарських препаратів, ін'єкційних і бактеріологічних розчинів, а також предметів догляду за хворими.

Скляний жаростійкий посуд (борне скло) визнаний одним із найкращих для приготування страв. У ньому можна готувати супи, каші, запіканки, тушкувати овочі, м'ясо, заварювати чай, каву звичайно ж, дотримуючись певних правил користування.

Характеристика скла

Склоподібний стан[ред. • ред. код]

Речовини в твердому стані при звичайних температурі і тиску можуть мати кристалічну або аморфну будову. У природі найпоширенішими є кристалічні тверді речовини, для структури яких характерний геометрично строгий порядок розташування частинок (атомів, іонів) в тривимірному просторі. Кристалічний стан є стабільним при звичайних умовах і характеризується найменшою внутрішньою енергією. Тверді кристалічні речовини мають чіткі геометричні форми, певні температури плавлення, у більшості випадків проявляють анізотропію властивостей.

Склоподібний стан речовини є аморфним різновидом твердого стану. Склоподібний стан є метастабільним, тобто характеризується надлишком внутрішньої енергії. Просторове розташування частинок речовини, що знаходиться в склоподібному стані, є неврегульованим, що підтверджується результатами рентгеноструктурних досліджень.

Скло може бути отримане шляхом охолодження розплавів без кристалізації шляхом переохолодження розплавів зі швидкістю, достатньою для запобігання кристалізації. Неорганічні розплави, що здатні утворити склофази, переходять до склоподібного стану при температурах нижчих за температуру склування Tg (при температурах вищих за Tg аморфні речовини перебувають у розплавленому стані).

Скло може бути отримане також шляхом аморфізації кристалічних речовин, наприклад бомбардуванням пучком іонів, або при осадженні парів на охолоджувані підкладки.

Фізико-механічні властивості скла[ред. • ред. код]

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

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