Изучение основных видов и свойств образцов стекла и стеклоизделий

Стеклом называют твердый аморфный изотропный прозрачный материал, получаемый при охлаждении минеральных расплавов, содержащих стеклообразующие компоненты (оксиды бора, кремния, алюминия и др.) и оксиды металлов (магния, свинца, калия и др.).

Основным сырьем для производства стекла являются чистые кварцевые пески, известняк, доломиты, кальцинированная сода или сульфат натрия, поташ. Основной компонент – чистый белый песок, который составляет 60…70 %. Сода или сульфат натрия, поташ снижают температуру варки стекла и ускоряют процесс стеклообразования.

В процессе изготовления в стекла вводят соединения, придающие ему специальные свойства. Глинозем, вводимый в шихту в виде каолина и полевого шпата, повышает механическую прочность, а также термическую и химическую стойкость стекла. При замене части диоксида кремния борным ангидридом повышается скорость стекловарения, улучшается осветление и уменьшается склонность к кристаллизации. Оксид свинца, вводимый, главным образом, при изготовлении оптического стекла и хрусталя, повышает показатель светопреломления. Оксид цинка понижает температурный коэффициент линейного расширения стекла, благодаря чему повышается его термическая стойкость. В специальные стекла, например, оптическое, лабораторное, вводят оксиды свинца, бария и цинка.

Вспомогательные сырьевые материалы (осветлители, глушители, красители и др.) вводят в шихту для ускорения варки стекла и придания ему требуемых свойств. Осветлители (сульфаты натрия и аммония и др.) способствуют удалению из стекломассы газовых пузырьков. Глушители (соединения фтора, фосфора и др.) делают стекло непрозрачным. К красителям относят соединения кобальта (синий цвет), хрома (зеленый), марганца (фиолетовый), железа (коричневые и сине-зеленые тона) и др.

Производство стекла включает в основном следующие технологические операции:

- подготовку сырьевых материалов (сушка, измельчение);

- приготовление стекольной шихты (дозировку и смешение компонентов);

- варку стекломассы;

- формование из нее материалов;

- термическую, механическую или химическую обработку для улучшения свойств.

К важнейшим свойствам стекла можно отнести плотность, прочность, твердость, хрупкость, теплопроводность, термическую устойчивость, оптические свойства.

Плотность – это отношение массы тела к его объему. Она зависит от химического состава стекла и бывает от 2,2 до 2,6 г/см³. В некоторой степени плотность стекла зависит от температуры, с повышением которой плотность стекла уменьшается.

Прочность – способность материала выдерживать нагрузку на сжатие, растяжение и т. д. Предел прочности на сжатие колеблется от 600 до 1200 МПа, на растяжение от 30 до 90 МПа.

Твердость – способность стекла оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. Твердость стекла по шкале Мооса равна 7. Некоторые виды стекол бывают твердостью 5 – 6 по шкале Мооса.

Теплопроводность – это способность материала, в данном случае стекла, проводить тепло без перемещения вещества этого материала. У стекла коэффициент теплопроводности равен 0,5…1 Вт/(мК).

Термическая устойчивость – способность стекла выдерживать резкие изменения температуры не разрушаясь.

Оптические свойства подразумевают светопрозрачность, светопоглощение, отражение и преломление света. Светопоглощение стеклом света невелико. В оконном стекле оно равняется примерно 88 %. Для получения стекол с высокой степенью прозрачности необходимо сырьевые материалы до минимума очищать от нежелательных примесей, окрашивающих стекло.

Прозрачное стекло одинаково пропускает все цвета спектра. Кроме того, надо знать, что чем лучше отполировано стекло, тем больше оно пропускает света, и наоборот. Различные царапины и загрязнения сильно снижают прозрачность.

Для строительства изготовляют следующие виды стекла: листовое, оконное, армированное, узорчатое, штучное и др.

Наибольший объем производства приходится на листовые стекла толщиной от 2 до 10 мм, которые используют для остекления окон, дверей, витрин, изготовления стеклопрофилита и стеклопакетов. Один из путей ре­гулирования свойств стекол – применение добавок. Таким образом полу­чают теплозащитное, поглощающее до 75 % инфракрасных лучей, и увиолевое, пропускающее до 70 % ультрафиолетового излучения. Для обеспечения безопасной эксплуатации светопрозрачных кровель, перего­родок в стекло во время проката стекломассы вводят проволочную метал­лическую арматуру в виде сеток – армированное стекло. С целью создания эффекта светорассеивания, исключения прозрачности и повышения деко­ративности используют пигменты и рельефный рисунок поверхности – де­коративное стекло. Ударную прочность повышают несколькими способа­ми: за счет склеивания определенного количества слоев стекол прозрачной полимерной пленкой – многослойное стекло, увеличения толщины изде­лия до 10 мм – витринное стекло и методом закалки, включающим по­вторный нагрев и резкое охлаждение отформованных изделий.

Такие строительные конструкционные изделия, как длинномерный стеклопрофилит, имеющий треугольное, овальное, коробчатое или швеллерное сечение, пустотелые мелкоштучные стеклоблоки, крупнораз­мерные, многослойные, герметичные стеклопакеты используют для час­тичного заполнения стеновых проемов и выполнения внутренних перего­родок. Основное назначение – повышение освещенности помещения, об­легчение стеновых конструкций и улучшение их теплозащитных свойств.

Облицовочные изделия из минеральных расплавов используют для отделки фасадов, за исключением поверхности из ячеистых блоков и кир­пича, внутренней облицовки стен, потолков, полов. Величина изделий ко­леблется от крупноразмерных плит цветного глушеного полированного стекла – марблит размером 500 ´ 500 ´ 12 мм или обычного строительного стекла с декоративным цветным покрытием – стемалит размером 1500 ´ 1100 ´ 7 мм до коврово-мозаичной плитки размером 21 ´ 21 ´ 4,5 мм. С целью увеличения ударной прочности материалов, утилизации больших объемов стеклоотходов, их спекают в виде гранул с песком и глиной - стеклокерамит или только с песком – стеклокремнезит. Путем сплав­ления одноцветных или многоцветных тонкоизмельченных отходов полу­чают стекломрамор и стеклокристаллит. Эти облицовочные изделия выпускают с лицевой полированной поверхностью и шероховатой – тыль­ной для повышения прочности сцепления со строительным раствором. При выполнении подвесных потолков листовые стекла с рельефной поверхно­стью или декоративным светопропускающим покрытием обеспечивают равномерное освещение помещения. Стекла с зеркальным покрытием при­меняют в ресторанах, кафе, магазинах.

К материалам специального назначения относятся теплоизоляционные и акустические на основе ячеистого стекла, шлаковых и стеклянных волокон.

Ячеистое стекло получают, как правило, из смеси тонкомолотых от­ходов и порообразующих добавок: выгорающих – каменного угля или газо­образующих – известняка. Путем спекания подготовленной массы получают изделия в виде гранул, а также блоков, которые разрезают на плиты задан­ных размеров. Полученный материал хорошо подвергается шлифованию и сверлению, обладает водостойкостью, низкой плотностью – 140 – 350 кг/м³, высокой замкнутой пористостью – 86 – 95 %, широким интервалом рабочих температур – от минус 180 до плюс 400 ⁰С, огнестойкостью. Гранулированное ячеистое стекло применяют в качестве засыпок при утеплении потолка, стен, пола, а также как легкий заполнитель в бетоны. Плитный утеплитель исполь­зуют для теплоизоляции стен, покрытий, технологического оборудования. Акустические плиты выпускают с дополнительной перфорацией. К рыхлым зернистым пористым материалам относится и дробленая шлаковая пемза, имеющая применение аналогичное гранулированному ячеистому стеклу.

Изучение видов и основных свойств стекла и стеклоизделий заносятся в таблицу 1 практической работы.

Таблица 1 – Характеристика видов и основных свойств стекла и стеклоизделий

Исследуемые признаки	Терминология	Наблюдательные признаки
Размеры	Указать в мм
Цвет	Светлокоричневый, светлый, темный, зеленоватый
Форма	Правильная, неправильная
Вид поверхности	Рифленая, гладкая, бугристая, узорчатая
Характерные признаки	Цвет, наличие узора, присутствие арматуры
Вид стекломатериала	Листовое стекло, стеклоизделие
Название образца	–
Область применения	–

Контрольные вопросы для защиты выполненной лабораторной работы

1 Какими свойствами обладает стекло?

2 Какие разновидности листового стекла применяют в строительстве?

3 Где применяют стеклоблоки и стеклопакеты?

4 Какое стекло и стеклоизделие применяют для отделки интерьеров?

5 Что такое ситаллы и шлакоситаллы?

6 Что относят к облицовочным стеклянным материалам?