Классификация и виды стекол

Стекло – прозрачный (бесцветный или окрашенный), хрупкий, амфорный изотропный, прозрачный материал, получаемый при охлаждении минеральных расплавов, содержащих стеклообразующие компоненты (оксиды кремния, бора, алюминия и др.) и оксиды металлов (лития, калия, магния, свинца и т.д.), сульфат натрия и известняк.

В отличии от кристаллических тел, плавящихся при нагревании, стекло при повышении температуры постепенно размягчается вплоть до образования расплава; при этом постепенно изменяются свойства стекла. Переход стекла из жидкого состояния в твердое – обратимый процесс. Затвердевшее стекло, будучи переохлажденной системой, находится в состоянии неустойчивого равновесия и при определенных температурных условиях может закристаллизоваться. Это свойство стекла используется при получении стеклокристаллических тел.

Изготовление стекла возникло в Древнем Египте за 3-4 тыс. лет до н.э., а затем проникло в Италию. Мастера Древнего Рима первыми овладели методом выдувания. На Руси стеклоизделие появилось в XI в. Первый стеклозавод в России был построен в 1635 г. около г. Воскресенска.

Основоположником научного стеклоделия в России является М.В. Ломоносов: он организовал производство разноцветных стекол и художественных изделий из них (1752). Большой вклад в развитие науки о стекле внесли А.А. Лебедев, М.В. Гребенщиков, М.И.Китайгородский, О.К. Ботвинкин и др. До XX вв. стекольной промышленности преобладал ручной труд и лишь в XX в. началась машинная обработка стекла.

Материалами, склонными к переохлаждению и переходу в стеклообразное состояние являются главным образом силикаты, бораты, фосфаты. Наибольшее распространение получили силикатные стекла, представляющие собой неопределенное химическое соединение кремнезема с др. окислами.

Основными сырьевыми материалами для производства стекла являются чистые кварцевые пески, известняк, доломиты, кальцинированная сода, поташ. Основной компонент – чистый белый песок, который составляет 60…70%. Сода или сульфат натрия, поташ снижают температуру варки стекла и ускоряют процесс стеклообразования. Введение известняка и доломита делает стекло нерастворимым в воде, способствует осветлению, повышению химической стойкости и механической прочности.

Для придания стеклу специальных свойств и различных цветов в процессе изготовления вводят вспомогательные сырьевые материалы: оксид бора улучшает блеск стекла и повышает термостойкость; оксид алюминия повышает прочность и химическую стойкость; оксид свинца повышает показатель светопреломления, (его применяют в производстве декоративных изделий из стекла). Соединения марганца придают стеклу фиолетовую окраску, оксид кобальта – синюю, хрома – желтую и коричневую.

Производство стекла складывается из подготовки сырьевых материалов, смешивания этих материалов и приготовления однородной шихты, варки, формования и отжига стекла; в некоторых случаях требуется химическая, механическая и термическая обработка отформованных изделий. Характерной особенностью технологии стекла является стандартность методов подготовки сырья, составления шихты и варки стекла для различных производств.

К сырьевым материалам для стекольной шихты предъявляются высокие требования в отношении их чистоты. Так в кварцевом песке допускаются не свыше 0,03-0,05% окислов железа, а для производства оптического стекла не свыше 0,002%.

Сырьевые материалы подвергаются сушке и измельчению (кварцевый песок только сушат). Все материалы просеиваются в бункеры в виде порошков строго определенного гранулометрического состава.

Стекольная шихта должна быть однородной; однородность шихты не должна быть нарушена в процессе ее транспортировки в стекловаренную печь, т.к. от этого зависит получение хорошо проварившейся однородной стекломассы.

Варка стекла производится в ванных и горшковых печах; она может быть разделена на собственно варку, осветление – гомогенизацию и охлаждение (студку) стекла. Соответственно варка стекла складывается из:

1. Силикатообразования (протекают в твёрдой фазе).
2. Стеклообразования (начинается при температуре 1200-1240оС.

Варка стекла в заводских условиях производится при 1400-1450о, осветление и гомогенизация при 1500о, студка при 1200о. Проварившаяся стекломасса, как правило, содержит большое число видимых газовых включений (пузырьков), удаление которых происходит при максимальной температуре и минимальной вязкости стекла.

Формование стекла производится прессованием, выдуванием, прессовыдуванием, вытягиванием прокаткой. Отформованной одним из этих способов изделие подвергается особой термической обработке – отжигу, цель которого снятие неравномерных опасных напряжений, возникших в изделии в результате резкого охлаждения. Для этого изделие помещают в печь отжига в зону с температурой примерно на 20-30оС ниже температуры стеклования, выдерживают при этой температуре, а затем постепенно, медленно охлаждают.

В результате закалки, достигаемой резким, но равномерным охлаждением стекла, нагретого до температуры, близкой к температуре размягчения, в стекле возникают равномерно распределенные напряжения, значительно повышающие механическую прочность стекла.

Формование изделий из стекла почти полностью механизировано. Ручное формование применяется только при изготовлении изделий сложной конфигурации и некоторых бытовых и художественных изделий в зависимости от химического состава применяемой стекломассы.

Формование стеклоизделий производят в интервале температур 800-1100оС на ручных, полуавтоматических и автоматических прессах (этим методом изготовляют стеклянную тару, бытовые стеклянные изделия, строительно-архитектурные детали, стеклянные блоки, линзы, водомерные стекла и др.).

Выдуванием (ручным, машинным) изготовляют бытовые, художественные, химико-лабораторные и др. стекла.

Машинным выдуванием производятся бутылки, парфюмерная и аптечная посуда, тонкостенные стаканы, электроколбы.

Производство стекла включает следующие технологические операции:

• подготовку сырьевых материалов;
• приготовление шихты;
• варку стекла;
• формование изделий;
• термическую, механическую или химическую обработку.

Сырьевые материалы сушат, измельчают. После перемешивания измельченных компонентов в смесителях барабанного типа получают шихту. Готовую шихту варят в стекловаренных печах при 1400…1500⁰С. Компоненты шихты при нагревании вступают в химическое взаимодействие.

Продукты реакции переходят в расплав, образуя стекломассу. Формование стеклоизделий связано с особенностями изменения вязкости стекломассы в зависимости от температуры. По мере охлаждения стекломасса становится пластичной, что позволяет придать ей заданную форму.

Формование осуществляется различными способами; вытягиванием прокаткой, литьем, выдуванием, прессованием, на расплаве металла. В настоящее время освоен новый высокопроизводительный и экономичный способ производства полированного стекла – флоат способ (способ плавающей ленты).

Особенность способа заключается в формовании стеклянной ленты на поверхности расплавленного олова. Поверхность ленты получается гладкой и ее качество не уступает стеклу, получаемому механической шлифовкой и полировкой. Себестоимость флоатированного стекла значительно ниже, чем стекла полированного механическим способом, поэтому конвейеры шлифовки и полировки листового стекла постепенно вытесняются установками термической полировки.

Эффективность стекла как строительного материала обусловливается благоприятным сочетанием свойств прозрачности, прочности, малой теплопроводности и долговечности. Плотность стекол изменяется в пределах 2,2…2,6 г/см³, плотность строительных стекол составляет 2,5 г/см³.

Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью). Обычные силикатные стекла пропускают всю видимую часть спектра (не менее 84%) и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Стекло характеризуется высокой прочностью при сжатии (600…1200 МПа) и сравнительно малой прочностью при растяжении (30…90 МПа).

Стекло – хрупкий материал, плохо сопротивляющийся удару. Закаленное стекло сопротивляется удару в 5…6 раз лучше, чем отожженное. Силикатное стекло химически стойкое к кислотам, за исключением плавиковой и фосфорной. Теплопроводность различных видов стекла колеблется в пределах 0,5…1 Вт/(м-К). При нагревании стекло размягчается и при температуре около 1000°С плавится. Твердость стекла равна 5…7 по шкале твердости. Звукоизолирующая способность стекла относительно высока. Стекло поддается механической обработке; его можно пилить циркулярными пилами, резать алмазом, шлифовать и полировать.

Для придания стеклу различных свойств и цвета в состав вводят различные добавки. Оксиды кальция, магния, цинка увеличивают химическую устойчивость и термостойкость изделий. Оксиды бария, свинца и цинка повышают плотность, оптические свойства и поэтому применяются в производстве хрусталя. В производстве стекла широко используют горные щелочесодержащие породы, отходы горнообогатительных комбинатов, цветной металлургии, доменные шлаки, в больших количествах – стекольный бой.

Применение стекла: в строительстве – для остекления световых проемов в стенах, фонарей, отделки стен, колонн, устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок; в производстве мебели – для остекления дверок различных по назначению шкафов, а также как конструкционный материал, например, для устройства полок.

По назначению стекло делится на:

• техническое;
• строительное;
• бытовое.

Строительное стекло делится на:

• конструкционное;
• отделочное;
• звукоизоляционное;
• теплоизоляционное.

По качеству поверхности стекло бывает:

• полированное;
• неполированное;
• цветное;
• бесцветное.

По способу упрочнения:

• обычное;
• отожженное;
• закаленное;
• упрочненное химическим или другим способом.

По профилю выпускают стекло:

• плоское;
• волнистое;
• гнутое;
• профильное.

По составу стекла различают посуду из:

• натрий-кальций-силикатного стекла;
• специального бытового стекла;
• хрустального стекла.

Столовую посуду изготовляют из:

• • натрий-кальций-силикатного стекла;
• • хрусталя различных видов;
• • глушеного боросиликатного стекла.

Хозяйственную посуду из:

• натрий-кальций-силикатного стекла с добавками, повышающими химическую и термическую устойчивость.

Кухонную из:

• специального бытового стекла;
• ситаллов.

По окраске различают посуду из стекла:

• бесцветного;
• цветного (окрашенного в массе);
• накладного (двух- и многослойного).

Названия цветным стеклам дают по:

• цветовому тону (желтые, зеленые, розовые и т.д.);
• по природе красителя (кобальтовые, марганцевые);
• по аналогии с драгоценными камнями: рубины (красные), топазы (желтовато-коричневые), сапфиры (светло-синие), смарагды (светло-зеленые).

Виды, размеры и область применения некоторых видов стекла приведены в таблице.

Таблица 6 – Виды, размеры и область применения стекла

 

Оконное стекло предназначено для остекления световых проёмов жилых, промышленных и общественных зданий. Оно выпускается 3-х марок: полированное, неполированное улучшенное, неполированное (толщиной 2; 2,5; 3; 4,5; 6 мм).

Витринное стекло применяют для остекления витрин, витражей и окон общественных зданий. Выпускается 2-х марок: полированное М-7 и неполированное М-8.

Стекло листовое узорчатое применяют в помещениях с равномерным и мягким освещением – для декоративного остекления оконных и дверных проёмов, внутренних перегородок, крытых веранд, ме- бели и т.д. Толщина 3,5-7 мм.

Теплопоглощающее стекло служит для поглощения инфракрасных лучей. Используется для остекления витрин, холодильных установок, складских помещений, то есть там, где необходимо поддерживать низкие температуры.

Стекло закаленное эмалированное (стемалит) – листовое, плоское стекло, покрытое с одной стороны глухой (непрозрачной) керамической краской и подвергнутое термообработке с целью упрочнения и закрепления краски. Декоративные качества стемалита – яркий невыгорающий цвет, высокое качество поверхности – сочетаются с высокой устойчивостью его к атмосферным воздействиям, большой прочностью и поверхностной твердостью.

Стемалит предназначается для наружной и внутренней отделки стен и перегородок зданий и сооружений и для изготовления многослойных навесных панелей. Он изготавливается различных цветов толщиной 5-12 мм, шириной – 900-1100 мм и длиной – 400-1500 мм. При разрушении распадается на мелкие осколки с тупыми нережущими краями.

Стекломрамор – разновидность марблита, создающая имитацию мрамора. Применяется для декоративной облицовки полов, стен, оформления интерьеров.

Многослойное стекло (армированное и неоармированное) состоит из нескольких листов стекла, склеенных между собой прозрачной эластичной прокладкой. Наибольшее распространение имеет триплекс – трёхслойное плоское безопасное стекло на поливинил бутиральной плёнке, которое при разрушении не даёт осколков. Применяется для остекления транспорта, тракторов и др. сельскохозяйственных машин.

Армированное листовое бесцветное и цветное стекло изготавливается методом проката и применяется для остекления фонарей промышленных и общественных зданий, лестничных клеток, оконных и дверных проёмов, устройства перегородок. Армирование увеличивает прочность стекла при пожарах и разрушениях. Цветное армированное стекло применяют для ограждений балконов, лоджий, лифтовых шахт, устройства декоративных плафонов на предприятиях общественного питания и торговли.

Теплопоглощающее стекло применяют для остекления музеев, выставочных залов и транспорта для снижения солнечной и тепловой радиации. При изготовлении данного вида стекла в стекломассу вводят оксиды железа, кобальта или селена. Выпускают бронзового, серого или голубого оттенков.

Теплоотражающее стекло содержит на своей поверхности мельчайшие плёнки металлов или их оксидов, благодаря чему отражается большая часть инфракрасных лучей и стекло меньше нагревается. Пропускает 40-60% теплоты и повышает теплозащиту при холодной погоде.

Увиолевое стекло применяют для остекления в лечебных, детских учреждениях, оранжереях и т.д. Изготавливают из стекольной шихты с минимальным содержанием оксидов железа, титана и хрома. Пропускает 25-75% ультрафиолетовых лучей.

Марблит представляет собой плоское цветное глушенное стекло толщиной 5-25 мм в виде листов с полированной лицевой поверхностью и рифлёной с тыльной стороны. Применяется для облицовки внутренних и наружных стен лечебных помещений, общественных зданий, магазинов, мемориальных комплексов, витражей; могут заменять природные каменные материалы (гранит, габбро и др.).

Стеклянная черепица применяется для изготовления светопрозрачных фонарей в кровлях из керамической или бетонной черепицы. В России данный вид материала мало известен.

Облицовочная стеклянная плитка изготавливается из неокрашенного или цветного глушенного стекла; имеет размеры от 50х50 до 150х150 мм. Толщина 4-9 мм.

Плитки стеклянные облицовочные коврово-мозаичные применяют для наружной и внутренней облицовки зданий, изготовления декоративно-художественных панно. Отличаются долговечностью, гигиеничностью. Имеют широкое распространение.

Смальта – мелкие кусочки цветного стекла. Применяется для создания различных мозаичных картин или панно. Изготавливают литьём из стекломассы или прессованием из стеклянного порошка. Выпускают 200 цветов и оттенков.

Блоки стеклянные пустотелые, или стеклоблоки, изделия, получаемые сваркой двух прессованных полублоков. Выпускаются светорассеивающие, светонаправляющие, солнцезащитные, цветные. Обладают хорошим светопропусканием (не менее 50%), звуко- и теплоизолирующими свойствами, достаточной прочностью.

Стеклоблоки применяют для заполнения наружных световых проемов зданий, устройства перегородок, остекления лестничных клеток и т.п.

Размеры стеклоблоков: 294x194x98 мм; 244x244x75 мм; 244x244x98 мм; 194x194x98 мм. Масса – 4,3 и 2,8 кг.

Пеностекло изготавливают из размолотого стекла, смешанного с газообразователем (известняком, древесным углем). Выпускают в виде гранул и блоков. Легко подвергается механической обработке. Применяется для тепло- и звукоизоляции в строительных конструкциях, холодильниках, промышленном оборудовании.

Стекло органическое техническое представляет собой пластифицированный и непластифицированный полимер метилового эфира метакриловой кислоты и сополимер.

Выпускается несколько типов оргстекла:

1. Конструкционное.
2. Техническое.
3. Светотехническое.
4. Авиационное и др.

Применяется для изготовления безосколочного 3-слойного стекла для остекления самолетов, автомобилей, деталей приборов, линз, светофильтров и бытовых изделий.

Техническое оргстекло выпускают трех марок:

• ТОСП – стекло органическое техническое пластифицированное;
• ТОСН – техническое непластифицированное;
• ТОСС – техническое сополимерное.

Оргстекло может быть 1 и 2-го сортов.

Из светотехнических оргстекол применяются следующие марки:

• СБ – блочное;
• СБПТ – блочное с повышенной теплостойкостью;
• СБС – самозатухающее;
• СЭ – экструзионное;
• СЭП – экструзионное прозрачное;
• СЭВ – с высокомолекулярной добавкой.

В зависимости от степени рассеяния и коэффициента пропускания оргстекло выпускается шести групп – I-VI.

В зависимости от назначения – бесцветное прозрачное, окрашенное прозрачное и цветное непрозрачное в виде листов с размерами (0,8-30)х(400-1400)х(500-1600) мм. Все стекла выпускают с буквой «А» – для остекления и с буквой «К» – как конструкционный листовой материал.

Преимущества: обладают высокой прочностью, гибкостью и хорошим пропусканием света, поэтому применяются не только для остекления, но и в качестве большепролетных перекрытий арочного типа, при изготовлении защитных ограждений и конструкционных элементов внутренней и внешней отделки зданий.

Электропроводящее стекло применяется в строительстве для изготовления стеклопакетов путём напыления на поверхность стекла тонкой плёнки солей металлического серебра, в результате чего образуются электропроводящие прозрачные покрытия с целью обогрева стекла и предотвращения его запотевания.

Стекло устойчивое к радиоактивным излучениям обладает эквивалентно стали высокой защитной способностью от радиоактивных излучений. В своём составе имеет высокое содержание свинца и бора.

Зеркала – стеклянные изделия с полированной поверхностью, способные образовывать оптические изображения предметов, отражая световые лучи. Промышленность выпускает следующие виды зеркал:

• плоские, дающие безаберрационное (без искажений) изображение;
• вогнутые;
• выпуклые с поверхностями различных форм, обладающие всеми аберрациями (искажениями), кроме хроматических.

Стеклянные зеркала технического назначения изготавливают с отражающими пленками из серебра, золота, алюминия, палладия, платины, свинца и др. Широко распространены в технике вогнутые зеркала, которые используются в телескопах, прожекторах, установках зонной плавки и т.д.

Применение: как декоративный и конструкционный материал в производстве мебели, для оформления вестибюлей, холлов, костюмерных, гримерных, ателье мод, парикмахерских и других общественных зданий.

В зависимости от условий применения зеркала изготавливают двух типов:

1. Фасадные.
2. Декоративные.

Зеркала выпускают длиной 400-1500 мм, шириной 200-600 мм с кратностью 50 мм, толщиной 4-7 мм.

Стеклопакет – строительное изделие из двух или более листов стекла, герметично соединенных по периметру рамкой таким образом, что между стеклами образуется герметически замкнутая полость, заполненная осушенным воздухом. Это исключает запотевание стекол и образование в них конденсата.

Применение: для остекления световых проемов в жилых, общественных и промышленных зданиях. Стеклопакеты играют большую роль в создании архитектурно-художественного оформления здания и влияют на эстетику и комфорт помещений.

Стеклопакеты в зависимости от конструкции бывают следующих типов:

• СПК-1 – однокамерные (двухслойные) без обрамляющей рамки;
• СПКР-1 – однокамерные (двухслойные) с обрамляющей рамкой;
• СПК-2 – двухкамерные (трехслойные) без обрамляющей рамки.

Для изготовления стеклопакетов используют оконное стекло, витринное полированное и неполированное и термически полированное стекло. В качестве влагопоглотителя применяют силикагель технический или цеолит синтетический без связующих веществ. Влагопоглотитель помещают во внутреннюю полость распорной рамки стеклопакета. Для герметизации стеклопакета используют вулканизирующие герметики и нетвердеющие мастики.

Стеклопакеты выпускаются высотой 400-2550 мм, шириной 400-2950 мм, толщиной не более 46 мм. Расстояние между листами стекол в стеклопакете должно быть: для однокамерных – 9, 12 и 15 мм; для двухкамерных – 9-12 мм. Герметизирующий слой, стеклопакета выполняется шириной не менее 13 мм.

Остекление стеклопакетами имеет преимущества перед обычным: увеличивается световая площадь проемов на 25-30%, снижаются теплопотери и звукопроводимость. Остекления стеклопакетами не запотевают, не замерзают и не загрязняются изнутри.