Стекло - что такое и как производится? Свойства стекла. Стекло: основные свойства и характеристики

Каждый из нас не раз встречал стекло. Что такое этот хрупкий и прозрачный материал, знает любой школьник. Мы каждый день видим его в зеркалах, окнах, в посуде и элементах мебели, но хорошо ли мы знакомы с ним? Как оно производится, что собой представляет и каковы свойства стекла?

Что значит это слово

Существует немало справочных материалов, которые могут помочь в этом вопросе. Каково же значение слова "стекло" по одному из наиболее популярных источников? Словарь Ожегова характеризует это вещество как твердый материал, получаемый из кварцевого песка, смешанного с окислами некоторых металлов. Даже определение дает некоторое представление о способе производства данного материала. Но к этой теме мы перейдем позже.

Наверняка все привыкли, что стекло - это прозрачный материал. Но обратите внимание - словарь Ожегова не дает такого уточнения. Стекло может быть не только прозрачным, но также цветным или матовым. А вот состав материала при этом отличается несущественно.

Из чего делают стекло

Стандартный состав стекла представляет собой смесь чистого извести и соды. Для изменения свойств материала могут использоваться различные добавки. Но все-таки основным составляющим компонентом является именно чистый речной песок. Его количество составляет примерно 75% от всей смеси. Сода позволяет снизить песка почти в 2 раза. Известь защищает стекло от воздействия большинства химических веществ, а также добавляет прочности и блеска.

Дополнительные примеси:

• Марганец. Его добавляют в стекло для получения специфического зеленого оттенка. Для получения других цветов может использоваться никель или хром.
• Свинец придает стеклу дополнительный блеск и характерный звон. Материал получается более холодным на ощупь. Стекло с примесью свинца называется хрусталь.
• Оксид борной кислоты тоже придает материалу дополнительный блеск и прозрачность, при этом понижая коэффициент теплового расширения изделий.

История производства стекла

Еще 6000 лет назад люди умели создавать этот красивый и хрупкий материал. Конечно, его внешний вид несколько отличался от современного стекла, поскольку в Древнем Египте и Месопотамии не было оборудования для качественной очистки песка и других инструментов. Тем не менее производство стекла началось именно там. Благодаря устойчивости к воздействиям окружающей среды этот материал дал историкам представление о культуре и технических возможностях древнейших народов.

В России первый завод по производству стекла появился в 1636 году. Он был расположен недалеко от Москвы. Там создавались посуда и Большое развитие эта отрасль промышленности получила при Петре I.

Только в 1859 году изобретение насоса высокого давления позволило создавать стекло без участия стеклодувов. Это значительно упростило производство. А в начале 19 века было обнаружено интересное свойство материала - если готовое изделие разогреть до определенной температуры, механические свойства стекла повысятся на 400%.

Современное производство

Технологии шагнули далеко вперед, что позволило создавать любые материалы в огромных количествах и с наименьшими затратами человеческих сил. В настоящее время существует немало заводов, на которых по стандартной налаженной технологии создается стекло. Что такое современный материал, получаемый из расплавленного кварцитового песка, узнаем, ознакомившись с технологией. Как пример возьмем листовой материал.

Производство стекла по этапам:

1. Все необходимые ингредиенты загружают в печь и разогревают, пока не образуется жидкая однородная масса.
2. В специальном гомогенизаторе этот сплав перемешивают до однородного состояния.
3. Полученную массу выливают в плоскую емкость, на дне которой находится расплавленное олово. Там стекло распределяется, образуя равномерный тонкий слой.
4. Остывший и затвердевший материал отправляется на конвейер. Там проводится контроль толщины стекла и нарезка. Материал, не прошедший проверку, а также бракованные детали отправляются на переплавку.
5. Производится последняя проверка качества, после чего стекло поступает на склад готовой продукции.

Виды стекла

В настоящее время этот материал является одним из наиболее распространенных. Неудивительно, что существуют различные типы стекла, отличающиеся как по внешнему виду, так и по физическим свойствам. Вот некоторые из них:

1. Хрустальное стекло. Это материал, содержащий в своем составе свинец. О нем мы говорили выше.
2. Содержит в составе чистейший песок, благодаря чему отличается высокой прочностью. Способно выдерживать скачки температуры, поэтому используется для создания оптических приборов, лабораторной посуды и окон.
3. Пеностекло. Легкий строительный материал, который может быть использован как для отделки, так и для кладки стен и полов. Содержит в составе большое количество пустот, благодаря чему имеет высокие тепло- и звукоизоляционные свойства.
4. Стекловата. Объемный воздушный материал, состоящий из тонких и очень прочных нитей. Огнестойка, поэтому используется не только в строительстве, но и при пошиве одежды пожарных и сварщиков.

Применение стекла

В зависимости от свойств и внешнего вида этому материалу можно найти почти любое применение. Основной потребитель изготавливаемого в наше время стекла - строительная отрасль. В ней используется более половины изготовляемого материала. Его назначение может быть самым разнообразным - облицовка стен, остекление окон, возведение стен из пустотелых кирпичей, теплоизоляция и т.д. К строительной области можно отнести и Что такое готическое окно, знают наверняка все. Как правило, оно выложено из большого количества цветных стеклышек. В наше время витражи не потеряли своей актуальности и используются как в строительстве, так и в производстве мебели.

На втором месте по популярности идут стеклянные сосуды различного назначения. Немного меньше производится посуды. Стоит отметить, что в химической отрасли стекло является незаменимым материалом, поскольку оно устойчиво к большинству реагентов.

Физические свойства

Как и любой другой материал, стекло обладает рядом качеств, которые необходимо знать, прежде чем использовать его в той или иной области.

1. Плотность. Может варьироваться в зависимости от состава смеси и способа изготовления. Значение плотности стекла может колебаться от 220 до 650 кг/м 3 .
2. Хрупкость. Эта характеристика является отличительной особенностью стекла и ограничивает его применение в строительной области. В настоящее время учеными создаются более сложные сплавы, максимально увеличивающие прочность материала.
3. Термостойкость. Обычное стекло выдерживает температуру до 90 о С. После обработки термические свойства материала значительно повышаются. Например, промышленное стекло способно выдерживать температуру более 200 о С.

Мы узнали многое про стекло - что такое, как производится и какими свойствами обладает. Самое время немного отвлечься и ознакомиться с наиболее интересными фактами об этом весьма распространенном материале. Мало кто знает, что:

• Скорость движения трещины по составляет 4828 км/ч.
• Время разложения этого материала составляет примерно миллион лет.
• Стекло можно неоднократно переплавлять практически без потери качества. В этом отношении у него почти нет аналогов.
• Являясь аморфным материалом, расплавленное стекло не затвердеет при быстром охлаждении. Для этого нужны специальные условия.

Стекло не зря так активно используется в строительстве и других областях жизни человека. Наверняка оно еще долго будет оставаться одним из наиболее популярных материалов. В пользу этого утверждения говорят прочность, долговечность и относительная простота изготовления стекла, связанная с тем, что компоненты для его создания присутствуют на Земле в большом количестве.

Стекло является самым древним и самым универсальным материалом, который используется в разных сферах деятельности человека. Изготавливать стекло начали еще в Древнем Египте, где стекло применялось для внутренней облицовки пирамид. Чуть позже стекло начали широко использовать в отделке множества дворцов. Самыми важными характеристиками стекла оставалась твердость, прочность, теплопроводность и высока термостойкость, причем эти характеристики могут влиять на качество данного материала.

По аналогии до стекло имеет свои уникальные качества. Если это технические стекла, то их плотность зависит от химического состава и колеблется в пределах от 220 и до 6300 кг/м3. Если это стекла, которые применяют в изготовлении декоративных изделий и сортовой посуды, то их плотность обычно 2490-2520 кг/м3. Для изготовления свинцовых хрусталей плотность стекла составляет 2400-3200, а для бариевых хрусталей плотность составляет 2700-2900 кг/м3.

Стоит знать, что плотность стекла уменьшается при повышении температуры. Поэтому плотность стекла отожженного больше, нежели закаленного. А связано это с тем, что все закаленные стекла имеют рыхлую структуру, ведь при закалке замораживается высокотемпературная структура в стекле. А вот во время отжига эта структура уплотняется. Готовая плотность плохо и хорошо отожженных стекол различается и составляет 20-30 кг/м3.

Еще плотность стекла может изменяться в зависимости от его химического состава. Например, существенно повышают стекла оксиды железных металлов ZnO , PbO , ВаО , а в меньшей степени MgO и СаО . Такая зависимость используется в контроле химического состава стекол и особенно во время механизированного производства стеклянных изделий.

Стекло является неорганическим материалом, который изготавливают на производстве, а также оно существует в природе – это минералы. Относительно структуры стекла , то оно является аморфным твердым телом, которое имеет массу модификаций. Именно поэтому существует большое видов этого материала.

Причем каждый вид стекла имеет свой уникальный состав, свои химические и физические свойства. На сегодня, независимо от вида стекла, его производство достигло таких масштабов, что свойства стекла улучшаются каждый день. Например, данный материал имеет такой состав, что получил высокую стойкость к агрессивным веществам, биоактивность , прозрачность, отражающую способность, прочность, жаростойкость, электропроводность и другие.
Химический состав стекла

Изготавливают стекло из стеклообразующих веществ, к которым относятся такие фториды и оксиды, как B2O3, P2O5, AlF3, GeO2, SiO2, TeO2. В итоге, учитывая основной используемый компонент, выделяют разные виды стекол. Например, бывают фторидные и оксидные стекла, это силикатное, кварцевое, германатное и фосфатное стекло.

Если это обычное силикатное стекло, то его изготавливают методом плавления компонента из соды, кварцевого песка и извести. Что касается кварцевого стекла, то оно в своем составе имеет формулу SiO2 и изготавливается оно с помощью метода плавления кремнеземистых веществ, это кварцита и горного хрусталя. Помимо этого, оно еще может состоять из кластофульгуритов , то есть оно имеет природное происхождение. Изготавливают его путем попадания молнии прямо в залежи кварцевого песка.

Физические свойства

Плотность стекла зависит от его вида, например, минимальную плотность имеет кварцевое стекло, что составляет 2200 кг/м3. Если в состав стекла входят оксид свинца, висмута, тантала, то его плотность составляет приблизительно 7500 кг/м3, а обычное оконное, то есть силикатное стекло имеет плотность 2500-2600 кг/м3. Вторым важным показателем является теплопроводность стекла, которая варьирует от 0,711 и до 13,39 Вт/м*К.

Удельный вес стекла является параметром изменным , который зависит от плотности стекла. Но его высчитают по специальной формуле, в которую включают толщину и массу изделия. Например, стекло с толщиной 1 мм имеет 2,5 кг и площадь 1 м2. Еще одним показателем является хрупкость стекла, которая определяет возможное разрушение этого материала от разного физического воздействия.

Такое свойство отражается ударной вязкостью, которая может увеличиться после добавления брома в процессе изготовления стекла. Например, ударная вязкость силикатного стекла составляет 1,5-2 кН/м, а его прочность может варьировать от 500 и до 2000 МПа. Что касается твердости стекла, то она измеряется по шкале Мооса и составляет 6-7 Ед. А зависит твердость стекла от добавления различных примесей. И если в его состав внесли щелочные оксиды, то твердость материала становится меньшей, в итоге получается свинцовое мягкое стекло, а самым твердым считается кварцевое стекло.

Востребованность и популярность стекла

Самую важную роль в производстве стекла играет его закалка, то есть обработка, которая делает стекло наиболее безопасным и особенно во время его разбивания. В итоге осколки не могут ранить человека, поэтому такой материал охотно используют в производстве перегородок, мебели и дверей. Кроме этого существует и другой способ обработки стекла – это изгиб стекла, то есть получается гнутое стекло. Такой материал является очень капризным, поэтому его редко используют. Готовое стекло и даже закаленное образцы довольно легко поддаются поверхностной обработке.

Наиболее распространенным видом обработки стекол является пескоструйная обработка. То есть ударная волна песка направлена так, что выбивает в стекле следы, которые задумал дизайнер. В итоге матирующий эффект и причудливые узоры придают материалу индивидуальность и неотразимость. Еще в производстве стекла используется окраска и такая обработка материала встречается для приготовления столешниц и при отделке стен. Огромное множество способов дает возможность изготавливать каждый день различные предметы обихода, и просто прекрасные шедевры искусства.

С каждым годом разновидности стекол только увеличиваются, и это позволяет использовать его во многих сферах деятельности человека. Единственно, что нельзя забывать – это осторожно обращаться с этим прочным, красивым и восхитительным материалом, который все же остается хрупким материалом.

Трудно представить более универсальный материл чем стекло. Его научились производить много столетий назад и по сей день стекло остается востребованным материалом в разных сферах и отраслях деятельности человека. Его популярность обуславливается значительным списком свойств и качеств. В этой статье мы поговорим об этих свойствах, а также ответим на вопрос: «В каких сферах и областях применяют стекло?».

Свойства стекла

С развитием современных технологий стало возможным придавать стеклу дополнительных свойств за счет изменения химического состава. Помимо тех свойств, которые имело стекло изначально (твердость, вязкость, хрупкость, химическую нейтральность, прозрачность), ему стали присущи и другие модифицированные качества (стойкость к высоким температурам, прочность, способность проводить электрический ток). Это позволило использовать разные виды стекла в самых различных сферах.

Виды стекла

В состав стекла входит кварцевый песок, известняк, доломит, но для улучшения его свойств добавляют и другие вещества (оксид алюминия и бора). Так получают различные виды стекла - строительное, тарное, техническое, сортовое. В строительстве используют листовое стекло, которое бывает узорчатым, закаленным, термостойким, ударопрочным, армированным.

Различные применения стекла

Стекло на протяжении многих столетий производилось специально обученными мастерами, которые передавали свое ремесло от отца к сыну. Но со временем процесс механизировали и это позволило выпускать стеклянные изделия массово.

На данный момент стекло широко применяют в строительной сфере, в оптической промышленности, медицине, машиностроении, приборостроении, интерьере, современной архитектуре, электротехнике и в быту.

Стекло активно применяется для производства стеклянной тары - банок и бутылок для пищевой промышленности, флаконы для парфюмерной, сосуды для химической, емкости и ампулы для фармацевтической. Стеклотару можно повторно использовать в быту, но её основным минусом является хрупкость.

Стекло проявило себя и в интерьере. Отличным решением для изменения интерьера дома или квартиры может стать создание стеклянных дверей, перегородок и мебели. Различная обработка, современные технологии и добавление в состав стекла красителей позволяет создать изделие различной структуры, форм и цветов.

Стеклоэмали - это разноцветные слои из стекла, которые применяются как защитные покрытия для химической аппаратуры, посуды, сантехники и даже ювелирных изделий.

Также с помощью стекла стало возможным создание сверхтонких оптических приборов различного назначения. К таки приборам относят микроскопы, фотоаппаратуру, телескопы и, конечно же, очки.

Применение стекла в строительстве

В последнее время все больше стекла идет на производство листов для остекления. Такие листы используются для отделки фасадов разных зданий. Для этой цели применяют различные виды стекла и типы фасадного остекления. Архитекторы отдают предпочтение тонированному, прозрачному и полупрозрачному стеклу. Они обладают повышенной механической прочностью и поэтому такое стекло практически нельзя разбить.

На этом сферы и области применения стекла не заканчиваются. Стекловолокно - это уникальный строительный материал. Полученное при переработке стекла, стекловолокно является ударопрочным, огнестойким, экологичным, оно не гниет и не деформируется, а также обладает высокими теплоизоляционными и звукопоглощающими характеристиками. Из стекловолокна производят стеклоткани, стеклянную вату, армированное и пластиковое стекловолокно, стеклофибру, стеклообои, стекловолоконные сетки. Эти материалы применяют в строительстве в качестве утеплителей и связующих элементов.

Стекло - один из прекраснейших материалов, изобретенных еще 3000 лет до нашей эры. Несмотря на «солидный возраст», оно до сих пор честно служит людям, с каждым годом, открывающим в нем новые качества. Стекло - это красивые дома и сверхпрочные материалы, художественные изделия и ткани. Это один из материалов, которым никогда не перестанут любоваться люди. Оно незаменимо в быту и лабораторной практике. О стекле написано сотни книг, проведены и проводятся научные исследования, но до сих пор нет точного определения термина «стекло».

Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, и обладающие механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

В стекловидном состоянии могут находиться вещества, как естественного происхождения, так и полученные искусственно. К естественным стеклам относятся: вулканическая магма, пемза, смолы. Искусственные неорганические стекла - переохлажденные расплавы, в состав которых входят окиси кремния, бора, фосфора, щелочных и щелочноземельных металлов.

Исходными материалами для получения искусственной стекольной массы являются кварцевый песок, кальцинированная сода, поташ, сульфат натрия, мел и известняк, карбонат магния, доломит, карбонат бария, натриевая и калиевая селитры. В некоторые сорта стекол вводят окись алюминия, окись свинца и окислы других металлов.

Основным компонентом стекла является двуокись кремния - кремнезем, температура плавления которого равна 1728°С. Содержание окиси кремния в стекле составляет 50-85%, а в кварцевом стекле 98,8-99,9%. Содержание других компонентов, входящих в состав стекол, приведено в таблицах 1 и 2.

Цветные стекла получают, вводя в шихту окислы или другие соединения разных элементов, например для окраски стекла в синий цвет вводят соединения кобальта, в зеленый - окись хрома, в фиолетовый - соединения марганца, в рубиновый-закись меди или металлическое золото.

Варят стекло в специальных печах при высоких температурах. Во время варки стекла происходят сложные химические и физические процессы, в результате которых шихта, претерпевая ряд изменений, превращается в осветленную и однородную стекломассу.

Процесс стеклообразования начинается при достижении 1200- 1240°С. В заводских условиях стекло варят при 1400-1450°С; осветление стекломассы происходит при 1500 °С. Особые сорта стекла варят при еще более высокой температуре.

2. Физические свойства

Физические свойства стекла зависят от его химического состава, условий варки и последующей обработки. Стекло не имеет определенной точки плавления. Оно переходит в жидкое состояние постепенно, становясь мягче при повышении температуры.

Часто применяют термин «температура размягчения» стекла. По-видимому, эта температура лежит выше температуры отжига стекла, но сама по себе эта величина довольно неопределенна.

Важнейшими свойствами стекла, определяющими условия его варки и дальнейшей обработки, являются вязкость и поверхностное натяжение.

Вязкость. Свойство жидкостей оказывать сопротивление их течению-перемещению одного слоя относительно другого - под действием внешних сил называют вязкостью и обозначают г). Таким образом, вязкость характеризует внутреннее трение, поэтому это свойство часто называют внутренним трением. Вязкость - понятие, обратное текучести. Количественно эту величину выражают силой, действующей на единицу площади соприкосновения двух слоев, которая достаточна для поддержания определенной скорости перемещения одного слоя относительно другого. В системе измерения СГС вязкость измеряется в пуазах; пуазы принято обозначать П: 1 пуаз = 1 дина-секунда/сантиметр = 100 сантипуаз = 10 е микропуаз или 1П= 1 дн-с/см = = I г/ = 10 2 сП = 10 6 мкП. В единицах измерения СИ вязкость выражается в паскаль-секунда: 1П = 0,1 Па-с.

Вячкость стекла в обычных условиях равна Ю 13 -10 ls П При нагревании вязкость стекла уменьшается, оно делается более мягким и тягучим, так что его можно формовать, подвергать тепловой обработке.

Обрабатывать на пламени стеклодувных горелок можно только размягченное стекло, вязкость которого лежит в интервале от 10 3 до 10* П. Механическое формование стекла производят при температуре 800-1100 °С и вязкости 10 4 -4 -10 3 П.

При остывании стекло вновь твердеет. Температура, при которой вязкость стекла достигает 10 13 П, называется температурой стеклования.

Кривая изменения вязкости с уменьшением температуры должна быть относительно пологой, т. е. вязкость не должна изменяться слишком резко. В зависимости от вида кривой «вязкость - температура» стекла делят на «длинные» и «короткие». К «длинным» стеклам относятся сравнительно легкоплавкие стекла - свинцовые, № 23, молибденовые и др.; к «коротким» - стекла типа «пирекс». Самым «коротким» стеклом является кварцевое.

При быстром изменении температуры в стекле возникают неравномерные внутренние напряжения. Такое стекло очень непрочно и легко растрескивается. Напряжения в стекле снимают путем отжига. Для этого изделия помещают в печь в зону с температурой на 20-30 С ниже температуры стеклования, выдерживают при этой температуре некоторое время, а затем медленно охлаждают. Естественно, чем меньше вязкость стекла, тем меньше нужно его нагревать, чтобы снять внутренние напряжения.

Поверхностное натяжение. Поверхность любой жидкости, а следовательно и расплавленной стекломассы, всегда стремится сократиться за счет сил, которые называют силами поверхностного натяжения. Чтобы увеличить поверхность, требуется затратить работу. Размер этой работы, отнесенный к единице поверхности, называют поверхностным натяжением и обозначают о. В системе единиц СГС эту величину измеряют в динах на сантиметр, в СИ - в ньютонах на метр; 1 дин/см = = 1 ■ Ю- 3 Н/м. Поверхностное натяжение стекла равно 220- -380 дин/см и зависит от его химического состава. При введении в состав стекла окисей алюминия и магния его поверхностное натяжение увеличивается, а при введении окисей калия, натрия, бария и фосфора - снижается. Поверхностное натяжение уменьшается при повышении температуры.

Чем больше поверхностное натяжение стекла, тем труднее его обрабатывать и тем сильнее приходится нагревать его стеклодуву при обработке.

3. Механические свойства

Плотность. Плотность определяется отношением массы тела к его объему. В системе единиц СГС ее измеряют в граммах па кубический сантиметр, в СИ - в килограммах на кубический метр: 1 г/см 3 = 1-Ю 3 кг/м 3 . Плотность стекла з, при котором тела теряют способность быть упругими.

Потеря упругости у разных материалов проявляется по-разному: одни после снятия усилия остаются деформированными; другие при достижении предела упругости разрушаются. Первые материалы называются пластичными, вторые - хрупкими. Стекла относятся ко второй группе материалов.

Хрупкость. Хрупкость - состояние материла, в котором под действием внешних сил материал совсем не проявляет остаточной деформации и разрушается. Большая хрупкость стекла весьма ограничивает его применение. Хрупкость увеличивается, если стекло неоднородно по составу или толщине, если в нем имеются вкрапления инородных тел, пузырьков воздуха, если поверхность его поцарапана.

Материал можно вывести из хрупкого состояния, изменив внешние условия. Например, хрупкое при обычных условиях стекло становится пластичным при нагревании. Другие материалы будучи пластичными при обычных условиях, становятся хрупкими при понижении температуры. Так, резина при охлаждении становится хрупкой и легко разбивается. Таким образом, одни и те же материалы при разных условиях могут находиться или в хрупком, или в пластичном состоянии. Этим пользуются при формовке и обработке стекла, при изготовлении из него разных деталей и приборов. Различные сорта стекла при этом требуется нагреть до разной температуры.