Химия и пластмассы

Изготовление и характеристики силикатного стекла. Кварцевое стекло

Cтраница 1


Силикатное стекло используется для изготовления футеровочных плиток и в качестве конструкционного материала для труб (ГОСТ 8894 - 58), отводов, тройников, холодильников, ректификационных колонок и другого оборудования.  

Силикатное стекло широко применяется для изготовления лабораторной посуды и приборов. Такое стекло должно иметь высокую химическую и термическую стойкость. Основным компонентом, сообщающим стеклу эти свойства, является окись бора. Содержание окиси бора в стекле не должно превышать 13 %, так как при более высоком ее содержании понижается химическая стойкость стекла.  

В зависимости от их физико-химических свойств коррозионные пленки оказывают важное влияние на последующую разработку процесса коррозии, ее кинетику, приводящую ее в большей или меньшей степени. В отличие от химической коррозии металлы, контактирующие с хорошими электропроводящими растворами, корродируются электрохимически. Затем раствор и металл пропускают через электрический ток, генерируемый электрохимическими процессами, которые происходят на границе двух фаз.

Для этого типа коррозии необходимо иметь анод, катод, электролит и проводник, поэтому гальванический элемент. Исключая одно из этих условий, электрохимическая коррозия не возникает. Как и в промышленной практике, обычно используемые металлы являются гетерогенными, их можно считать выполненными из электродов, короткозамкнутых через один и тот же металл. Вводя металл в воду или окружающую среду с электролитическими свойствами, на поверхности металла появляются гальванические элементы, в которых металлические примеси функционируют как микрокатолы с выделением водорода на их поверхности, а металл, действуя как анод, растворяется.


Силикатное стекло представляет собой сплав силикатов, находящийся в переохлажденном состоянии.  

Силикатное стекло (сплав кварцевого песка с окислами металлов), которое было попользовано в первых электрических конденсаторах, обладает технологическими преимуществами по сравнению с кварцевым.  

Силикатное стекло применяется в оборудовании в основном в виде стеклянных труб и плоских круглых стекол. Ремонт в данном случае заключается в замене поврежденных деталей. При этом выполняются такие операции, как резка стеклянных труб, вырезка круглых стекол, выполнение отверстий в стекле.  

Типичные примеры электрохимической коррозии встречаются в случае атмосферной коррозии и коррозии, вызванных электрически рассеивающимися токами в почве, называемыми блуждающими токами. В практических проблемах коррозии важно знать реальные скорости, с которыми происходит процесс. Если процесс коррозии возможен, но имеет очень низкую скорость, материал можно считать коррозионностойким. Скорость коррозии выражается массой металла, разрушенного на поверхностном блоке в единице времени или глубине, на которой произошли разрушения в единице времени.


Силикатное стекло обладает высокой прозрачностью, хорошей механической прочностью, стойкостью к воздействию химических реагентов, низкой теплопроводностью. Стекольная промышленность выпускает много сортов стекол, отличающихся свойствами и целевым назначением. Основу силикатных стекол составляет диоксид кремния S1O2 (65 - 75 %), в качестве добавок используют оксиды щелочных и щелочноземельных металлов (Na2O, K O, CaO, MgO) и кислотные оксиды.  

Знание этих показателей позволяет правильно выбирать материал в зависимости от характера окружающей среды, который определяет правильную калибровку установок и справедливую оценку их срока службы. Методы коррозионной защиты металлических материалов. Защита от коррозии - это общая мера, принятая для того, чтобы технические материалы не подвергались агрессивному воздействию агрессивных сред. Методы и средства антикоррозионной защиты очень разнообразны и многочисленны; они в принципе могут быть сгруппированы в следующие категории.

Использование коррозионно-стойких металлов и сплавов. Методы воздействия на коррозионную среду. Методы покрытия металлических поверхностей. Меры по предотвращению коррозии состоят из. Правильный выбор материалов, используемых при строительстве промышленных машин и оборудования с точки зрения коррозионной стойкости.

Силикатное стекло широко применяется в качестве конструкционного и футеровочного материала. Их него изготавливают холодильники со змеевиками, ректификационные колонны, отдельные элементы аппаратуры.  

Силикатные стекла получают путем плавления шихты, состоящей из песка, алюмосиликатов, боросиликатов, соды и других компонентов. В зависимости от состава шихты температура ее плавления равна 1250 - 1450 С. Изделия из силикатных стекол получают методами литья, раздува, протяжки.  

Избегать контакта металла с более электроотрицательным металлом, например, алюминия со сплавами из медных или легированных сталей, бронзы в контакте со сталью и т.д. Также избегается контактирование металлов, измельченных с отожженными или литыми металлами, поскольку из-за разности электрохимических потенциалов между ними присутствие соответствующего электролита, первое из них корродировано.

Более тщательная обработка поверхности металла, поскольку трение и трение благоприятствуют и ускоряют коррозию. Коррозия представляет собой химическую, электрохимическую или биохимическую реакцию под действием среды, в которой вещество разрушается, растворяется или уменьшается частично или полностью. Термин «коррозия» особенно используется для определения постепенного воздействия на металлы природных агентов, таких как воздух или соленая вода.

Виды стекла

Кварцевое стекло

Кварцевое стекло получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты. Кварцевое стекло состоит из диоксида кремния SiO 2 и является самым термостойким стеклом: коэффициент его линейного расширения в пределах 0 - 1000 °С составляет всего 6х10 -7 . Поэтому раскаленное кварцевое стекло, опущенное в холодную воду, не растрескивается.

Наиболее распространенным примером коррозии является ржавое железо, сложная химическая реакция, в которой железо сочетается как с кислородом, так и с водой с образованием оксида железа. Оксид представляет собой твердое вещество, которое сохраняет ту же общую форму металла, из которого он был образован, но более пористый и громоздкий, будучи слабым и хрупким.

Три способа можно использовать для предотвращения ржавления железа. Создание железного сплава для защиты от коррозии. Добавляя слой материала, который реагирует с коррозионными веществами намного быстрее, чем железо, так как слой потребляется, железо защищено.

Температура размягчения кварцевого стекла, при которой достигается динамическая вязкость 10 7 Пуаз (10 Пахс) равна 1250 °С . При отсутствии значительных перепадов давления кварцевые изделия можно применять до этой температуры. Полное же плавление кварцевого стекла, когда из него можно изготавливать изделия, наступает при 1500-1600 °С.

Покрытие непроницаемым слоем, чтобы воздух и вода не доходили до железа. Создание железного сплава - лучший способ защиты, но также и самый дорогой. Примером может служить нержавеющая сталь, которая получается путем объединения хрома или хрома и никеля с железом. Этот сплав не полностью нержавеющий, но также устойчив даже к сильным коррозионным веществам, таким как азотная кислота.

Второй способ, защищающий активным металлом, также удовлетворяет, но дорого. Наиболее подходящим примером является метод гальванизации, где железо покрывается слоем цинка. В присутствии коррозионных растворов возникает электрический потенциал между железом и цинком, что приводит к растворению цинка и защите железа в течение всего периода существования цинка.

Известно два сорта кварцевого стекла: прозрачный кварц и молочно-матовый . Мутность последнего вызвана обилием мельчайших пузырьков воздуха, которые при плавке стекла не могут быть удалены из-за высокой вязкости расплава. Изделия из мутного кварцевого стекла обладают почти такими же свойствами, как и изделия из прозрачного кварца, за исключением оптических свойств и большей газовой проницаемости.

Третий способ, а именно защита поверхности железа с непроницаемым слоем, является самым дешевым из всех и, следовательно, наиболее часто используемым. Он соответствует требованиям защиты от железа, если на пальто нет трещин. Как только слой треснут, ржавление начинается, по крайней мере, так быстро, как если бы он не защищал. Если защитный слой состоит из неактивного металла, такого как олово или хром, создается электрический потенциал, защищающий защитный слой, но повреждающий железо, позволяя ржавчине действовать на более высокой скорости.

Поверхность кварцевого стекла обладает незначительной адсорбционной способностью к различным газам и влаге, но имеет наибольшую газопроницаемость среди всех стекол при повышенной температуре. Например, через кварцевую трубку со стенками толщиной в 1 мм и поверхностью 100 см 2 при 750 °С за один час проникает 0,1 см 3 Н 2 , если перепад давлений составляет 1 атм (0,1 МПа).

Наиболее эффективными защитными слоями являются эмали, а самыми дешевыми являются специальные краски, такие как свинцовые мины. Некоторые металлы, такие как алюминий, даже если они очень химически активны, не показывают коррозионных следов в нормальных атмосферных условиях. Фактически, алюминий быстро окисляется, а тонкий, сплошной и прозрачный оксидный слой образуется на металле, защищая его от быстрого разложения ржавчины. Свинец и цинк, даже если они более неактивны, чем алюминий, так же защищены этими тонкими оксидными слоями.

Медь, сравнительный металл, медленно окисляется воздухом и водой в присутствии слабых кислот, таких как углекислота, с образованием зеленого и пористого вещества, которое представляет собой не что иное, как карбонат меди. Эти зеленые продукты коррозии, прозванные и кохлеарные, появляются на медных сплавах, таких как латунь или бронза, а также на чистой меди.

Кварцевое стекло следует тщательно предохранять от всяких загрязнений, даже таких как жирные следы от рук. Перед нагреванием кварцевого стекла имеющиеся на нем непрозрачные пятна снимают при помощи разбавленной фтороводородной кислоты, а жировые - этанолом или ацетоном.

Кварцевое стекло устойчиво в среде всех кислот , кроме HF и Н 3 РO 4 . На него не действуют до 1200 °С С1 2 и НСl, до 250 °С сухой F 2 . Нейтральные водные растворы NaF и SiF 4 разрушают кварцевое стекло при нагревании. Оно совершенно непригодно для работ с водными растворами и расплавами гидроксидов щелочных металлов.

Некоторые металлы, также называемые благородными металлами, настолько химически неактивны, но они не страдают от коррозии в атмосфере. К ним относятся палладий, золото и платина. Комбинация воды с воздухом и сероводородом действует на серебро, которое является полу-благородным металлом, но количество присутствующего в атмосфере количества сульфата водорода настолько мало, что степень коррозии пренебрежимо мала, за исключением потери люстры и черного цвета цвет, который обусловлен образованием сульфата серебра.

Металлическая коррозия - большая проблема, чем другие материалы. Стекло корродируется под действием щелочных растворов и бетона под действием сульфатно-стойких растворов. Сопротивление этих материалов может быть значительно увеличено путем изменения их состава.

Кварцевое стекло при высокой температуре сохраняет свои электроизоляционные свойства. Его удельное электрическое сопротивление при 1000 °С равно 10 6 Омхсм.

Обычное стекло

К обычным стеклам относятся известково-натриевое, известково-калиевое, известково-натриево-калиевое.

Известково-натриевое (содовое ), или натрий-кальций-магний-силикатное, стекло применяют для выработки оконных стекол, стеклотары, столовой посуды.

Из-за коррозионной стойкости и твердости керамических материалов производители часто используют эмали для покрытия металла и защиты. Полуплавкие частицы пыли прилипают к металлу, а после охлаждения образуют сильный слой эмали. Бытовые приборы, такие как холодильники, печи, стиральные машины и сушилки, часто покрываются эмалевым покрытием.

На открытом воздухе, сушат при нормальной и более низкой температуре, алюминий очень хорошо сохраняется, поскольку он покрывает тонкий слой оксида, адгезивный и компактный. Дождь, дистиллированная или питьевая вода не нападает на него. Их нагревание вызывает увеличение толщины исходного оксидного слоя. Соленая вода только нападает на поверхность.

Известково-калиевое (поташное ), или калий-кальций-магний-силикатное, стекло обладает более высокой термостойкостью, повышенным блеском и прозрачностью; используется для выработки высококачественной посуды.

Известково-натриево-калиевое (содово-поташное ), или натрий-калий-кальций-магний-силикатное, стекло имеет повышенную химическую стойкость, благодаря смешению окислов натрия и калия; наиболее распространено в производстве посуды.

В сухом воздухе получается очень тонкий слой с электрическими изоляционными свойствами. Когда водород не реагирует, он растворяется в жидких и твердых оксидах алюминия. С галогеном он энергично реагирует. С фосфором реагирует 600 ° С, с образованием очень гигроскопичного фосфида алюминия, используемого для образования некоторых веществ.

Интенсивное окисление порошкообразных берилов происходит при значительно более низких температурах. При нормальной температуре он не реагирует с сухим или влажным воздухом. Высокочистое железо отличается коррозионной стойкостью. Коррозионная стойкость в атмосфере и нейтральные растворы железа также возрастают за счет легирования, в частности, с небольшими пропорциями меди.

Боросиликатное стекло

Стекла с высоким содержанием SiO 2 , низким - щелочного металла и значительным - оксида бора B 2 O 3 называются боросиликатными. Борный ангидрид действует как флюс для кремнезема, так что содержание щелочного металла в шихте может быть резко уменьшено без чрезмерного повышения температуры расплавления. В 1915 фирма Корнинг гласс уоркс начала производить первые боросиликатные стекла под торговым названием Пирекс . Стекло марки Пирекс является боросиликатным стеклом с содержанием не менее 80% SiO 2 , 12-13% В 2 O 3 , 3-4% Na 2 О и 1-2% Аl 2 О 3 . Оно известно под разными названиями: Корнинг (США), Дюран 50, Йенское стекло G 2 0 (Германия), Гизиль , Монекс (Англия), ТС (Россия), Совирель (Франция), Симакс (Чехия).

При повышении температуры выше примерно 475 ° С скорость окисления значительно возрастает и приводит к разрушению защитной пленки. Пресная вода с хлором, фосфатом, сульфатом, нитратными ионами нападает на магний. На него также нападают морские и соленые воды.

С кислородом они образуют основные оксиды, амфоры и кислоты. Методы покрытия металлических поверхностей антикоррозионными покрытиями. Защита с помощью антикоррозионных покрытий достигается за счет покрытия металла тонким слоем самозащитного материала. Уровень самозащиты должен удовлетворять следующим условиям.

В зависимости от конкретного состава стойкость к термоудару таких стекол в 2-5 раз выше, чем у известковых или свинцовых; они обычно намного превосходят другие стекла по химической стойкости и имеют свойства, полезные для применения в электротехнике.

Температура размягчения стекла «пирекс» до динамической вязкости в 10 11 пуаз (10 10 Пас) составляет 580-590 °С. Тем не менее стекло пригодно для работ при температурах до 800 °С, но без избыточного давления. При использовании вакуума температуру изделий из стекла «пирекс» не следует поднимать выше 650 °С. В отличие от кварцевого стекло «пирекс» до 600 °С практически непроницаемо для Н 2 , Не, O 2 и N 2 . Фтороводородная и нагретая фосфорная кислоты, так же как и водные растворы (даже 5%-ные) КОН и NaOH, а тем более их расплавы, разрушают стекло «пирекс».

Быть достаточно эластичным и пластичным. Его толщина должна быть более однородной. Защитный слой может быть металлическим или неметаллическим; металл, нанесенный на поверхность защищенного металла, может быть выполнен: гальваническим, термическим и облицовочным. Неметаллические защитные слои могут быть органическими или неорганическими, изготовленными с использованием лаков, красок, эмалей, пластиковых пленок и т.д.

Выбор того или иного метода защиты основывается на. Технологические параметры работы установки. Форма и размеры защищаемого объекта. Качество материала носителя. Местоположение объекта, подлежащего защите при установке. Прикладные технологии и возможности для реализации антикоррозийной защиты.

Хрустальное стекло

Хрустальные стекла (хрусталь) — высокосортные стекла, обладающие особым блеском и способностью сильно преломлять свет. Различают свинцовосодержащие и бессвинцовые хрустальные стекла.

Свинцовосодержащие хрустальные стекла — свинцово-калиевые стекла, вырабатывают с добавлением окислов свинца, бора и цинка. Характеризуются повышенным весом, красивой игрой света, мелодичным звуком при ударе; применяют для производства высококачественной посуды и декоративных изделий. Наибольшее применение имеет хрусталь с содержанием от 18 до 24% окислов свинца и 14—16,5% окиси калия (легкий).

Затенение - это металлургический процесс для склеивания слоев одинаковых или разных металлов. Результирующая комбинация, которая часто происходит по низким ценам, может обладать свойствами твердости, проводимости и коррозионной стойкости, которые не могут быть сопоставлены чистым металлом. Примером такого металла является так называемое выдувное золото, состоящее из латунного сердечника или стали, покрытой золотым слоем на поверхности. Глянцевые компоненты самолета могут иметь толстый слой из твердого алюминиевого сплава внутри, а затем тонкие слои из чистого алюминиевого листа, которые являются коррозионно-стойкими.

К бессвинцовым хрустальным стеклам относятся баритовое, лантановое и др.

Баритовое стекло содержит повышенное количество окиси бария. Обладает лучшим блеском, более высокой светопреломляемостью и удельным весом по сравнению с обычными стеклами, применяют как оптическое и специальное стекло.

Лантановое стекло содержит окись лантана La 2 О 3 и лантаниды (соединения лантана с алюминием, медью и др.). La 2 О 3 повышает светопреломление. Отличается высоким качеством; применяется как оптическое .

Свойства стекла

Плотность стекла зависит от его химического состава. Плотность — отношение массы стекла при данной температуре к его объему, зависит от состава стекла (чем больше содержание тяжелых металлов, тем стекло плотнее), от характера термической обработки и колеблется в пределах от 2 до 6 (г/см 3). Плотность — постоянная величина, зная ее, можно судить о составе стекла. Наименьшей плотностью обладает кварцевое стекло — от 2 до 2,1 (г/см 3), боросиликатное стекло имеет плотность 2,23 г/см 3 , наибольшей — оптические стекла с высоким содержанием окислов свинца — до 6 (г/см 3). Плотность известково-натриевого стекла составляет около 2,5 г/см 3 , хрустального — 3 (г/см 3) и выше. Табличным значением плотности стекла является диапазон от 2,4 до 2,8 г/см 3 .

Прочность . Прочностью называется способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Прочность характеризуется пределом прочности. Предел прочности на сжатие для различных видов стекла колеблется от 50 до 200 кгс/мм 2 . На прочность стекла оказывает влияние его химический состав. Так, окислы СаО и B 2 O 3 значительно повышают прочность, РbО и Al 2 O 3 в меньшей степени, MgO, ZnO и Fe 2 O 3 почти не изменяют ее. Из механических свойств стекол прочность на растяжение является одним из важнейших. Объясняется это тем, что стекло работает на растяжение хуже, чем на сжатие. Обычно прочность стекла на растяжение составляет 3,5—10 кгс/мм 2 , т. е. в 15—20 раз меньше, чем на сжатие. Химический состав влияет на прочность стекла при растяжении примерно так же, как и на прочность при сжатии.

Твердость стекла, как и многие другие свойства, зависит от примесей. По шкале Мооса она составляет 6-7 ед, что находится между твёрдостью апатита и кварца. Твердость различных видов стекла зависит от его химического состава. Наибольшую твердость имеет стекло с повышенным содержанием кремнезема — кварцевое и боросиликатное . Увеличение содержания щелочных окислов и окислов свинца снижает твердость; наименьшей твердостью обладает свинцовый хрусталь.

Хрупкость — свойство стекла разрушаться под действием ударной нагрузки без пластической деформации. Сопротивление стекла удару зависит не только от его толщины, но и от формы изделия, наименее устойчивы к удару изделия плоской формы. Для повышения прочности к удару в состав стекла вводят окислы магния, алюминия и борный ангидрид. Неоднородность стекломассы, наличие дефектов (камней, кристаллизации и других) резко повышают хрупкость. Сопротивление стекла удару увеличивается при его отжиге. В области относительно низких температур (ниже температуры плавления) стекло разрушается от механического воздействия без заметной пластической деформации и, таким образом, относится к идеально хрупким материалам (наряду с алмазом и кварцем). Данное свойство может быть отражено удельной ударной вязкостью. Как и в предыдущих случаях, изменение химического состава позволяет регулировать и это свойство: например, введение брома повышает прочность на удар почти вдвое. Для силикатных стекол ударная вязкость составляет от 1,5 до 2 кН/м, что в 100 раз уступает железу. На хрупкость, стекол влияют однородность, конфигурация и толщина изделий: чем меньше посторонних включений в стекле, чем более оно однородно, тем выше его хрупкость. Хрупкость стекол практически не зависит от состава. При увеличении в составе стекол B 2 O 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO хрупкость незначительно понижается.

Прозрачность - одно из важнейших оптических свойств стекла. Определяется отношением количества прошедших через стекло лучей ко всему световому потоку. Зависит от состава стекла, обработки его поверхности, толщины и других показателей. При наличии примесей окиси железа прозрачность уменьшается.

Термостойкость стекла характеризуется его способностью выдерживать, не разрушаясь, резкие изменения температуры и является важным показателем качества стекла. Зависит от теплопроводности, коэффициента термического расширения и толщины стекла, формы и размеров изделия, обработки поверхности, состава стекла, дефектов. Термостойкость тем выше, чем выше теплопроводность и ниже коэффициент термического расширения и теплоемкость стекла. Толстостенное стекло менее термостойко, чем тонкое. Наиболее термостойко стекло с повышенным содержанием кремнезема, титана и бора. Низкую термостойкость имеет стекло с высоким содержанием окислов натрия, кальция и свинца. Хрусталь менее термостоек, чем обычное стекло. Термостойкость обыкновенного стекла колеблется в пределах 90—250 °С, а кварцевого : 800—1000°С. Отжиг в специальных печах повышает термостойкость в 2,5—3 раза.

Теплопроводность — это способность материала, в данном случае стекла, проводить тепло без перемещения вещества этого материала. У стекла коэффициент теплопроводности равен 1-1,15 Вт/мК.

Тепловое расширение — это увеличение линейных размеров тела при его нагревании. Коэффициент линейного теплового расширения стекол колеблется от 5·10 -7 до 200·10 -7 . Самый низкий коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло — 5,8·10 -7 . Величина коэффициента термического расширения стекла в значительной степени зависит от его химического состава. Наиболее сильно на термическое расширение стекол влияют щелочные окислы: чем больше содержание их в стекле, тем больше коэффициент термического расширения. Тугоплавкие окислы типа SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, а также B 2 O 3 , как правило, понижают коэффициент термического расширения.

Упругость — способность тела возвращаться к своей первоначальной форме после устранения усилий, вызвавших деформацию тела.

Упругость характеризуется модулем упругости. Модуль упругости — величина, равная отношению напряжения к вызванной им упругой относительной деформации. Различают модуль упругости при осевом растяжении — сжатии (модуль Юнга, или модуль нормальной упругости) и модуль сдвига, характеризующий сопротивление тела сдвигу или сколу и равный отношению касательного напряжения к углу сдвига.

В зависимости от химического состава модуль нормальной упругости стекол колеблется в пределах 4,8х10 4 ...8,3х10 4 , модуль сдвига —2х10 4 —4,5х10 4 МПа. У кварцевого стекла модуль упругости составляет 71,4х10 3 Мпа. Модули упругости и сдвига несколько повышаются при замене SiO 2 на СаО, B 2 O 3 , Al 2 O 3 , MgO, ВаО, ZnO, PbO.

Свойства стекла производства Corning

Код стекла 0080 7740 7800 7913 0211
Тип Силикатное Боро-силикатное Боро-силикатное 96% Силиката Цинково-титановое
Цвет Прозрачное Прозрачное Прозрачное Прозрачное Прозрачное
Термическое расширение (умножать на 10-7 см/см/°С) 0-300 °С 93,5 32,5 55 7,5 73,8
25 °С, до темп. застывания 105 35 53 5,52 -
Верхний предел рабочей темп. для отожженого стекла (для механических свойств) Норм. эксплуатация, °С 110 230 200 900 -
Экстрем. эксплуатация, °С 460 490 460 1200 -
Верхний предел рабочей темп. для закаленного стекла (для механических свойств) Норм. Эксплуатация, °С 220 260 - - -
Экстрем. эксплуатация, °С 250 290 - - -
6,4 мм толщиной, °С 50 130 - - -
12,7 мм толщиной, °С 35 90 - - -
Термостойкость, °С 16 54 33 220 -
Плотность, г/см3 2,47 2,23 2,34 2,18 2,57
Коэффициент оптической чувствительности по напряжениям, (нм/см)/(кг/мм2) 277 394 319 - 361