Промышленные составы силикатных стёкол

Наиболее простым силикатным стеклом является кварцевое стекло SiO₂. Для варки кварцевого стекла требуются высокие температуры – не менее 1900-2000°С, что существенно осложняет возможности получения и применения такого стекла. Достаточно большая температура размягчения кварцевого стекла (≈1400°С) затрудняет формование изделий. Кварцевое стекло обладает уникальными свойствами: высокой механической прочностью, химической и термической стойкостью. Оно пропускает ультрафиолетовые лучи. Однако из-за высокой стоимости кварцевое стекло имеет ограниченное применение. Кварцевое стекло используется в научных приборах и экспериментальных установках, в космической технике, для изготовления химической посуды.

Широко применяются бинарные щелочно-силикатные стёкла системы Ме₂О-SiO₂. Их называют жидкими или растворимыми стёклами.

Ме₂О×nSiO₂ где, n – силикатный модуль (2¸4).

Обычно используют натриевые и калиевые жидкие стёкла. Для получения силикатного клея силикат-глыбу растворяют в воде в автоклавах при большой температуре и давлении.

Силикатные стёкла тройной системы SiO₂-Na₂O-CaO – основа большинства промышленных стёкол. Это оконное, тарное, сортовое и многие другие стёкла.

Диоксид кремния SiO₂ – вводят кварцевым песком. Природный кварцевый песок подразделяют на крупнозернистый (размер зёрен 0,15-0,41 мм) и мелкозернистый (0,10-0,30 мм). Для стекловарения наилучшей считается фракция 0,15-0,30 мм. Допускается содержание зёрен крупнее 0,5 мм < 5%, менее 0,1 мм < 8%.

Для введения в состав стекла оксида натрия Na₂O обычно используется сода. Оксид кальция CaO вводят в виде карбонатов, в основном применяют известняк или мел (размер зёрен до 2 мм).

По содержанию оксидов составы обычных стёкол меняются в пределах:

SiO₂– 60-80%;

Na₂O – 10-25%;

CaO – 0-20%.

Силикатные стёкла обладают высокими техническими и эксплуатационными свойствами. Однако при несоблюдении технологических режимов их получения стекловидная структура может нарушаться. В тройной системе SiO₂-Na₂O-CaO возможно появление следующих кристаллических фаз:

1. SiO₂ (кварц, тридимит, кристобалит);

2. CaO×SiO₂ – волластонит;

3. Na₂O×3CaO×6SiO₂ – девитрит;

4. Na₂O×2SiO₂ – дисиликат натрия;

5. Na₂O×2CaO×3SiO₂– тройное соединение.

Основной причиной кристаллизации стёкол (расстекловывания) являются неправильно выбранный, склонный к кристаллизации состав и нарушение температурного режима варки и выработки стекла. Известно, что стёкла, соответствующие по составу определённым химическим соединениям, имеют наибольшую склонность к кристаллизации. Составы, образующие при кристаллизации твёрдую фазу, отличную от состава твёрдого стекла, будут кристаллизоваться медленнее. Наиболее трудно при прочих равных условиях кристаллизуются эвтектические составы. В обычных промышленных стёклах при расстекловывании наиболее часто образуются тридимит, кристобалит, волластонит, псевдоваллостонит, девитрит.

Волластонит βCaO×SiO₂ устойчив до температуры 1125^оС. При больших температурах он переходит в псевдоволластонит αCaO×SiO₂ , который плавится конгруэнтно при 1544^оС.

Т=1125^оС

βCaO×SiO₂ → αCaO×SiO₂

Девитрит Na₂O×3CaO×6SiO₂ в виде шарообразных кристаллических сростков (сферолитов) или тонких игольчатых или призматических кристаллов часто выкристаллизовывается в качестве одной из фаз при расстекловывании (девитрификации) стёкол. В поле девитрита (в его верхней части) располагаются термостойкие и химически устойчивые стёкла, относительно мало разрушающиеся как под действием воды, так и щелочных растворов. Девитрит Na₂O×3CaO×6SiO₂ плавится инконгруэнтно при 1047^оС, разлагаясь на кристаллы βCaO×SiO₂ и расплав.

Эвтектика расположена в треугольнике, образованном вершинами кварца, дисиликата натрия и девитрита. Эвтектика имеет состав (мас.%): 73,5 – SiО₂;

21,3 – Na₂O;

5,2 – CaO.

С целью улучшения конкретных свойств в состав силикатного стекла вводят дополнительные компоненты. Так для повышения химической устойчивости добавляют оксид алюминия Al₂O₃. Для уменьшения склонности к кристаллизации добавляют оксид магния MgO, обычно дополняющий оксид кальция СаО. Поэтому с целью оптимизации состава стекольной шихты вместо известняка СаСо₃ применяют доломит СаСО₃∙МgСО₃. Для повышения прозрачности стёкол в состав вводят оксид калия K₂O, полностью или частично заменяющий оксид натрия.

Примеры.

Простое известково-натриевое стекло состава (мас.%): SiO₂ – 73%; CaO – 10%; Na₂O – 17% имеет температуру размягчения 600^оС.

Для изготовления химической посуды широко применяется боросиликатное стекло «пирекс» (Т_разм.= 800°С). Стекло имеет состав (мас.%):

SiO₂ – 80,0%;

B₂O₃ – 13,0%;

Al₂O₃ – 2,0%;

Na₂O – 4,0%;

K₂O – 0,4%.

Cтекло термостойкое, так как имеет малый коэффициент термического расширения. Химическая устойчивость достигается за счет низкого содержания оксидов щелочных металлов.

Ирбитский стекольный завод многие годы выпускал оконное стекло следующего состава (мас.%): SiO₂ – 71,8±0,15;

(Na₂O+K₂O) – 15±0,15;

(CaO+MgO) – 10,5±0,1;

Al₂O₃ – 2,0±0,1.

Как примеси здесь присутствуют: Fe₂O₃ – 0,1±0,01;

P₂O₅ – 0,3;

SO₃ – 0,3.

Приведём составы некоторых оптических стёкол (мас.%).

Крон (К): SiO₂ – 72,0; В₂О₃ – 8,1; К₂О – 10,5; Na₂O – 7,2; СаО – 1,5; MgO – 0,5.

Лёгкий крон (ЛК): SiO₂ – 50,0; В₂О₃ – 16,2; Al₂O₃ – 8,8; К₂О – 16,2; Na₂O – 5,3.

Флинт (Ф): SiO₂ – 47,0; PbО – 46,4; К₂О – 6,4.

Тяжёлый флинт (ТФ): SiO₂ – 31,5; PbО – 65,4; К₂О – 2,8.