Стекла являются неорганическими аморфными термопластичными материалами (микроконгломератами), обладающими рядом специфических свойств. По своему строению и составу они представляют собой системы типа истинного затвердевшего раствора из химических соединений кислотных и основных оксидов. Имеется условное деление оксидов, входящих в стекло, на стеклообразователи и модификаторы. Оксиды SiO2, В2О3, Р2О5 относятся к стеклообразующим, поскольку каждый из них в чистом виде может самостоятельно образовать стекло; например, при 100%-ном содержании SiO2 можно получить кварцевое стекло, которое обладает наиболее высокой температурой размягчения (1250°С). Так называется температура, при которой абсолютная вязкость стекла составляет 107—108 Па•с. Введением оксидов-модификаторов (Na2O, K2О, CaO, BaO, MgO, PbO, Al2O3, Fe2О3, Sb2O3, ZnO и др.) существенно снижают температуру размягчения стекла и придают стеклу необходимые свойства.
Если главную стеклообразующую часть стекол составляет SiO2, тогда стекла называют силикатными. В зависимости от вида и содержания добавочных оксидов стекла называют алюмосшшкатными, бороалюмосшшкатными, алюмофосфатными и т. п. В строительстве в основном применяют силикатные стекла. Подбором химического состава стекла предопределяют смесь оксидов, называемую шихтой.
Для получения силикатного стекла шихту приготовляют из различных сырьевых материалов, содержащих необходимые оксиды: кварцевый песок, сода или сульфат натрия, поташ, известняк и мел, доломит, пегматит, каолин, полевой шпат и др. В малых количествах в составы вводят стеклянный бой, красители (оксиды меди, хрома, кобальта, марганца и др.), осветлители (триоксид мышьяка, селитру и др.), глушители и др. В последнее время используют отходы: доменные шлаки, кварцсодержащие материалы, тетраборат кальция и другие. Перемешивание измельченных компонентов в строго отдозированных количествах (согласно расчетам) производят в смесителях барабанного или тарельчатого типа. Готовую шихту загружают в ванную печь—бассейн, сложенный из огнеупорных брусьев, или в горшковую печь. Бассейны больших ванных печей вмещают до 2500 т стекломассы — пластичного расплава шихты, образующегося при температуре свыше 1000°С.
При нагревании шихты до температуры 1100—1150°С происходят химические процессы силикатообразования, а при дальнейшем повышении температуры — стеклообразования. Шихта превращается в однородную (гомогенную) стекломассу, но со значительным содержанием в ней газовых включений (H2O, СО2 и др.). Осветление и дальнейшая гомогенизация стекломассы осуществляются при температуре 1500—1600°С, вязкость ее при этом уменьшается (до 10 Па•с), что облегчает удаление газовой фазы. Последний этап варки стекла — охлаждение (студка) стекломассы. Чем медленнее происходит охлаждение стекломассы, тем больше вероятность перехода ее в кристаллическое состояние; чем выше скорость охлаждения, тем более высокой температуре соответствует «замороженное» состояние структуры.
Практически формовка стекла, отобранного из печи, может производиться при вязкости его не менее 100 и не более 105 Па•с. К концу формовки вязкость может быть до 108 Па•с. У различных стекол зависимость вязкости г| от температуры различна (рис. 18.1). Очевидно, что стекло легче обрабатывать, если стекломасса длинная, когда высокая вязкость обеспечивается при сравнительно медленном охлаждении. Например, стекла щелочные не только легкоплавкие, но и длинные. Введение CaO, MgO, Al2O3 переводит щелочные стекла в более короткие. Готовые стеклянные изделия часто подвергают отжигу, т. е. нагреву до достаточно высокой температуры (температуры отжига) с последующим медленным охлаждением. Отжигом снимают внутренние температурные напряжения в отформованных изделиях, что предотвращает их трещинообразование. При необходимости стекло можно снова нагреть и расплавить, при этом оно приобретает первоначальные свойства стекломассы, и переформовать в новые изделия.
Химия 32. Химический состав зуба — Академия занимательных наук
