Дипломная работа: Химическая устойчивость натрий-кальциевых и химико-лабораторных стекол

- Кварцевые стекла получают из чистого песка. Это очень термостойкое стекло и из него изготовляют лабораторную посуду, а также медицинские лампы, которые пропускают ультрафиолетовые лучи.

- Боросиликатные стекла. В их состав входят соединения бора (12,5℅). Из них изготовляют кухонную посуду (кастрюли, сковороды), которые выдерживают большую температуру. Это жаростойкие стекла.

- Ситаллы получают путем управляемой кристаллизацией. Стекло может быть прозрачным и непрозрачным. Из ситаллов изготовляют посуду, подносы для микроволновых печей.

Обычные стекла — известково-натриевое, известково-калиевое, известково-натриево-калиевое.

Стекла данной группы характеризуются прозрачностью, прочностью, невысокой себестоимостью.

Наиболее дешевым представителем стекол данной группы является известково-натриевое (содовое), или натрий-кальций-силикатное, которому присущи в разной степени выраженности цветовые оттенки (зеленоватые, желтоватые, сероватые и др.). Вырабатывают из данного стекла посуду хозяйственного назначения (банки, бутылки) и дешевую, обычно бесцветную, столовую посуду повседневного ассортимента.

Известково-калиевое (поташное), или калий-кальций-магний-силикатное, стекло обладает более высокой термостойкостью, повышенным блеском и прозрачностью; используется для выработки высококачественной посуды. Калий-кальций-силикатное стекло благодаря вводимому оксиду калия обладает большей бесцветностью, что позволяет улучшить изделия с точки зрения эстетических свойств, как бесцветные, так и окрашенные (достигается большая чистота цвета). Данное стекло несколько дороже, его используют в основном для производства столовой 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.

Все свойства стекла подразделяются на две группы: физико-химических свойств и химические.

Основными показателями физико-химических свойств стекол являются их плотность, прочность, хрупкость, твердость, теплопроводимость, тепловое расширение, термическая стойкость, прозрачность.

Химические свойства стекол характеризуются, прежде всего, химической устойчивостью, т.е. способностью противостоять разрушающему действию химических реагентов (щелочей, кислот, влаги, солей и др.). Химическая стойкость посудных стекол определяется 3-4м классом из 5 принятых. К первому классу с наибольшей химической устойчивостью относя специальные стекла. В их состав для повышения данного показателя вводят редкоземельные элементы (лантан, цирконий, литий), на поверхность наносят кремнеорганические пленки.

Отметим отличительные черты стекол. Обычные наиболее легкие, хрупкие, достаточно твердые и термостойкие, имеют средние показатели оптических свойств (пропускание, преломление и отражение света).

Хрустальные стекла значительно плотнее, а, следовательно, тяжелее, мягче обыкновенных, термически и химически менее устойчивы, однако по оптическим свойствам значительно обходят обыкновенные.

Боросиликатные стекла по плотности и по массе занимают промежуточное место: из-за зеленоватого цвета по оптическим свойствам значительно уступают первым двум, однако превосходят их по плотности.

Столовая (сортовая) посуда объединяет изделия различного функционального назначения. Это разнообразные по способам производства, видонаименованиям и фасонам изделия. Они вырабатываются из бесцветного, цветного стекла и со стекла с на цветом различных цветов и оттенков. Фасон определяется его формой (коническая, цилиндрическая, специфическая и т.д.). По размерам крупные ( высота или диаметр 250мм, емкость более 250см куб.), мелкими (соответственно 100мм. и 10см куб.) и средними.

1.1.10  Физико-химеческие свойства изделий из стекол разнохимического состава

Показателями ряда потребительских свойств изделий являются показатели физико-химических свойств стекла.

Плотность стекла изменяется от 2,2 г/см3 у кварцевого стекла до 3,0г/см3 и более у высокосвинцового хрусталя 2.5-2.9 г/ Зависит она в основном от наличия в составе стекла оксидов тяжелых металлов (свинца, бария, цинка) и влияет на массу изделий, оптические и термические свойства. С увеличением плотности возрастает показатель преломления света, блеск и игра света в гранях, однако термостойкость, прочность и твердость снижаются. [1]

Механические свойства стекла характеризуются отсутствием пластических деформаций, высокой прочностью при сжатии (500—800 МПа) и низкой при растяжении, изгибе (25—100 МПа) и особенно при ударе (15—20 МПа). Прочность зависит от химического состава: увеличивается от наличия в составе стекла SiO2, Аl2Оз, В2Оз, МgО и уменьшается от присутствия щелочных оксидов, РЬО. Однако решающее влияние оказывает внутренняя структура стекла, состояние поверхности, наличие на ней дефектов. Прочность повышают путем закалки, ионного обмена в расплавах солей, нанесения на поверхность оксидно-металлических покрытий и другими приемами.

Термические свойства стекла характеризуются весьма низкой теплопроводностью, значительной теплоемкостью и термическим расширением. Термическая устойчивость изделий увеличивается с повышением механической прочности стекла, теплопроводности и с уменьшением термического расширения и теплоемкости. Мерой термостойкости служит перепад температур, который выдерживает изделие без разрушения. Термостойкость кварцевого стекла — 1000°С, посуды из сортового стекла — 95°, посуды из ситаллов — 300—600°С.

Все методы, повышающие механическую прочность, одновременно улучшают и термостойкость.

Оптические свойства стекла разнообразны. Стекла могут быть прозрачными (коэффициент пропускания 0,85 и более) и в разной степени заглушенными, бесцветными и окрашенными, с поверхностью блестящей и матовой. Оптические характеристики стекол — показатели преломления и средней дисперсии, коэффициенты отражения и пропускания; показатели цвета во многом определяют эстетические достоинства посуды. Особенно важна способность стекла воспринимать окраски, которые повышают эмоциональную выразительность изделий. [19]

Химическая устойчивость стекла определяет назначение и надежность изделий. Она весьма высока особенно по отношению к воде, органическим и минеральным кислотам (кроме плавиковой). Щелочи и карбонаты щелочей действуют более агрессивно. Плавиковая кислота растворяет стекло и поэтому используется для нанесения на стекло узоров, матирования и химической полировки изделий.

Твердость — способность стекла оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. Твердость стекла по шкале Мооса равна 7. Некоторые виды стекол бывают твердостью 5—6 по шкале Мооса.

Хрупкость. В области низких температур (ниже tg - температуры стеклования) стекло наряду с алмазом и кварцем относится к идеально хрупким материалом, т.е. способно разрушаться под действием механических напряжений без заметной пластической деформации. Поскольку хрупкость четче всего проявляется при ударе, ее характеризуют прочностью на удар, которую определяют работой удара, отнесенной к единице объема разрушаемого образца, называемой удельной ударной вязкостью. Прочность стекла на удар зависит от многих факторов. Введение В203 (до 12%) повышает прочность на удар почти вдвое, введение МgO, Fе2О3, увеличение содержания SiO2 - на 5...20%. Для силикатных стекол ударная вязкость составляет 1,5...2 кН/м, что на 2 порядка ниже, чем у металлов.

-Развитие стекольного производства – один из составляющих факторов развития экономики нашей страны. Для изготовления бытовой посуды и декоративных изделий используют оксидные стекла, в которых основными стеклообразователями являются оксиды кремния, бора, алюминия и др. Производство стеклянных изделий состоит из обработки сырья, составления шихты, варки стекломассы, формования и отжига изделий, первичной и декоративной их обработки. Потребительские свойства и основные признаки ассортимента стеклянных изделий формируются на стадии проектирования и конструирования при создании опытных образцов и в процессе серийного изготовления. Ассортимент стеклянных товаров достаточно динамичен и изменяется в связи с постоянным развитием науки, состоянием технологии производства, характером потребительского спроса, сменой стилевых направлений.

1.1.11  Ассортимент изделий из химически и термически стойких стекол, их состав свойства технология изготовления

В соответствии с назначением стекла и техникой изготовления из него изделий и аппаратуры, к химико-лабораторныму стеклу предъявляются три основных требования:

- высокая химическая стойкость по отношению к различным реагентам (атмосферной влаге, парам воды, растворам кислот и т.д.)

- высокая термическая стойкость способность к обработке на стеклодувной горелке

- высокой химической устойчивости

Разнообразие требований по химической и термической устойчивости, вызвано различием условий эксплуатации. Промышленные стекла отличаются пониженным содержанием оксидов, щелочей. В качестве стеклообразующих компонентов, помимо SiO2, таких оксидов как B2O3, Al2O3, TiO2 и ZrO2 повышающих химическую устойчивость стекла. По химическому составу лабораторные стекла делят на 4 группы

1 группа- натрий-кальций-селикатные стекла содержащие до 15% щелочных оксидов металлов преимущественно Na2O, 5-10% CaO, 1.5-4% Al2O3 в некоторых случаях 3-4% B2O3 К этой категории относятся стекла №23, №29, КС-34 и д.р. Стекла первой группы отличаются относительно легкой плавкостью что позволяет их формировать различной формы. Однако высокое содержание в них оксидов щелочных обуславливает их высокий ТКЛР и низкую термостойкость 80-90 

2 группа относят алюмобораселикатные с пониженным содержание оксидов щелочных металлов. Содержание SiO2 в них достаточно высоко (74-80%) B2O3 6-8%, Al2O3 2-7%, Na2O 3.5-10%.Это группа наиболее распространена в промышленности в основном применяются стекла типа пирекс. По ТРЛР и термостойкости в этой группе можно выделить стекла двух типов. К первому относят стекла более высокой концентрации Na2O (6-10%), B2O3 (3-9%) и R2O (5%). Особенностью стекла является высокой устойчивостью к воде и растворам кислот но низкой устойчивостью к растворам щелочей и склонностью к кристаллизации в широком интервале температур.

3 группа относятся алюмоселикатные безборные и мало борные стекла. Концентрация Al2O3 (15-18.5%) B2O3 не выше (5%) Na2O (1-6.5%)-в некоторых стеклах отсутствует. Обязательным компонентом является щелочноземельные металлы MgO, CaO, BaO обычно вводимые совместно. Особенность высокая температура размягчения (680-750) электороизоляционными свойствами низким ТКЛР, повышенной термостойкостью (150-200однако мение кислостойки обусловлено малым содержанием SiO2.

4 группа составляет высокотермостойкие кварцевые и кварцоидные стекла с содержанием SiO2 не менее 95%. Обладают высокой устойчивостью к воде растворам кислот и другим кислым средам. При сочетании высокой термостойкости более 780℃ и температурой размягчения 1710℃ оно представляет собой уникальный материал для изготовления термостойкой химико-лабораторной посуды.

Особая группа стекол составляет цирконий содержащие обладающие высокой устойчивостью к растворам щелочей в 5-8 раз превышающие устойчивость промышленных стекол. К такие стекла маркируются «Щ» содержащие до 14% ZrO2, R2O (8-14%). Эти стекла характеризуются высокой термостойкостью, температурой размягчения 700-730℃ и высокой водоустойчивостью.

На основе теоретического обзора литературы можно сделать следующие выводы.

Стеклянные предприятия России и мире расположены на базе местного сырья. Основные значения имеют кварцевые пески, лучшею продукцию по свойствам выпускает предприятие Саратовского стеклозавода, Неман, Киевский и львовский заводы стекла, предприятия Чехии и Словакии, Италии, Японии.

Свойства стекла зависят от химического состава. Имеет значение так же метод выработки, термической обработки, технология приготовки и обработки сырья.

Дан анализ ассортимента из известково-натриевых и известково-калиевых стекол (посуда и художественно декоративные изделия).

На материалах завода «Дружная горка» изучен ассортимент продукции с повышенными термическими, механическими и химическими свойствами. За основу была продукция применяемая для оснащения химических и учебных лабораторий: медицинские стекла, стекла и изделия для пищевой промышленности, кварцевые стекла. По химическому составу эти стекла, в основном алюмоборосиликатные.

На методиках предприятия изучены режим отжига и закалки химически устойчивых и упрочненных стекол.

1.2  Экспериментальная часть

1.2.1 Исследования свойств стеклянной продукции

Экспериментальная часть посвящена определению химической устойчивости стеклоизделий по отношению к воде, кислотам и щелочным средам. Стекла разного химического состава имея разную степень разрушения в названных средах. Высокую химическую стойкость обуславливает двуокись кремния SiO2. Повышают химическую стойкость так же окись кальция CaO, разноземельные элементы, окись Алюминия Al2O3, окись магния MgO. Понижают химическую стойкость щелочные окислы металлов (Na2O, K2O).

В последние годы предприятиями мира и России разработано множество составов стекол с повышенной химической устойчивостью, которые применяются для изготовления посуды, художественно декоративных изделий, в оптике, медицине, приборостроения, множество разнообразных новых рецептов, ряд которых представлен в (таблице №1.3.). Особый интерес представляют химико-лабороторные стекла марок ХС, АБ-1, НС-3,цирконевые Ц-32, щелочно-устойчивые Щ-26, иенское-20

Таблица №1.3. Составы химико-лабораторных стекол

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12