Материал: Неорганічне скло: характеристика, застосування

Неорганічне скло: характеристика, застосування

Міністерство освіти і науки України

Чернівецький Національний університет ім. Ю. Федьковича

Реферат на тему:

“Неорганічне скло: характеристика, застосування”

Виконала:

Студентка 315 групи

Максимчук Н.

Чернівці - 2015р

Загальні відомості

Неорганічне скло - аморфний полімерний матеріал, що отримується при твердінні розплаву оксидів Si кремній, А1 алюміній, В бор, Р фосфор, As арсеній, Pb свинець й інших елементів. Воно не має певної точки плавлення або затвердіння й при охолодженні переходить із розплавленого, рідкого стану у високов'язкий стан, а потім у твердий, зберігаючи при цьому невпорядкованість і неоднорідність внутрішньої будови.

До складу неорганічного скла входять скло-утворювальні оксиди; оксиди, що модифікують (лужні й лужноземельні) типу Ме2О і МеО, що змінюють фізико-хімічні властивості скла; технологічні добавки (оксиди алюмінію, заліза, свинцю, титану, берилію й ін.), що заміщають скло-утворювальні оксиди й надають склу необхідні споживчі властивості. Модифікуючі оксиди вводять у процесі варіння скла. Глинозем А1203 підвищує механічну міцність, а також термічну й хімічну стійкість стекол. При додаванні В2О3 підвищується швидкість скловаріння, поліпшується посвітління й зменшується схильність до кристалізації. Оксид свинцю Р60, що вводять головним чином при виготовленні оптичного скла й кришталю, підвищує показник світлозаломлення. Оксид цинку ZnО знижує температурний коефіцієнт лінійного розширення скла, завдяки чому підвищується його термічна стійкість.

Технологічні домішки поділяють за їх призначенням на такі групи: освітлювачі - речовини, що сприяють видаленню зі скломаси газових бульбашок (сульфат натрію, плавиковий шпат); знебарвлювані - речовини, що знебарвлюють скляну масу; глушителі - речовини, що роблять скло непрозорим.

Скло-утворювальні оксиди (наприклад, SiО2, А12О3, В2О3, Р2О3) утворюють просторову сітку з однорідних ланцюгів-поліедрів, а оксиди, що модифікують, розміщуючись усередині осередків сітки, послабляють або розривають зв'язки в скло-утворювальних оксидах і знижують міцність, термо-хімічну стійкість скла, але дозволяють регулювати температуру його розм'якшення й інші властивості.

Будова кварцових стекол (рис. 18 а) є найбільш простою. Тут просторова сітка утворена із з'єднаних вершинами тетраедрів SiО4. Зв'язки між кремнієм і киснем міцні, тому скло мало розширюється при нагріванні, плавиться при температурі вище 1700°С, після плавлення грузьке й погано формується. Осередки між тетраедрами досить великі, вони розширюються при нагріванні, і скло втрачає вакуумну щільність: при температурі 150°С воно пропускає гелій, вище 300°С - водень, а вище 800°С - повітря. У силікатних стеклах катіони металів оксидів, що модифікують, і технологічних добавок містяться (рис. 18 б) між негативно зарядженими тетраедрами SiО4, не порушуючи будови силікатного каркаса. При цьому кути між зв'язками Si - ПРО - Si змінюються в більш широких (120-180°С) межах, ніж у кварцовому склі.

Властивості неорганічних стекол ізотропні. До основних властивостей належать:

• щільність - 2200-6500 кг/м3 (для скла з оксидами свинцю або барію - до 8000 кг/м3);

• температури для промислових стекол: стеклування -425-600°С; розм'якшення - 600-800°С; коефіцієнт тепло-провідності - 0,7-15 Вт/(м •К);

• температурний коефіцієнт лінійного розширення: для кварцових стекол - 5,6-107°С-1; для будівельних стекол - 9,0 -108°С-1;

• о сж = 500-2000 МПа; •о розт =30-90МПа; •озг = 50-150 Мпа;

Більш високі характеристики міцності має скло безлужного складу й кварцове:

До споживчих властивостей неорганічних стекол відносять прозорість, високу стійкість до атмосферних впливів, водонепроникність і повітронепроникність, термостійкість. Термостійкість скла характеризує його довговічність в умовах різких змін температури й визначається різницею температур, що скло може витримати без руйнування при різкому охолодженні у воді (Т=0°С). Для більшості видів стекол термостійкість коливається від 90 до 170°С, а для кварцового скла вона становить 800 -1000°С.

Скло піддається механічній обробці: його можна пиляти циркулярними пилками з алмазним набиванням, обточувати побідитовими різцями, різати алмазом, шліфувати, полірувати.

Способи впливу на властивості неорганічних стекол визначаються необхідністю нейтралізувати дефектний поверхневий шар. Їх можна розділити на чотири групи: механічну обробку (полірування), хімічну обробку (травлення), термічну обробку (загартування), хіміко-термічну обробку. Так, загартування, при якому можна одержати анізотропію властивостей, і хіміко-термічна обробка скла в кілька разів підвищують показники міцності й ударну в'язкість, а також збільшу­ють термостійкість. Травлення загартованого неорганічного скла кислотою сприяє видаленню поверхневих дефектів і також підвищує міцність і термостій­кість.

Неорганічне скло класифікується за видом скло утворювальної речовини, видом модифікаторів, технологією виготовлення й призначенням.

За видом склоутворювальної речовини неорганічне скло поділяється на силікатне (Si02), алюмосилікатне (А1203 - Si02), боросилікатне (В203 - Si02), алюмоборосилікатне (А1203 - В205 - Si02), алюмофосфатне (А1203 - Р205), халькогенідне (наприклад, As31Ge30Se21Telg0), галогенідне й інші скло.

За видом модифікаторів розрізняють лужні, безлужні й кварцові неорганічні стекла. Міцність лужних стекол під дією вологи зменшується вдвічі, тому що вода вилужує скло. При цьому утворюються лужні розчини, які розклинюють скло, викликаючи появу мікротріщин у поверхневому шарі.

За технологією виготовлення неорганічне скло може бути отримане видуванням, литвом, штампуванням, витягуванням в листи, трубки, волокна й ін.

Класифікація скла за призначенням і сферою застосування.

За призначенням неорганічні стекла поділяються на технічне, будівельне й побутове (склотара, посудне, побу­тове й ін.).

Технічне скло за сферою застосування ділиться на електротехнічне, транспортне, оптичне, світлотехнічне, термостійке, тугоплавке, легкоплавке, хіміко-лабораторне й ін.  неорганічне скло розплав оксид

Основні дані технічних стекол

Характерні властивості:

Високі значення питомого електроопору, більша електрична міцність (16-50 кв/мм), низькі значення діелектричних втрат (t 0,0018-0,0175) і порівняно висока діелектрична проникність (Е-3,5-16), що підвищується при збільшенні концентрації РЬО або ВаО. При нагріванні в інтервалі температур 200-400°С питомий електроопір зменшується в 108 -1010разів, що пов'язано зі збільшенням рухливості лужних іонів, і скло втрачає свої ізолювальні властивості. Оксиди важких металів - свинцю і барію - зменшують рухливість іонів й знижують втрати.При впаюванні металу в скло, при зварюванні скла різного складу в склі з'являються термічні напруги через розходження температурних коефіцієнтів лінійного розширення. Якщо температурні коефіцієнти обох матеріалів близькі, то спаї скла з матеріалом називаються погодженими спаями, а якщо різні неузгодженими спаями. Специфічними властивостями скла є їхні оптичні властивості: світлопрозорість, відбиття, розсіювання,поглинання й переломлення світла. Коефіцієнт переломлення такого скла становить 1,47-1,96, коефіцієнт розсіювання знаходиться в інтервалі 20-71 Оптичні властивості скла залежать від їх кольору, що визначається хімічним складом скла, а також від стану поверхні виробів. Оптичні вироби повинні мати ізотропну, вільну від напруг структуру, яку одержують відпалом, і гладкі поліровані поверхні. Звичайне незабарвлене листове скло пропускає до 90%, відбиває приблизно 8% і поглинає близько 1% видимого й частково інфрачервоного світла; ультрафіолетове випромінювання поглинається майже повністю. Кварцове скло є прозорим для ультрафіолетового випромінювання.

Матеріали й вироби з скла

Скловолокно- волокнистий матеріал, одержуваний з розплавленої скломаси. Найбільш широко застосовується безлужне алюмо-боросилікатне Е-скло, а також високоміцне скло на основі оксидів: SiО2, A12О3, Mg. Діаметр скловолокна коливається від 0,1 до 300 мкм. Форма перетину може бути у вигляді кола, квадрата, прямокутника, трикутника, шестикутника. Випускаються й порожнисті волокна. За довжиною волокно поділяється на шпательне (від 0,05 до 2-3 м) і безперервне. Щільність скловолокна - 2400-2600 кг/м3. Міцність елементарних скляних волокон у кілька десятків разів вища об'ємних зразків скла: міцність на розтягання досягає для безперервних волокон діаметром 6-10 мкм - 1500-3000 Мпа. Скловолокно має високі тепло-, електро- і звукоізоляційні властивості, воно термо- і хімічно стійке, негорюче, не гниє.

Поверхню скляних волокон під час транспортування й різних видах перероблення замаслюють для запобігання стиранню, тому що від стану поверхні волокон залежить їхня міцність. Зі скловолокна виготовляють скловату, тканини й сітки,а також неткані матеріали у вигляді джгутів і полотен, скломатів.

Скловата - матеріал зі скляних волокон, діаметр яких для виготовлення теплоізоляційних виробів не повинен перевищувати 21 мкм. Структура вати повинна бути пухкою - кількість пасм, що складаються з паралельно розміщених волокон, не більше 20% за масою. Щільність у пухкому стані не повинна бути більше 130 кг/м3. Теплопровідність - 0,05 Вт/(м·К) при 25°С. Скляну вату з безперервного волокна застосовують для виготовлення теплоізоляційних матеріалів і виробів при температурах ізольованих поверхонь від - 200 до +450°С.

Скловата із супертонкого волокна має щільність 25 кг/м3, теплопровідність - 0,03 Вт/(м·К), температуру експлуатації - від -60 до +450°С, звукопоглинання - 0,65-0,95 у діапазоні частот 400-2000 Гц. Скловата із супертонкого волокна, а також вироби на її основі використовуються в будівництві як звукоізоляційний матеріал.

Скломати(АСІМ, АТІМС, АТМ-3) - матеріали, що складаються зі скловолокон, розміщених між двома шарами склотканини або склосітки, прошитої склонитками. Вони застосовуються при температурах 60-600°С як армуючі елементи у композиційних матеріалах.

Склоруберойд і скловойлок- рулонні матеріали, одержувані шляхом двостороннього нанесення бітумної (бітумно-гумової або бітумно-полімерної) в'язкої речовини, відповідно на скловолокнисте полотно або скловойлок і покриті з одного або двох боків суцільним шаром посипки. Сполучення біостійкої основи й просочення з підвищеними фізико-механічними властивостями дозволяють досягти довговічності для склоруберойду близько 30 років. Залежно від виду посипання, що запобігає злипанню при зберіганні в рулонах, і призначення склоруберойд випускають таких марок: С-РК (із грубозернистим посипанням), С-РЧ (з лускатим посипанням), С-РМ (з пилоподібним або дрібнозернистим посипанням). Застосовують руберойд-руберойд-стек-руберойд для верхнього й нижнього шарів покрівельного килима й для обклеювальної гідроізоляції.

Гідросклоізол складається зі склооснови (тканої або нетканої сітківки, дубльованої склополотном), покритої по обидва боки шаром бітумної маси, у яку входять бітум, мінеральний наповнювач (близько 20%) з меленим тальком, магнезитом, а також пластифікатором. Відрізняється, крім високої водонепроникності, гарними міцнісними показниками при розтяганні в поздовжньому напрямку. Він витримує розривне навантаження при вищій категорії якості 735 Н. Теплостійкість - 60-65°С, температура крихкості - від -20 до -10°С.Гідросклоізол наклеюють без застосування мастик - рівномірним плавленням (наприклад, використовуючи полум'я газового пальника) його поверхні.

Піноскло (комірчасте скло) - комірчастий матеріал, одержуваний спіканням тонко здрібненого скляного порошку й пороутворювача. Виробляють зі скляного бою або використовують ті самі сировинні матеріали, що й для виробництва інших видів скла: кварцовий пісок, вапняк, соду й сульфат натрію. Пороутворювачами можуть бути кокс і вапняк, антрацит і крейда, а також карбіди кальцію й кремнію, що виділяють при спіканні вуглекислий газ, який утворює пори.Піноскло має специфічну будову - у матеріалі стінок великих пор (0,25-0,5 мм) утримуються дрібні мікропори, що обумовлює малу теплопровідність (0,058-0,12 Вт/(м·К) при досить великій міцності, водостійкості й морозостійкості. Пористість різних видів піноскла становить 80 - 95%; щільність - 150-250 кг/м3; міцність - 2-6 МПа. Має високі тепло- і звукоізоляційні властивості. Піноскло - горючий еріал з високою (до 600°С) теплостійкістю. Легко обробляється (пиляється, шліфується); воно добре склеюється, наприклад, із цементними матеріалами.Плити з піноскла застосовують для теплоізоляції огорож конструкцій будинків (стін, перекриттів, покрівель й ін.), у конструкціях холодильників (ізоляція поверхонь із температурою експлуатації до 180°С), для декоративної обробки інтер'єрів. З піноскла з відкритими порами виготовляють фільтри для кислот і лугів.

Склопор одержують шляхом грануляції й спучування рідкого скла з мінеральними добавками (крейдою, меленим піском, золою ТЕС й ін.). Випускається трьох марок: СЛ - ρ0 = 15-40 кг/м3, λ = 0,028-0,035 Вт/(м · К);

Л - ρ0 = 40-80 кг/м3, λ = 0,032-0,04 Вт/(м·К);

Т - ρ0 = 80-120 кг/м3, λ = 0,038-0,05Вт/(м·К).

У сполученні з різними зв'язуючими речовинами склопор використовують для виготовлення штучної, мастичної і заливальної теплоізоляції. Найбільш ефективне застосування склопору в ненаповнених пінопластах, тому що введення його в пінопласт дозволяє знизити витрати полімеру й значно підвищити вогнестійкість теплоізоляційних виробів.

Армоване скло - конструкційний виріб, одержуваний методом безперервного прокату неорганічного скла з одночасним закочуванням усередину листа металевої сітки з відпаленого хромованого або нікельованого сталевого дроту. Це скло має межу міцності при стиску 600 Мпа, підвищену вогнестійкість (до 1,3 год), безосколочне при руйнуванні, світлопроникність - більше 60%. Може мати рівну, кутикову або візерункову поверхню, бути безбарвним або кольоровим.Армоване скло застосовують для скління ліхтарів верхнього світла, віконних плетінь, облаштування перегородок, сходових маршів та ін.

Сітали

Сітали (склокристалічні матеріали) - штучний матеріал на основі неорганічного скла, одержуваний шляхом повної або частково керованої кристалізації в них.Термін «сітали» утворений від слів: «скло» й «кристали». За структурою й технологією одержання сітали займають проміжне положення між звичайним склом і керамікою. Від неорганічного скла вони відрізняються кристалічною будовою, а від керамічних матеріалів - більш дрібнозернистою й однорідною мікрокристалічною структурою.До складу сіталів входять:

оксиди - Li20, A1203, Si02, Mg, СаО й ін.;

Нуклеатори (каталізатори кристалізації) - солі світлочутливих металів - An, Ag, Сu, що є колоїдними барвниками й наявні в склі у вигляді тонкодисперсних частинок, Нуклеатори є додатковими центрами кристалізації. Вони повинні мати кристалічні ґратки, подібні кристалічним фазам, що виділяються зі скла, і сприяти рівномірній кристалізації всієї маси;

Глушителі (погано розчинні частинки) - фтористі й фосфатні сполуки, Ті02 й ін.

Структура сіталів дрібнокристалічна, однорідна, характеризується відсутністю пористості. Середній розмір кристалітів у сіталах 1-2 мкм. Вміст кристалічної фази - не менше 40-50%. Кристаліти зростаються між собою або зв'язані прошарками залишкового аморфного скла. Кількість склофази не перевищує декількох відсотків. Безладна орієнтація кристалітів приводить до відсутності в сіталах анізотропії.Регулюючи режими термообробки, можна змінювати ступінь кристалізації й розміри кристалів, що відбивається на властивостях виробу. Властивості сіталів ізотропні й в основному визначаються фазовим складом та їхньою структурою.

Рисунок 19 - Схема кристалізації скла при утворенні сіталів за допомогою нуклеаторів