Стеклом обычно называют аморфные материалы, образующиеся в результате быстрого охлаждения жидкости, минуя стадию кристаллизации. Со структурной точки зрения – это твердое тело с непериодической решеткой атомов. Способностью образовывать стекла, т. е. затвердевать в такую аморфную массу, обладают оксиды кремния, бора и фосфора, т.е. SiO2, B2O3 и P4O10, а также их сплавы с другими оксидами, например щелочными, щёлочноземельными металлами. Являясь фундаментальными элементами селен, сера, углерод, кремний, теллур, мышьяк, германий, бор и фосфор проявляют стеклообразующие способности. Кроме ранее упомянутых веществ такими способностями обладают также некоторые высокополимеризованные органические вещества, например полистирол, и соединения с гидроксильной группой, например глицерин.
Свойства стекла
В отличие от анизотропных кристаллических тел, стекла обладают изотропными свойствами. При нагревании материал постепенно размягчается и непрерывно переходит из состояния, в котором его свойства напоминают твердое вещество, в состояние, в котором его можно назвать переохлажденной жидкостью, проявляющей значительную вязкость. Температурный диапазон, в котором наблюдается это изменение, относительно узок и определяется диапазоном преобразования стекла. В нем можно наблюдать несколько существенных изменений — происходит быстрое изменение удельной теплоемкости, показателя преломления и коэффициента теплового расширения и электрической проницаемости. При температурах ниже диапазона преобразования стекло характеризуется твердостью и хрупкостью. По мере роста температуры оно становится все более и более пластичным, пока не превратится в более подвижную жидкость. Диапазон преобразования кварцевого стекла составляет около 1500 К, а в случае силикатных стекол он несколько ниже – около 800-1000 К в зависимости от состава материала.
Структура стекла
И кварцевое, и силикатное стекло имеют структуру, аналогичную кристаллическим силикатам. Оно состоит из тетраэдрических групп SiO4, которые в совокупности образуют жесткий трехмерный каркас. Их различие, однако, заключается в упорядоченности, так как в отличие от кристаллических тел с упорядоченной кристаллической решеткой группы, присутствующие в стекле, образуют неупорядоченные связи. Система стекла описывается как внешне устойчивая, что означает, что она не достигает равновесия, а стремится к кристаллическому состоянию. В обычных условиях этот процесс протекает настолько медленно, что даже незаметно. Он заметен только на очень старых стеклах. Однако эту скорость можно увеличить, используя более высокую температуру порядка 1200-1400 К, в зависимости от марки стекла. Заметным изменением на стекле после кристаллизации является характерное помутнение и повышенная хрупкость. Форма стеклянной массы свободно меняется при соответствующей температуре обработки путем выдувания, прессования и т. д.
Примеры стекольных материалов
- Известково-натриевое стекло 12,9% Na2O (сода), 11,6% CaO (известь, карбонат кальция), 75,5% SiO2 (стекольный песок).
- Калийно-известковое стекло, где Na2O заменен на K2
- Натриево-калиево-известковое стекло, содержащее как оксиды натрия, так и калия.
- Йенское стекло 74,5% SiO2, 8,5% Al2O3, 4,6% B2O3, 7,7% Na2O, 3,9% BaO, 0,8% CaO, 0,1% MgO.
Силикатное стекло
Это наиболее часто используемый тип стекла, который производится путем сплавления кварцевого песка с содой Na2CO3 и известняком CaCO3 при температуре около 1800 K. Благодаря применению таких условий можно ввести в массу оксиды кремния, натрия и кальция, т.е. SiO2, Na2O и CaO. Основным стеклообразующим оксидом в его составе является SiO2, а его решетка представляет собой кремнеоксидную связь, содержащую промежуточные ионные замещения c модифицирующими ионами, расположенными в пространствах. Они происходят от дополнительно введенных оксидов, которые призваны изменить свойства стекла.
Окрашивание стекла
Для окрашивания стекла используются добавки оксидов переходных металлов. Оксиды кобальта дают фиолетово-синюю окраску, триоксид дихрома — зеленый цвет стекла, а оксиды железа в зависимости от условий в печи — зеленую окраску в восстановительной атмосфере и бурую — в окислительной. Окрашивание стекла в рубиновый цвет осуществляется с помощью коллоидно-дисперсного золота — стеклянная масса плавится, а при разложении золото выделяется в виде атомарной фрагментации. Первоначально оно бесцветно, но после повторного нагревания до температуры примерно 800-900 К и медленного охлаждения становится рубиновым. Аналогичный механизм используется для производства желтого стекла, но вместо золота используется коллоидное серебро.
Упрочнение стекла
Можно улучшить качество поверхности стекла и модифицировать его так, чтобы не было трещин или их смещения. Существует три основных типа процессов упрочнения этого материала:
- Закалка, при которой происходит нагрев до высоких температур с последующим охлаждением на воздухе или в масле. Поскольку поверхность остывает быстрее, чем внутренний слой, его размеры не могут совпадать. Внутренняя часть растягивается поверхностями, а поверхность сжимается внутри.
- Химическая закалка позволяет добиться таких же эффектов, как и при закалке. Стекло помещают в расплав соли, содержащей катионы калия, например в KNO3, нагревают в течение 12 часов при 500o Диффузия вызывает обмен ионов с Na+ на K+, поскольку они вытесянют внешнюю поверхность.
- Ламинирование стекла – это способ помещения слоя полимера между минимум двумя слоями стекла. Это возможно двумя способами — стекла с полимером можно прессовать или жидкий полимер можно заливать на такие слои.
Сырье
Большинство веществ, необходимых в процессе производства стекла, имеют минеральное происхождение. К ним относятся: песок, известняк, доломит, ангидрит. Однако используются и вещества, являющиеся продуктами химической промышленности – например, сода. В настоящее время все большее значение придается вторсырью, то есть стеклобою. Его разделяют на два вида – собственно стеклобой, созданный в процессе производства, который после измельчения пригоден для переработки, и стеклянные отходы, т. е. материалы, бывшие в употреблении, которые должны быть очищены для повторного использования.
Переработка стекла
Ключевым аспектом является того, что не каждое стекло подлежит вторичной переработке. Стеклобой является очень важным вторичным сырьем, но такие материалы, как тара, неразрывно связанная с другим сырьем, керамика, линзы для очков, термостойкие стекла, лампочки, шприцы и т.п. не пригодны для переработки. Переработка стекла — это многоэтапный процесс, и первый этап — это надлежащая сортировка отходов. В центре переработки происходит взвешивание и проверка отходов на пригодность для повторной переработки. Следующим этапом является дробление и очистка от этикеток и мелких загрязнений ранее отделенных материалов. После первичной очистки отходы разделяются по цветам и транспортируются на стекольный завод. Именно на таких установках они переплавляются при 1200°С в стекломассу, из которой образуются новые продукты. Что интересно – стекло, в отличие от бумаги или пластика, можно перерабатывать практически бесконечно. Свойства стекла после переплавки не меняются.