Неорганическое стекло

Cтекло естественное метеоритного происхождения

Лампа неоновая вместо накальной (13ватт с освещением в 65 свечей)

Неорганическое стекло́ или стекло, отличающееся составом стеклообразующих веществ: оксидов, фторидов и др. — твёрдый, хрупкий,аморфный материал, разновидности которого формируются при определённых условиях в процессе переохлаждения расплава и при определённых условиях способное к кристаллизации (например, ситалл).

Виды стекол

В зависимости от основного используемого стеклообразующего вещества, стекла можно рзделить на:

• Неорганическое стекло:
  • Оксидные — кроны (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные);
  • Фторидные;
  • Сульфидные;
  • Ситалловые; и т.д.

Стеклообразующие вещества

К стеклообразующим веществам относятся:
Оксиды:

• SiO₂
• B₂O₃
• P₂O₅
• ТeO₂
• GeO₂

Фториды:

• AlF₃

и др.

Базовый метод получения силикатного стекла заключается в плавлении смеси кварцевого песка (SiO₂), соды (Na₂CO₃) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na₂O*CaO*6SiO₂.

• Кварцевое стекло получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты (обычно кварцит, горный хрусталь), его химическая формула — SiO₂. Кварцевое стекло может быть также природного происхождения, образующееся при попадании молнии в залежи кварцевого песка.
• Оптическое стекло или крон — группа прозрачных стёкол специального состава и характеристик, используемых для изготовления различных оптических устройств.
• Химико-лабораторное стекло — стекло, обладающее высокой химической и термической устойчивостью.

Технологии

Различаются главные виды стекла:

• Содово-известковое стекло (1Na$_2$O : 1CaO : 6SiO$_2$)
• Калийно-известковое стекло (1K$_2$O : 1CaO : 6SiO$_2$)
• Калийно-свинцовое стекло (1K$_2$O : 1PbO : 6SiO$_2$)
• Стеклокристаллические материалы — ситаллы (Li₂O-Al₂O₃-SiO₂, MO-Al₂0₃-SiO₂, Li₂O-МО-А1₂О₃--SiO₂, MgO-Al₂O₃--SiO₂-K₂O-F; МО-В₂О₂-А1₂О₃ PbO-ZnO-B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ и др.)

В качестве главной составной части в стекле содержится 70 — 75 % двуокиси кремния (SiO$_2$), получаемой из кварцевого песка при условии соответствующей грануляции и свободы от всяких загрязнений. Венецианцы для этого применяли чистый песок из реки По или даже завозили его из Истрии, тогда как богемские стеклоделы получали песок из чистого кварца.

Второй компонент — окись кальция (CaO) — делает стекло химически стойким и усиливает его блеск. На стекло она идёт в виде извести. Древние египтяне получали её из щебня морских раковин, а в средние века она приготовлялась из золы деревьев или морских водорослей, так как известняк в качестве сырья для приготовления стекла был ещё не известен. Первым подмешивать к стеклянной массе мел, как тогда назывался известняк, стали богемские стеклоделы в XVII веке.

Следующей составной частью стекла являются окиси щелочных металлов, вроде окиси натрия (Na$_2$O) или окиси калия (K$_2$O), нужные для плавки и выделки стекла. Их доля составляет примерно 16-17 %. На стекло они идут в виде соды (Na$_2$CO$_3$) или поташа (K$_2$CO$_3$), которые при температуре легко разлагаются на окиси. Соду сначала получали выщелачиванием золы морских водорослей, а в местности, удалённой от моря, применяли содержащий калий поташ, получая его выщелачиванием золы буковых или хвойных деревьев.

Содовое стекло можно с лёгкостью плавить, оно мягкое и потому легко поддаётся обработке, а кроме того, чистое и светлое.

Поташное стекло, напротив, более тугоплавкое, твёрдое и не такое пластичное и способное к формовке, но обладает зато сильным блеском. Оттого что раньше его получали непосредственно из золы, в которой много железа, стекло было зеленоватого цвета, и в XVI веке для его обесцвечивания начали применять перекись марганца. А так как именно лес давал сырьё для изготовления этого стекла, его называли ещё лесным стеклом. На килограмм поташа шла тонна древесины.

Свинцовое стекло (или хрусталь), получается заменой окиси кальция окисью свинца. Оно довольно мягкое и плавкое, но весьма тяжёлое, отличается сильным блеском и высоким коэффициентом светопреломления, разлагая световые лучи на все цвета радуги и вызывая игру света.

Основные свойства неорганического стекла

физико-химические характеристики

• Вещества изотропны, т.е. свойства их одинаковы во всех направлениях;
• При нагревании они не плавятся как кристаллы, они постепенно размягчаются при переходе из хрупкого в высоковязкое и в конце — в капельно-жидкое состояние, при этом не только вязкость, но и другие свойства изменяются непрерывно;
• Расплавляются и отвердевают обратимо. Т.е. выдерживают неоднократный разогрев до расплавленного состояния, после охлаждения вновь приобретают первоначальные свойства при одинаковых режимах перехода (если не произойдет кристаллизация или ликвация). Обратимость прессов и свойств указывает на то, что стеклообразующие расплавы и затвердевшее стекло являются растворами в чистом виде. Обратимость — признак настоящего раствора.
• Определение неорганического стекла как переохлаждённой жидкости вытекает из способа получения стекла. Для перевода кристаллического тела в стеклообразное состояние его необходимо расплавить и затем переохладить снова. Переход вещества из жидкого состояния в твердое при понижении температуры происходит двумя путями: вещество кристаллизуется либо застывает в виде стекла. По первому пути могут следовать почти все вещества. Однако кристаллизация присутствует только в тех веществах, которые будучи в жидком состоянии, обладают малой вязкостью и вязкость которых возрастает сравнительно медленно, почти до момента кристаллизации. К таким веществам относится и оксид висмута, который в чистом состоянии практически не образует стекол.

Свойства стекла сопоставимы с понятием “свойство-состав” стеклообразных систем и показывыает, что свойства можно разделить на две группы в зависимости от молярного состава — на простые и сложные.

• Первая группа — стеклообразные системы с простой зависимостью от молярного состава и могут оцениваться по:
  • Молярный объём;
  • Показатель преломления;
  • Дисперсия;
  • Теримческий коэффициент линейного расширения;
  • Диэлектрическая проницаемость;
  • Модуль упругости;
  • Удельная теплоемкость,
  • Коэффициент теплопроводности.
• Вторая группа:

Ко второй группе относятся свойства, которые более чувствительные к изменению состава. Зависимость их от состава сложна и часто не поддается количественным обобщениям. Например: вязкость, электропроводность, скорость диффузии ионов, диэлектрические потери, химическая стойкость, светопропускание, твёрдость, поверхностное натяжение, кристаллизационная способность и др. Расчёт этих свойств возможен лишь в конкретных случаях.

Физикохимические свойсва неорганического стекла

Оптическое стекло

Физикохимические свойства неорганического стекла (НС) и самое главное — совокупность физико-химических свойств и характеристик стекол дают возможность применять технологические процессы варки стекла, формования и обработки изделий в зависимости от нужных свойств стекла. Физико-химические свойства и характеристики зависят от химического состава стекол и могут быть определены расчетным путем. Прозрачность его, а таже механическая прочность, деформация, теплопроводность и др. одинаковы (изотропны) по всем направлениям. С течением времени стекло мутнеет. Помутнение вызвано появлением внутри стекла мелких кристаллов, оптические свойства которых иные, чем окружающей их аморфной среды в связи с неустойчивым состоянием аморфного вещества.

Со временем аморфные вещества переходят в кристаллические. Центрами кристаллизации могут быть пылинки, вокруг которых начинается перегруппировка молекул, постепенно образующих кристаллическую решётку. Говорят, что стекло "стареет".

Стекло (оптическое стекло), обладая важными характеристиками: высокая прозрачность, дисперсия, изотропия, термостойкость, твёрдость и т.д., прозрачно к свету (с определённым диапазоном электромагнитных лучей) и широко применяется в науке и технике:

• для изучения световых явлений, называемых оптическими;
• в оптических устройствах.

Обычное НС как прозрачный материал — занимает достойное место в нашей жизни: в строительстве, науке, медицине, искусстве и т.д.

Таблица физических свойств основных видов стекла
Свойства	Кальциево-натриевое стекло (1Na2O : 1CaO : 6SiO2)	Боросиликатное стекло	Изоляционное стекло	Оптическое стекло	Кварцевое стекло	Германиевое стекло	Германий-кремниевое стекло
Химсостав, в %	74 SiO2, 13 Na2O, 10.5 CaO, 1.3 Al2O3, 0.3 K2O, 0.2 SO3, 0.2 MgO, 0.01 TiO2, 0.04 Fe2O3	81 SiO2, 12.5 B2O3, 4 Na2O, 2.2 Al2O3, 0.02 CaO, 0.06 K2O	63 SiO2, 16 Na2O, 8 CaO, 3.3 B2O3, 5 Al2O3, 3.5 MgO, 0.8 K2O, 0.3 Fe2O3, 0.2 SO3	41.2 SiO2, 34.1 PbO, 12.4 BaO, 6.3 ZnO, 3.0 K2O, 2.5 CaO, 0.35 Sb2O3, 0.2 As2O3	SiO2	GeO2	GeSe2
Вязкость log(η, в Па·с) = A + B / (T в °C - To)	550-1450°C: A = -2.309 B = 3922 To = 291	550-1450°C: A = -2.834 B = 6668 To = 108	550-1400°C: A = -2.323 B = 3232 To = 318	500-690°C: A = -35.59 B = 60930 To = -741	1140-2320°C: A = -7.766 B = 27913 To = -271.7	515-1540°C: A = -11.044 B = 30979 To = -837
Температуратурная стойкость, Tg, °C	573	536	551	~540	1140	526 ± 27	395
Коэффциент теплового расширения, ppm/K ~100-300°C	9	3.5	10	7	0.55	7.3
Плотность при 20°C, г/см³	2.52	2.235	2.550	3.86	2.203	3.65	4.16
Коэффициент преломления nD при 20°C	1.518	1.473	1.531	1.650	1.459	1.608	1.7
Дисперсия (света) при 20°C, 104×(nF-nC)	86.7	72.3	89.5	169	67.8	146
Модуль упругости E, при 20°C, МПа	72	65	75	67	72	43.3
Модуль среза (жёсткости) при 20°C, МПа	29.8	28.2		26.8	31.3
Температура плавления, в °C	1040	1070			1715	1115
Теплоёмкость при 20°C, Дж/(K·моль)	49	50	50	51	44	52
Поверхностное напряжение, при ~1300°C, мДж/м2	315	370	290
Химическая стойкость, Гидролитический класс, по ISO 719	3	1	3

Химическая устойчивость неорганичнского стекла

Химическая устойчивость НС видна по устойчивому отношению его к различным агрессивным средам. Это одно из важных свойсттв стекол. Но весь диапазон возможных стеклообразных систем, их химическая устойчивость различаться - от предельно устойчивого кварцевого стекла до растворимого (жидкого) стекла. Прцесс разрушения стекла в агрессивных жидкостях различают в двух видах:

• Растворение;
• Выщелачивание.

При растворении компоненты стекла переходят в раствор в одинаковых пропорциях, в каких они находятся в стекле. Многие стеклообразные стекольные системы растворяются с некоторой скоростью в плавиковой кислоте и в концентрированных горячих растворах щелочей.

При выщелачивани наблюдается механизм взаимодействия стекла с водой и кислотами, кроме плавиковой. При выщелачивании в расвор переходят в основном избранные компоненты - оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. В результате перехода на поверхности стекла образуется зещитная пленка, которая по своему составу максимально приближена к составу стекла. Переход от выщелачивания к растворению возможен при взаимодействии стекла с водой или с HCl, H2SO4, HNO3 и. т. п. только в том случае, если стекло сильно обогащено щелочами.

Химической устойчивости НС определяется по потере массы образца после обработки в агрессивной среде в течении заданного промежутка времени. Потери выражаются в мг/см². Наиболее подходит метод выборочного определения компонентов, перешедших в раствор. В данном случае потери выражают числом молей каждого из оксидов, перешедших в раствор с единицы поверхности стекла.

Для определения химической устойчивости НС в растворах в условиях высоких температур и давлений кроме потерь веса надо определять глубину разрушенного слоя и характер разрушенной поверхности.

Цвет неорганического стекла

Стекло — это сплавленная из обычных сырых материалов стеклянная масса бесцветна, с лёгким желтовато-зелёным или голубовато-зелёным отливом, вызываемым различными минеральными примесями. Для того, чтобы эту массу внутри стекла окрасить, чаще всего применяют окислы металлов, добавляя их в шихту до или после плавки.

История

Мюнхенская Чашка Клетки из Кёльна, 4-ое столетие нашей эры

Неорганическому стеклу более четырёх тысяч лет, открыли его случайно, в Египте.

См. также

• Оптические материалы
• Оптическое стекло
• Аэрогель
• Жидкое стекло
• Урановое стекло
• Пористое стекло
• Сотовый поликарбонат

Ссылки

• Черняк Людмила Менделевна. Из истории стекла
• Разновидность строительного стекла

Литература

• Михаил Васильевич Ломоносов. Письмо о пользе стекла. — М. В. Ломоносов. Избранные произведения. Т. 2. История. Филология. Поэзия. «Наука». Москва. 1986. С.234-244

• Качалов Н. Стекло. Издательство АН СССР. Москва. 1959.

• Шульц М. М., Мазурин О. В., Порай-Кошиц Е. А. Стекло: природа и строение. «Знание». Ленинград. 1985

• Шульц М. М. О природе стекла. «Природа» № 9. 1986

• Рагин В. Ч., Хиггинс М. К,. Искусство витража. От истоков к современности. «Белый город». Москва. 2003 ISBN 5-7793-0796-9

• Рожанковский В. Ф. Стекло и художник. «Наука». Москва. 1971