Чем отличается стеклообразные и стеклокристаллические материалы

Тема 5. Стекло, стеклянные и стеклокристаллические изделия

Определение и классификация. Стекло природного происхождения (вулканическое и метеоритное) и искусственное. Достоинства и недостатки стекла строительного назначения. Сырьевые материалы. Химический состав и структура стекла, их влияние на свойства. Основы производства стекла и общие представления о формировании аморфной и кристаллической структуры изделий.

Листовое стекло – определение, сырье, стекловарение и способы производства (вертикального вытягивания, горизонтального проката и флоат-процесс). Классификация, технические характеристики, методы их оценки и соответствие требованиям стандарта. Марки. Назначение листового стекла и эксплуатационные функции.

Разновидности листового стекла. Оконное, витринное, узорчатое стекло. Определение и основные качественные характеристики. Безопасные (защитные) стекла – армированное, закаленное. Механизм упрочнения закаленного стекла. Основные требования к качеству закаленного стекла. Многослойное (ламинированное) стекло. Получение и разновидности. Стекло с защитной пленкой. Солнцезащитные и энергосберегающие стекла. Назначение и механизм действия. Классификация солнцезащитных стекол по механизму действия. Теплопоглощающие и теплоотражающие стекла. Низкоэмиссионые (селективные) стекла (с твердым и мягким покрытием). Специальные виды листового стекла – противопожарное, звукоизоляционное, увиолевое, электропроводящее и др. Определение, способы получения и основные характеристики.

Светопрозрачные изделия и конструкции: стеклянные блоки; стекло моллированное, профильное и стеклянные панели; стеклопакеты; дверные полотна; трубы и фасонные части к ним; стекловолокно. Получение, основные характеристики и назначение.

Отделочное стекло: цветное, марблит, стемалит, декоративное, фасадное, опаловое (молочное), тонированное, металлизированное, стеклокерамика, коврово-мозаичные плитки, пеностекло, стекловолокно и стекловолокнистые обои, смальта, витражи, зеркала и т. п. Получение и основные характеристики.

Стеклокристаллические материалы и изделия: авантюриновые стекла, стекломрамор, стеклокристаллит, стеклокремнезит, сигран, ситаллы и шлакоситаллы и др. Получение, структура, основные характеристики и назначение.

Материалы и изделия из шлаковых расплавов.

Маркировка, упаковка, транспортирование и хранение листового стекла и стеклянных изделий.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Из каких сырьевых материалов изготовляют стекло?

2. Объясните сущность понятия «стеклообразное состояние».

3. В чем отличие стеклообразного состояния от кристаллического?

4. Какие строительные изделия и материалы изготовляют из стекломассы?

5. Изложите основы технологии обычного оконного стекла: приготовление шихты, варка стекла, формование, охлаждение, отжиг, закалка.

6. Перечислите и охарактеризуйте основные разновидности листового строительного стекла.

7. Опишите способы производства полированного листового стекла.

8. Перечислите основные свойства листового стекла. Какие недостатки присущи обычному листовому стеклу?

9. Что представляет собой оконное стекло в современном понимании?

10. Что Вы понимаете под термином «безопасное» (защитное) стекло? Приведите примеры безопасных стекол.

11. Перечислите разновидности стекол, стойких к механическим воздействиям.

12. Что представляет собой закаленное и химически упрочненное листовое стекло?

13. Что представляют собой армированное и ламинированное листовые стекла?

14. Какие стекла относят к группе энергосберегающих? Приведите примеры и основные характеристики.

15. Какие стекла называются солнцезащитными? Каков механизм их действия?

16. Что представляют собой теплопоглощающие и теплоотражающие стекла?

17. Низкоэмиссионное стекло (определение, качественные характеристики и назначение).

18. Какое изделие называют стеклопакетом?

19. Какие материалы и изделия относят к стеклокристаллическим, и где их применяют в строительстве?

20. Что представляют собой ситаллы и шлакоситаллы, и чем они отличаются от стекла?

21. Какие изделия можно получить из шлаковых расплавов?

22. Как получают шлаковую пемзу (термозит)?

23. Из какого сырья изготовляют минеральную вату?

Источник

ГЛАВА 5. СТЕКЛО И СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТЕКЛЕ

_ Стеклом называют твердый аморфный 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.).

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, O.K. Ботвинкин и др. До XX в. в стекольной промышленности преобладал ручной труд и лишь в XX в. началась машинная обработка стекла. В Республике Беларусь первый стеколь­ный завод был построен в 1930 г. в Гомеле. В настоящее время сте­кольная промышленность республики выпускает листовое стекло, стеклянные изделия, а также полированное стекло, архитектурно- художественные изделия, хрусталь и бытовую посуду.

5.2. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА И СВОЙСТВА СТЕКЛА

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 стеклообразова- ния. 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 окраскуоксид кобальта— сишою, хрома — желтую и коричневую.

Производство стекла включает следующие технологические опе­рации: подготовку_^зь1рьевых материалов; приготовление шихты,парку стекла, формование изделий, термическую,, механическую.или химическую обработку. Сырьевые материалы сушат, измельчают. По­сле перемешиваюгя^н^мельченных компонентов в смесителях бара­банного типа получают шихту. Готовую шихту варят в стекловарен­ных печах при 1400. 1500 °С. 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) (рис. 5.1).

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.

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.

ЛИСТОВОЕ СТЕКЛО

Листовое стекло служит для заполнения световых проемов зда­ний и сооружений, а некоторые виды листового стекла применяют для устройства внутренних ограждений, дверей, ограждений лестниц, балконов, лоджий. Стекольная промышленность выпускает несколь­ко разновидностей листового стекла: оконное, витринное, армирован­ное, узорчатое и др.

^Окоттое^стекло предназначено для остекления световых проемов жилых, промышленных и общественных зданий. Толщина его бывает 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм. Размеры листов от 250×250 до 1600×2200 мм. Светопропускание 90. 92%. Стекло выпускают бесцветным, хотя допускается зеленоватый или голубоватый оттенки. Оконное стекло устанавливают в деревянные, металлические или пластмассовые переплеты.

Вцтринно& стекло применяют для остекления витрин в мага­зинах, ресторанах, бассейнах, аэропортах и т.д. Оно может быть поли­рованным и неполированным, плоским и гнутым. Изготовляют его в основном способом термической полировки. Толщина витринного стекла 6. 10 мм, наибольший размер 3500×6000 мм. Его устанавли­вают в металлические переплеты.

Увиолевое стекло пропускает не менее 25% ультрафиолетовых лучей. Эти качества стекла достигаются путем снижения содержания оксидов железа, титана и хрома в сырьевой массе. Размер стекол от 250×250 до 600×1200 мм при толщине 2. 4 мм. Применяют увиоле­вое стекло для остекления в лечебных, детских учреждениях, оран­жереях и т.д.

Закаленное стекло изготовляют путем термической обработки стекла при 540. 650 °С й последующего быстрого равномерного охла­ждения. В результате термообработки получают листовое стекло с по­вышенной механической прочностью и термической устойчивостью. Прочность при ударе и предел прочности при изгибе закаленного стекла в 4. 6 раз выше по сравнению с обычным стеклом, а термо­стойкость в 2 раза. Осколки закаленного стекла имеют тупые грани и края. В строительстве закаленное стекло применяют для остекления витрин, изготовления стеклянных дверей, перегородок, потолков, для ограждения лифтовых шахт, балконов, лестниц в лечебных зданиях.

Волнистое стекло изготовляют методом непрерывного проката через специальные гофрирующие устройства пластичной стекломас­сы, в результате чего стекло получает волнистую форму, имеющую большую жесткость. Волнистое стекло может быть армированным. Применяют его для устройства светопрозрачных кровельных конст- i рукций промышленных и гражданских зданий, устройства защитных козырьков и световых фонарей и др.

Уздрчатое стекло изготовляют методом горизонтального прока­та цветной или бесцветной пластичной стекломассы на гравироваль­ных валках. На поверхности листа с двух или одной стороны получается тот или иной рельефный узор (рис. 5.3). Благодаря рельефному рисунку это стекло является светорассеивающим, дающим равномерное и мягкое освещение. Кроме того, оно ха­рактеризуется высокой декоративностью.

Узорчатое стекло может быть армиро­ванным, бесцветным или цветным. Оно имеет ширину 400. 1600, длину 600. 3600 и толщину 4,5 и 6 мм. Узорчатое стекло применяют для остекления оконных и дверных проемов,, внутренних перегородок зданий, крытых веранд, мебели и т.д.

Цветное стекло получают путем введения красителей в стек­ломассу или нанесения в процессе изготовления на бесцветную стек­ломассу цветного слоя. Такое стекло вырабатывают методом верти­кального вытягивания или методом прокатки. По характеру окраски различают прозрачное или глушеное цветное стекло. Для получения глушеных стекол в состав стекломассы вводят глушители цвета. Цвет­ные стекла бывают красные, желтые, белые (молочные), зеленые, го­лубые, синие и черные. Их применяют в архитектуре для декоратив­ных целей, для изготовления сигнальных стекол, витражей и т.д.

Листовое стекло упаковывают в прочные деревянные ящики, за­зоры заполняют плотным слоем стружки. Хранят и перевозят стекло только в вертикальном положении. При перевозке, хранении и монта­же листового стекла следует соблюдать особые меры предосторожности.

ИЗДЕЛИЯ ИЗ СТЕКЛА

Номенклатура изделий из стекла весьма разнообразна: блоки стеклянные пустотелые, стеклопакеты, стекло профильное, стеклян­ные трубы, дверные полотна и др.

рщеклоблоки (рис. 5.4) представляют собой полые герметически закрытые стеклянные коробки с гладкими наружными и ребристыми, внутренними поверхностями, пропускающие свет и обеспечивающие равномерное освещение отдельных участков и больших площадей в зданиях. Блоки получают путем сварки двух симметрично спрессо­ванных элементов — полублоков. После сварки полублоков горячий воздух, замкнутый в полости блока, при охлаждении создает внутри стеклоблока вакуум, что улучшает его теплоизоляционные и звуко­изоляционные свойства.

Выпускают различные типы блоков: квадратные, прямоугольные, угловые, радиальные. Стеклянные блоки квадратной или прямоуголь­ной формы имеют размеры 194x194x98(60) и 294x294x98 мм.

Выпускают блоки бесцветными и окрашенными в различные цвета. Блоки имеют рельефный узор орнаментального, растительного, геометрического или другого характера. Стеклянные блоки как кон­структивный элемент получили широкое применение в современном строительстве жилых, общественных и промышленных зданий. Их применяют для заполнения наружных световых проемов, устройства светопрозрачных покрытий и перегородок, а также в архитектурно- декоративных целях.

Стеклопакеты представляют собой изделие, состоящее из двух или трех плоских листов стекла, соединенных по периметру так, что

между стеклами образу­ется герметически замк­нутая камера с прослой­кой осушенного воздуха (рис. 5.5).

Стеклопакеты изго­товляют из оконного, витринного, армирован­ного, узорчатого и других стекол толщиной 2. 8 мм.

В зависимости от ко­личества соединенных стекол стеклопакеты де­лят на однокамерные и двухкамерные. Однока­мерные стеклопакеты имеют расстояние между стеклами 9. 15 мм, двух­камерные 9. 12 мм.

Облицовочные стеклянные плитки по прочности и эксплуата­ционным свойствам превосходят керамические. Их подразделяют на коврово-мозаичные и эмалированные плитки.

, Kgjepо во-мозаичные облицовонцые стеклянные плитки и ковры из них (ГОСТ 17057—80) изготовляют методом непрёрывнбзто проката из глушеного стекла, неокрашенного и цветного. Лицевая поверх­ность плиток может быть гладкой и рифленой, матовой и блестящей. Размер плито1с_21х21х4,5 мм. Из отдельных плиток изготовляют ков­ры длиной до 1 м и более. Коврово-мозаичные плитки морозо- и свето­стойки, выдерживают без разрушения резкие перепады температуры до 60 °С. Поставляют плитки россыпью или наклеенными на плотную оберточную бумагу или крафт-бумагу в виде ковров. Расстояние меж­ду плитками в ковре _(4±Плитки применяют для наружной и внутренней облицовки зданий различного назначения. Цветная стекломозаичная плитка — прекрасный материал для художествен­ных панно и декоративной отделки интерьеров. Крепят коврово- мозаичные плитки полимерцементным или кислотрстрйким раство­ром и мастиками.

плитки изготовляют из отходов оконного листового стекла толщиной 37..5 мм и витринного толщиной 6. 7 мм. На заводах нарезают плитки й на одну сторону наносят цвет­ную или белую эмаль, плитки сушат, посыпав тыльную сторону плитки песком и обжигают. При обжиге эмаль и песок спекаются с плиткой. Толщина эмалевого покрытия 0,2. 0,3 мм. Плитки различных цветов имеют размеры 150×150 и 150×75 мм. Стеклянными эмалированными плитками облицовывают санитарные узльц помещения душевых и ванных в жилых, общественных, промышленных зданиях.

Вит^^си^ — орнаментальные композиции и узоры из цветных и прозрачных стекол, с росписью отдельных деталей спекающимися красками. Витражи обрамлены бордюрами из нержавеющей стали, офактуренными под матовое серебро и золотистую латунь с чеканным рельефным рисунком. Художественный эффект витражей заключает­ся в преломлении проникающих через них световых лучей, что в раз­ное время дня создает богатейшую гамму красок, игру света и теней. Витражи обычно являются композиционным акцентом интерьера; они должны быть тематически связаны с функциональным назначе­нием самого здания или данного помещения. Витражи могут укра­сить дворцы, соборы и общественные здания.

Источник

Стеклокристаллические материалы

Стеклокристаллические материалы (СКМ) получают из твер­дого стекла путем управляемой частичной кристаллизации. Благо­даря разнообразной цветовой гамме и текстуре их применяют при отделке зданий и сооружений. Они имеют высокую прочность и долговечность, абсолютно устойчивы к выцветанию, негорючи.

Авантюриновые стекла — цветные стекла, обладающие эффек­том мерцания за счет мелких кристаллических включений соеди­нений хрома, железа, меди.

Стекломрамор — непрозрачное цветное стекло с мраморовид­ным рисунком.

Стеклокристаллит и стеклокремнезит получают путем спека­ния различных по составу и дисперсности гранул стекла с приме­нением наполнителей, порообразователей и других добавок.

Стеклокремнезит состоит из трех слоев: верхнего (декоратив­ного) — из цветного стекла; среднего (основного) — из глушено­го стекла; нижнего (с повышенной адгезией к цементному ра­створу) — с добавкой к стеклу кварцевого песка.

Процесс кристаллизации обычных стекол является неуправля­емым и приводит к образованию неоднородной крупнокристал­лической структуры, имеющей пониженные прочность и термо­стойкость.

При введении в состав стекол веществ, способных образовы­вать центры (зародыши) кристаллизации (например, фторидов и фосфатов щелочных или щелочноземельных металлов, Ti02, Zr02, FeS и др.), получаются материалы высокого качества с однород­ной микрокристаллической структурой.

Зародышеобразователь (катализатор кристаллизации, или нук- леирующий агент) растворяют в расплаве стекла при температуре выше интервала, в котором происходит заметный рост кристал­лов. При охлаждении расплав переходит в стеклообразное состоя­ние, а катализатор выделяется равномерно по всему объему в виде субмикроскопических образований, которые могут содержать всего несколько атомов, а в 1 мм3 стекла образуются биллионы таких центров кристаллизации. После этого стекло повторно нагревают до определенной температуры и выдерживают в течение време­ни, необходимого для зарождения и роста кристаллов под дей­ствием катализатора.

Некоторые катализаторы (CdS, NaF, NaAlF6, NaSiF6) остаются в растворе при начальном охлаждении стекла, но выделяются в процессе повторного нагревадо нужной температуры. Часто нагрев ведут ступенями с выдержкой на каждой из них. На низшей ступе­ни происходит образование зародышей, а на высшей — развитие основных кристаллических фаз. Температура этого процесса не дол­жна вызывать размягчения стекла, иначе изделия деформируются. Содержание кристаллической фазы в таких материалах составляет 50. 95 %, а размеры кристалликов составляют от 400 А до 2 мкм.

Если кристаллы достаточно крупные (до 1 мкм и более), то стеклокристаллические материалы непрозрачны. При субмикрос­копических размерах кристаллов образуются прозрачные и полу­прозрачные (опаловые) разновидности светлых оттенков.

Прочность и твердость ситаллов значительно выше прочности и твердости исходного стекла, что объясняется наличием в их струк­туре равномерно распределенной по объему микрокристалличе­ской фазы, образующей жесткий каркас и выполняющей функ­цию упрочняющей арматуры. Стеклообразная фаза по аналогии с композиционными материалами играет роль связующего веще­ства. Предел прочности ситаллов при изгибе колеблется от 150 до 500 МПа, а модуль Юнга — от 8,8 ■ 104 до 14 ■ 104 МПа, что в 2 раза выше, чем у стекла.

Шлакоситалл — облицовочный материал из металлургических шлаков в виде листов и плит белого, темно-серого или черного

цвета. Цветные изделия получают нанесением на поверхность шла- коситалла керамических глазурей, закрепляемых обжигом.

Листовой шлакоситалл применяется для наружной и внутрен­ней облицовки стен, устройства полов, а также при производстве слоистых навесных панелей для стен и перегородок.

Сыгран — декоративный материал, напоминающий гранит, мрамор, яшму. Структура сиграна образована стеклофазой с вкрап­лениями сферолитоподобных кристаллических образований раз­мером до 1 см. Получают сигран различного цвета, с различным тоном окраски сферолитов и окружающей их стеклофазы.

Неопариэс (Neoparies и Neoparies-light), созданный в Японии фирмой Nippon Electric Glass, получают из стеклянных гранул размером 1. 7 мм волластонитового состава спеканием и после­дующей кристаллизацией. Образующиеся при кристаллизации игольчатые кристаллы волластонита создают мраморовидный ри­сунок, проявляющийся при шлифовке и полировке поверхности изделий. Количество кристаллической фазы в материале составля­ет примерно 40 %. Материал окрашивают в различные цвета.

Источник

Стеклокристаллические материалы (ситаллы)

Ситаллы подразделяются на фотоситаллы, термоситаллы и шлакоситаллы. В отличие от обычных стекол, свойства которого определяются в основном его химическим составом, для ситаллов решающее значение имеет структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре. Свойство ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует вязкая пористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам.

Ситаллы представляют собой стеклокристаллические (микрокристаллические) материалы, получаемые путем направленной (катализированной) кристаллизации стекол специальных составов, протекающей в объеме заранее отформованного изделия. Ситаллы состоят из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе.

Технология ситаллов включает стадии варки стекла, формовки изделий и специальной термической обработки.

Схема режима термообработки стекла для получения ситаллов.

Хотя контроль за фазовым составом и структурой в связи с тонкозернистостью ситаллов осуществляется в основном методами рентгенофазового анализа и электронной микроскопии, при активном участии петрологов проводится исследование кинетики зародышеобразования и роста кристаллов, являющихся теоретической основой главных стадий производства ситаллов.

Вопросы переохлаждения расплавов не чужды петрологии. Рассмотренные закономерности служат основой объяснения образования природных стекол и ряда мелкозернистых структур при магматических процессах, в частности оторочек малоглубинных интрузивных тел. Существенны они и для методики закалки при проведении эксперимента.

Все шире области применения ситаллов в электронной промышленности. Их используют в качестве диэлектрической изоляции микросхем и межслойной изоляции печатных схем на керамических и других подложках. Ситаллы на основе горных пород (перлита и доломита) рекомендуются для изготовления высоковольтных стержневых и штыревых электроизоляторов. Стеклокерамические корпуса нашли применение для герметизации полупроводниковых приборов и интегральных схем. Литиево-алюмосиликатная стеклокерамика в сочетании с барийалюмосиликатным стеклом в наши дни служит наполнителем в материалах для пломбирования зубов.

Макмиллан П. У., “Стеклокерамика”, пер. с англ., М., 1967.

Павлушкин Н. М., “Основы технологии ситаллов”, М., 1970.

Источник