Вязкость стекла.

При движении слоев жидкости между ними образуются силы, замедляющие движение одних слоев относительно других. Эти силы пропорциональны площади соприкосновения слоев и разности скоростей их перемещения. Коэффициентом пропорциональности служит коэффициент внутреннего трения: жидкости, или вязкость. Вязкость выражают в Па • с (1 Па • с =10 пауз).

Вязкость стекла в расплавленном состоянии составляет около 10 Па • с, что примерно в 10000 раз больше вязкости воды и в 40000 раз больше вязкости расплавленной стали. Вязкость твердого стекла составляет 10¹⁴-10¹⁶ Па • с.

Вязкость стекла непрерывно и плавно возрастает при снижении температуры. Это позволяет изготавливать из стекла изделия различными способами и различных форм и размеров. В начале выработки стекло пластично и может принимать под внешним воздействием любую форму, к концу выработки его вязкость увеличивается настолько, что изделие затвердевает и способно сохранять свою форму при отжиге. Формование изделий из стекла происходит в интервале вязкости 10²-10⁸Па • с.

Вязкость стекла зависит от химического состава и от температуры. Щелочные и щелочноземельные окислы понижают вязкость стекла, а кремнезем, окись алюминия, окись циркония повышают ее.

При формовании изделий большую роль играет скорость твердения, т. е. изменение вязкости стекла во времени. Чем быстрее твердеет стекло, тем быстрее его нужно вырабатывать.

Скорость твердения стекол, как и вязкость, зависит от температуры и химического состава, а также от формы и размера изделий, первоначальной температуры стекла, удельной теплоемкости и теплопроводности стекол, от их способности излучать тепловые лучи.

В зависимости от скорости твердения (скорости нарастания вязкости) различают «длинные» и «короткие» стекла. Существуют кривые изменения вязкости стекла в зависимости от температуры.

Скорость твердения является важным элементом при выборе стекла для изготовления изделий различными способами. Например, для обработки стекол на стеклодувных горелках требуются более «длинные» стекла, для выработки стеклянной тары на автоматах - более «короткие».

При резком увеличении производительности стеклоформующего оборудования необходимо применять «короткие» стекла.

Поверхностное натяжение стекла.

Величина поверхностного натяжения в значительной мере влияет на рост газового пузыря в стекле, его подъемную силу и скорость удаления из стекломассы.

Она определяет скорость перемешивания и растворения свилей: если поверхностное натяжение стекла больше поверхностного натяжения свили, то свиль растягивается в пленку и быстро растворяется.

Поверхностное натяжение расплавов стекол в 3-4 раза больше, чем у воды, и значительно выше, чем у расплавов солей и металлов.

Поверхностное натяжение стекол мало зависит от температуры - при повышении температуры на 100° С оно уменьшается примерно на 3% от первоначальной величины. Окислы алюминия и магния увеличивают поверхностное натяжение стекла, окислы калия, натрия, бора его понижают.

Кристаллизационная способность стекла.

Кристаллизация стекла начинается с возникновения мелких кристаллов, не видимых невооруженным глазом (центров кристаллизации). Эти кристаллы при благоприятных условиях могут расти, достигая размеров в несколько сот микрометров и больше. Интенсивность кристаллизации зависит от того, какое число центров кристаллизации образуется в единицу времени и как быстро они вырастают, т. е. какова линейная скорость кристаллизации.

Влияние химического состава на кристаллизационную способность стекол носит сложный характер.

Оптические свойства стекла.

Прозрачность стекла характеризуется коэффициентом пропускания. Часть светового потока стекла отражает, а часть поглощает.

Сумма коэффициентов пропускания, отражения и поглощения равна 1, или 100%.

Кроме того, стеклам свойственно преломлять свет, т. е. изменять направление излучения при переходе через поверхность раздела стекло - воздух, или стекло - жидкость, а также двойное лучепреломление, т. е. разделение плоскополяризованного монохроматического света на два луча при прохождении через стеклоизделие, имеющее внутренние напряжения.

Окраска стекол обусловливается их избирательным поглощением в различных областях видимого спектра. Цвет стекла приобретают за счет введения в их состав ионных, молекулярных или коллоидных красителей.

К ионным красителям относятся Fe, Сu, Mn, Cr, Ni, Со и другие металлы, к молекулярным - FeS, CdS, CdSe, к коллоидным - Au, Ag и Сu.

Известно, что любой цвет можно получить смешиванием трех независимых цветов - красного, зеленого и синего. Поэтому цвет стекла можно измерить в цветовых компонентах, показывающих, какое должно быть соотношение красного, зеленого и синего цветов, чтобы получился данный цвет. Для этой цели служит треугольник цветности, по которому подбирают координаты цветности.

Кроме координат цветности при контроле качества цвета стекла используют характеристики «цветовой тон» и «чистота цвета». Цвет стекла определяют колориметрами.

Химическая устойчивость.

Разрушение поверхности стекла водой, атмосферной влагой, растворами кислот, нейтральными и кислыми растворами солей происходит за счет растворения силикатов. Растворы гидроокисей, карбонатов, фосфатов действуют не только на силикаты, но и на избыточный кремнезем.

Вещества первой группы, растворяя силикаты, не препятствуют образованию на стекле слоя, состоящего из продуктов разрушения - гелеобразной кремнекислоты, гидросиликатов, малорастворимых гидроокисей и солей металлов, избыточного кремнезема. Такой слой на стекле уменьшает скорость его разрушения.

Коррозионные агенты второй группы растворяют кремнезем, что исключает образование защитного слоя и обусловливает разрушение стекла с постоянной скоростью.

Поверхность стекла, хранящегося во влажной атмосфере, поглощает молекулы воды. Связываясь со стеклом, они образуют слой толщиной в несколько десятков молекул. Пленка воды на поверхности многощелочного стекла превращается в концентрированный раствор гидроокисей щелочных металлов, продолжающий поглощать влагу.

Вода выщелачивает из поверхности стекла растворимые силикаты калия, натрия и бария.

Силикаты тяжелых металлов (цинка и кадмия) гидролизуются водой и, будучи нерастворимыми, отлагаются в местах своего образования.

При температуре выше 60° С вода начинает растворять также кремнезем. Таким образом при повышенной температуре вода не только выщелачивает стекло, но и растворяет его. Если продукты взаимодействия воды и стекла не удаляются, а остаются в месте своего образования, то их воздействие на стекло усиливается и приближается к результатам контакта стекла и гидроокисей.

Растворы кислот вытесняют кремнекислоту из силикатов и взаимодействуют с металлами. В результате реакций на поверхности стекла образуется гель кремнекислоты, толщина его слоя составляет около 1 х 10^-7 см (1000 ангстрем). Разрушение стекла кислотой усиливается, пока ее концентрация в растворе не превышает значения, соответствующего рН 1,5. Дальнейшее увеличение концентрации приводит к замедлению, а затем и прекращению разрушения.

Действие растворов солей на стекло аналогично влиянию воды. Если растворы солей подкисляются при гидролизе, то механизм их взаимодействия со стеклом приближается к реакциям между кислотами и стеклом.

Растворы гидроокисей щелочных металлов переводят кремнезем в раствор в виде анионов SiO₄^4-, SiO₅^2-, SiO₃^2-, при этом стекло обычно теряет прозрачность. По интенсивности воздействия на стекло щелочные и щелочноземельные гидроокиси располагаются в следующем порядке:

NaOH > КОН > LiOH > NH₄OH,

Ва(ОН)₂ > Sr(ОН)₂ > Са(ОН)₂.

Увеличение концентрации раствора гидроокиси пропорционально усиливает разрушение стекла.

Существуют различные методы оценки химической устойчивости стекла: весовой, титрационный, колориметрический, кондуктометрический, потенциометрический, аналитический, радиометрический, интерференционный, фотометрический и профилографический. Объектом исследования служит порошок стекла пли поверхность стеклоизделий.

Согласно гидролитической классификации существуют пять классов стекол:

I класс - неизменяемые водой (например, кварцевое стекло);

II класс - устойчивые стекла (химико-лабораторные стекла и отдельные виды тарного стекла);

III класс - твердые аппаратные стекла (большинство тарных стекол и другие виды широко распространенных промышленных стекол);

IV класс - мягкие аппаратные стекла;

V класс - неустойчивые стекла (легко изменяемые водой).

В зависимости от метода оценки показатели химической устойчивости стекол существенно различаются.

Химическая устойчивость стекол в значительной степени зависит от их состава. Кремнезем и окись циркония всегда увеличивают химическую устойчивость стекла. Щелочные окислы, как правило, понижают ее. Влияние других компонентов определяется их содержанием и конкретным составом стекол, в которые они вводятся. Состав стекла подбирается с учетом условий эксплуатации изделий в различных по химической природе средах.

Термические свойства стекла.

К термическим свойствам стекла относятся удельная теплоемкость и теплопроводность, температуропроводность, тепловое расширение, температура стеклования и температура размягчения, термостойкость.

В зависимости от химического состава стекла удельная теплоемкость составляет 334,944-1256,04 Дж/(кг К), теплопроводность - 0,41868-0,0167472 Вт/(м К), температуропроводность - 1 х 10⁵ - 7 х 10⁵ м²/с, - коэффициент линейного термического расширения - 0-300 х 10^-7 К^-1, термостойкость - 30-1000° С.

Температуры стеклования и размягчения тарных стекол находятся в пределах 400-600 и 600-850° С.

Для тарных стекол особенно важна их термостойкость, под которой понимают способность изделий из стекла выдерживать без разрушения резкие перепады температур.

Термостойкость стекла зависит от упругости, прочности, теплопроводности, удельной теплоемкости и интенсивности теплового воздействия, а также от размеров тары.

При резких перепадах температур на охлаждаемых поверхностях стекла возникают напряжения растяжения, а на нагреваемых - сжатия. Разрушение изделия происходит в том случае, если возникшие термоупругие напряжения превысят прочность наиболее слабого места стеклоизделия, т. е. прочность поверхности, ослабленной присутствием микротрещин и других дефектов.

Прочность стекла при растяжении примерно в 10 раз меньше прочности при сжатии. Поэтому наиболее опасным для стеклоизделий является охлаждение, вызывающее растяжение его поверхностных слоев.

Таким образом, термостойкость стекла прямо пропорциональна его прочности, коэффициенту Пуассона и обратно пропорциональна коэффициенту термического расширения, модулю упругости, интенсивности охлаждения и толщине стенки изделия.

Значения термостойкости стекла в большой мере определяются условиями ее измерения, например скоростью погружения нагретого образца в холодную воду.

Термостойкость стекла уменьшается вдвое при десятикратном увеличении толщины образцов. Площадь поверхности образцов стекла в еще меньшей степени влияет на их термостойкость.