4) Кристаллохимическое описание строения стекол. Бинарные щелочно-силикатные стекла и фосфатные стекла.

Кристаллохимическое описание строения стекол

Ближний порядок в общем случае, означает правильное расположение отдельных атомов относительно некоторого фиксированного атома. Координационные группировки [SiО₂]⁴ сохраняются в расплавленном, кристаллическом или стеклообразном состояниях диоксида кремния.

Дальним порядком называется строго периодическое и последова­тельное расположение атомов или группировок из атомов в пространст­ве, которое обусловливает образование единой трехмерной решетки.

Бинарные щелочно-силикатные стекла

Бинарные щелочно-силикатные стекла систем Ме₂О—SiО₂ (где Me—Li, Na, К, Rb, Cs, Tl). Введение в состав стекла оксидов щелоч­ных металлов приводит к разрыву структурной сетки и выстраиванию атомов щелочных металлов по месту разрыва по схеме:

Фосфатные стекла

Фосфатные стекла построены из тетраэдров [PО₄]³ . Один из атомов кислорода тетраэдра не может участвовать в образовании связи с другими компонентами структуры из-за наличия двойной связи фосфор — кислород. В структуре фосфатных стекол мостиковыми могут быть толь­ко три атома кислорода фосфор кислородного тетраэдра.

5) Физико-химические основы получения изделий из стекольных расплавов

Основой для определения температурных режимов варки и формования стеклянных изделий служит температурная зависимость вязкости

По характеру температурной зависимости вязкости стёкла делят на «длинные» и «короткие». При одинаковом рабочем интервале вязкости (η₁;η₂) температурный интервал формирования этих стёкол разный. Для «длинных» больше (№1), у «коротких» меньше (№2). Пример длинного: свинцовый хрусталь, короткого: тарное стекло.

На вязкость оказывает влияние химический состав стекла. Оксиды повышающие вязкость как правило увеличивают скорость твердения и наоборот.

Скорость охлаждения стекла зависит как от физических свойств стекла, так и от условий охлаждения.

Время прохождения рабочего интервала вязкости различно. Для короткого стекла 2 время меньше чем у 1.

При одинаковых условиях охлаждения на скорость и равномерность твердения окрашенных стёкол большое влияние оказывает теплопрозрачность. Чем меньше теплопрозрачность, тем неравномернее они охлаждаются и твердеют, а именно : быстрее на поверхности и медленнее внутри. Такие оксиды как FeO, CaO снижают теплопрозрачность стекломассы, увеличивают неравномерность затвердевания.

Поверхностное натяжение.

σ=0,115-0,410 Н/м. Влияние поверхностных сил на процесс формования возрастает с уменьшением вязкости стекла и размеров формируемых изделий.

Основные оксиды входящие в состав стекла

Al2O3, MgO, ZnO2 повышают σ

B2O3, PbO, P2O5 понижают σ

До 30% σ снижают V2O3, WO3, MoO3, As2O3, CrO3.

Присутствие полярных газов SO3, NH3 и паров воды снижает поверхностное натяжение стекла.

6) Сырьевые материалы для производства стекла. Приготовление шихты. Пороки стекла.

Сырьевые материалы для производства стекла

Сырьевые материалы для производства стекла и стеклоизделий условно делят на две группы по технологическому признаку: главные (образующую структуру и определяющие его свойства) и вспомогательные (вводят для изменения свойств стекла).

По происхождению: природные и синтетические. Синтетические содержат меньше примесей и предпочтительней для ряда стёкол.

1)материалы для ведения кислотных оксидов: SiO2, B2O3, Al2O3;

2)Материалы для введения оксидов ЩЗМ: CaO, BaO, MgO, SrO;

3) Материалы для введения оксидов щелочных металлов: Na2O, K2O.

Приготовление шихты

1) Сырьевые материалы очищают, измельчают, взвешивают, перемешивают.

2)Шихта увлажняется ПАВ для снижения пылеобразования и улучшения раеакционной способности. Влажность примерно 7%.

3) Брикетирование и спекание.

Методы приготовления шихты:

1)Метод осаждения: используется золь или гель кремниевой кислоты и истинные растворы других кислот. При смешивании образуется полуколлоидная система, которая используется для изготовления стекла.

2)Гидролиз: используются органические и другие соединения соответствующих катионов: алкоголят натрия, которые реагируют друг с другом и находятся общем растворе;

3)Топохимимческий: основан на поглощении твёрдой фазы другими компонентами из раствора.

При варке силикатного стекла различают 5 процессов:

1)Силикатообразование;

2)стеклообразование;

3)Осветление или удаление газа;

4)гомогенизация;

5)Охлаждение.

Процессы 1 и 2 протекают одновременно. При стеклообразовании компоненты шихты вступают в химическое взаимодействие между собой. Процесс силикатобразования начинает протекать при t=400-600⁰С, но скорость невелика. При повышении до 800⁰С скорость увеличивается и если в объёме есть легкоплавкие компоненты, т.е. появляется жидкая фаза, то это благоприятно влияет на протекание процесса.

На скорость процесса стеклообразования влияют: вязкость расплава, σ, t и состав газовой среды.

Наиболее ответственным и длительным этапом процесса является стадия осветления стекломассы, которая осуществляется при t=1500-1600⁰С. Из расплава удаляются все газы и происходит выравнивание стекломассы по всему объёму. CaF, BrF3, нитраты, сульфаты увеличивают газообразование и снижают поверхностное натяжение. Гомогенизация идёт параллельно с осветлением; задача гомогенизации разрушить ячеистую структуру, образование которой связано с тем, что шихта на 75% состоит из кварцевых зёрен.

Охлаждение проводят путём снижения температуры на 300-400⁰С, тем самым получая такую вязкость стекломассы, при которой можно её формовать. Охлаждение ведётся медленно, чтобы избежать напряжений.

Пороки стекла:

1) Газовые включения: связаны с наличием пузырей – говорит о плохом проведении стадии осветления;

2)Стекловидные включения: Включения стекла другого состава, образование нитей (свили). Связано с плохим перемешиванием шихты, растворением огнеупора печи в стекломассе.

3)Кристаллические включения: образуются в результате кристаллизации стекломассы, попадания огнеупора или труднорастворимых включений.