Глава 5. Стекло и стеклокристаллические материалы

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТЕКЛЕ

_ Стеклом называют твердый аморфный изотропный прозрачный материал, получаемый при охлаждении минеральных расплавов, со­держащих стеклообразующие компоненты (оксиды кремния, бора, алю­миния и др.) и оксиды металлов (лития, калия, магния, свинца и т.д.).

Изготовление стекла возникло в Древнем Египте за 3—4 тыс. лет до н.э., а затем проникло в Италию. Мастера Древнего Рима пер­выми овладели методом выдувания. На Руси стеклоизделие появи­лось в XI в. Первый стеклозавод в России был построен в 1635 г. около г. Воскресенска. Основоположником научного стеклоделия в России является М.В. Ломоносов: он организовал производство разноцветных стекол и художественных изделий из них (1752). Большой вклад в развитие науки о стекле внесли А.А. Лебедев, М.В. Гребенщиков, М.И.Китайгородский, O.K. Ботвинкин и др. До XX в. в стекольной промышленности преобладал ручной труд и лишь в XX в. началась машинная обработка стекла. В Республике Беларусь первый стеколь­ный завод был построен в 1930 г. в Гомеле. В настоящее время сте­кольная промышленность республики выпускает листовое стекло, стеклянные изделия, а также полированное стекло, архитектурно- художественные изделия, хрусталь и бытовую посуду.

5.2. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА И СВОЙСТВА СТЕКЛА

Основными сырьевыми материалами для производства стекла являются чистые кварцевые пески, известняк, доломиты, кальцини­рованная сода, поташ. Основной компонент— чистый белый песок, который составляет 60...70%. Сода или сульфат натрия, поташ сни­жают температуру варки стекла и ускоряют процесс стеклообразова- ния. Введение известняка и доломита делает стекло нерастворимым в воде, способствует осветлению, повышению химической стойкости и механической прочности.

Для придания стеклу специальных свойств и различных цветов в процессе изготовления вводят вспомогательные сырьевые материа­лы: оксид бора улучшает блеск стекла и повышает термостойкость; оксид алюминия повышает прочность и химическую стойкость; оксид свинца повышает показатель светопреломления, (его применяют в производстве декоративных изделий из стекла). Соединения марган­ца придают стеклу фиолетовую окраскуоксид кобальта— сишою, хрома — желтую и коричневую.

Производство стекла включает следующие технологические опе­рации: подготовку_^зь1рьевых материалов; приготовление шихты,парку стекла, формование изделий, термическую,, механическую.или химическую обработку. Сырьевые материалы сушат, измельчают. По­сле перемешиваюгя^н^мельченных компонентов в смесителях бара­банного типа получают шихту. Готовую шихту варят в стекловарен­ных печах при 1400... 1500 °С. Компоненты шихты при нагревании вступают в химическое взаимодействие. Продукты реакции переходят

в расплав, образуя стекломассу. Фор­мование стеклоизделий связано с особенностями изменения вязкости стекломассы в зависимости от темпе­ратуры. По мере охлаждения стек­ломасса становится пластичной, что позволяет придать ей заданную форму. Формование осуществляется различными способами; вытягивани­ем, прокаткой, литьем, выдуванием, прессованием, на расплаве металла. В настоящее время освоен новый вы­сокопроизводительный и экономич­ный способ производства полирован­ного стекла — флоат-способ (способ плавающей ленты) (рис. 5.1).

Особенность способа заключается в формовании стеклянной лен­ты на поверхности расплавленного олова. Поверхность ленты получа­ется гладкой и ее качество не уступает стеклу, получаемому механиче­ской шлифовкой и полировкой. Себестоимость флоатированного стекла значительно ниже, чем стекла полированного механическим способом, поэтому конвейеры шлифовки и полировки листового стекла постепен­но вытесняются установками термической полировки.

Эффективность стекла как строительного материала обуслов­ливается благоприятным сочетанием свойств прозрачности,.прочно­сти, малой теплопроводности и долговечности. Плотность стекол из­меняется в пределах 2,2...2,6 г/см*, плотность строительных стекол составляет 2,5 г/см³. Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью). Обычные силикатные стекла пропускают всю видимую часть спектра (не менее 84%) и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Стекло ха­рактеризуется высокой прочностью при сжатии (600... 1200 МПа) и сравнительно малой прочностью при растяжении (30...90 МПа).

Стекло — хрупкий материал, плохо сопротивляющийся удару. Закаленное стекло сопротивляется удару в 5...6 раз лучше, чем отожженное. Силикатное стекло химически стойкое к кислотам, за исключением плавиковой и фосфорной. Теплопроводность различных
видов стекла колеблется в пределах 0,5... 1 Вт/(м-К). При нагревании стекло размягчается и при температуре около 1000 °С плавится. Твер­дость стекла равна 5...7 по шкале твердости. Звукоизолирующая способность стекла относительно высока. Стекло поддается механиче­ской обработке: его можно пилить циркулярными пилами, резать ал­мазом, шлифовать и полировать.

ЛИСТОВОЕ СТЕКЛО

Листовое стекло служит для заполнения световых проемов зда­ний и сооружений, а некоторые виды листового стекла применяют для устройства внутренних ограждений, дверей, ограждений лестниц, балконов, лоджий. Стекольная промышленность выпускает несколь­ко разновидностей листового стекла: оконное, витринное, армирован­ное, узорчатое и др.

^Окоттое^стекло предназначено для остекления световых проемов жилых, промышленных и общественных зданий. Толщина его бывает 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм. Размеры листов от 250x250 до 1600x2200 мм. Светопропускание 90...92%. Стекло выпускают бесцветным, хотя допускается зеленоватый или голубоватый оттенки. Оконное стекло устанавливают в деревянные, металлические или пластмассовые переплеты.

Вцтринно& стекло применяют для остекления витрин в мага­зинах, ресторанах, бассейнах, аэропортах и т.д. Оно может быть поли­рованным и неполированным, плоским и гнутым. Изготовляют его в основном способом термической полировки. Толщина витринного стекла 6...10 мм, наибольший размер 3500x6000 мм. Его устанавли­вают в металлические переплеты.

Армированное стекло (рис. 5.2) изготовляют методом горизон­тального проката с закатыванием в расплавленную стекломассу ар­мирующей металлической сетки. Относится к числу ог­нестойких и безопасных сте­кол. При ударе такое стекло растрескивается, но не дает осколков: армирующая сетка удерживает их на себе. Ар­мированное. стекло выпуска­ется бесцветным или цвет­ным с кованой или узорчатой поверхностью. Это стекло выпускают длиной 1200...2000, шириной 400...1500 и толщиной 5,5 мм. Применяют его для остекления фонарей, дверей, устройства перегородок, ограждения лестниц, балконов, лоджий. Цветное арми­рованное стекло используют для устройства декоративных светопро- зрачных плафонов, перегородок в санаториях, пансионатах на пред­приятиях общественного питания и торговли.

Увиолевое стекло пропускает не менее 25% ультрафиолетовых лучей. Эти качества стекла достигаются путем снижения содержания оксидов железа, титана и хрома в сырьевой массе. Размер стекол от 250x250 до 600x1200 мм при толщине 2...4 мм. Применяют увиоле­вое стекло для остекления в лечебных, детских учреждениях, оран­жереях и т.д.

Закаленное стекло изготовляют путем термической обработки стекла при 540...650 °С й последующего быстрого равномерного охла­ждения. В результате термообработки получают листовое стекло с по­вышенной механической прочностью и термической устойчивостью. Прочность при ударе и предел прочности при изгибе закаленного стекла в 4...6 раз выше по сравнению с обычным стеклом, а термо­стойкость в 2 раза. Осколки закаленного стекла имеют тупые грани и края. В строительстве закаленное стекло применяют для остекления витрин, изготовления стеклянных дверей, перегородок, потолков, для ограждения лифтовых шахт, балконов, лестниц в лечебных зданиях.

Волнистое стекло изготовляют методом непрерывного проката через специальные гофрирующие устройства пластичной стекломас­сы, в результате чего стекло получает волнистую форму, имеющую большую жесткость. Волнистое стекло может быть армированным. Применяют его для устройства светопрозрачных кровельных конст- i рукций промышленных и гражданских зданий, устройства защитных козырьков и световых фонарей и др.

Уздрчатое стекло изготовляют методом горизонтального прока­та цветной или бесцветной пластичной стекломассы на гравироваль­ных валках. На поверхности листа с двух или одной стороны получается тот или иной рельефный узор (рис. 5.3). Благодаря рельефному рисунку это стекло является светорассеивающим, дающим равномерное и мягкое освещение. Кроме того, оно ха­рактеризуется высокой декоративностью.

Узорчатое стекло может быть армиро­ванным, бесцветным или цветным. Оно имеет ширину 400... 1600, длину 600...3600 и толщину 4,5 и 6 мм. Узорчатое стекло применяют для остекления оконных и дверных проемов,, внутренних перегородок зданий, крытых веранд, мебели и т.д.

Цветное стекло получают путем введения красителей в стек­ломассу или нанесения в процессе изготовления на бесцветную стек­ломассу цветного слоя. Такое стекло вырабатывают методом верти­кального вытягивания или методом прокатки. По характеру окраски различают прозрачное или глушеное цветное стекло. Для получения глушеных стекол в состав стекломассы вводят глушители цвета. Цвет­ные стекла бывают красные, желтые, белые (молочные), зеленые, го­лубые, синие и черные. Их применяют в архитектуре для декоратив­ных целей, для изготовления сигнальных стекол, витражей и т.д.

Листовое стекло упаковывают в прочные деревянные ящики, за­зоры заполняют плотным слоем стружки. Хранят и перевозят стекло только в вертикальном положении. При перевозке, хранении и монта­же листового стекла следует соблюдать особые меры предосторожности.

ИЗДЕЛИЯ ИЗ СТЕКЛА

Номенклатура изделий из стекла весьма разнообразна: блоки стеклянные пустотелые, стеклопакеты, стекло профильное, стеклян­ные трубы, дверные полотна и др.

рщеклоблоки (рис. 5.4) представляют собой полые герметически закрытые стеклянные коробки с гладкими наружными и ребристыми, внутренними поверхностями, пропускающие свет и обеспечивающие равномерное освещение отдельных участков и больших площадей в зданиях. Блоки получают путем сварки двух симметрично спрессо­ванных элементов — полублоков. После сварки полублоков горячий воздух, замкнутый в полости блока, при охлаждении создает внутри стеклоблока вакуум, что улучшает его теплоизоляционные и звуко­изоляционные свойства.

Выпускают различные типы блоков: квадратные, прямоугольные, угловые, радиальные. Стеклянные блоки квадратной или прямоуголь­ной формы имеют размеры 194x194x98(60) и 294x294x98 мм.

Плотность блоков 800 кг/м³, теплопро­водность в среднем 0,46 Вт/(м-К), свето- пропускание не менее 65%, светорассеива- ние — 25%. Стекло­блоки создают мягкое рассеянное освещение, увеличивают глубину естественной осве­щенности, исключая сквозную видимость.

Выпускают блоки бесцветными и окрашенными в различные цвета. Блоки имеют рельефный узор орнаментального, растительного, геометрического или другого характера. Стеклянные блоки как кон­структивный элемент получили широкое применение в современном строительстве жилых, общественных и промышленных зданий. Их применяют для заполнения наружных световых проемов, устройства светопрозрачных покрытий и перегородок, а также в архитектурно- декоративных целях.

Стеклопакеты представляют собой изделие, состоящее из двух или трех плоских листов стекла, соединенных по периметру так, что

между стеклами образу­ется герметически замк­нутая камера с прослой­кой осушенного воздуха (рис. 5.5).

Стеклопакеты изго­товляют из оконного, витринного, армирован­ного, узорчатого и других стекол толщиной 2...8 мм.

В зависимости от ко­личества соединенных стекол стеклопакеты де­лят на однокамерные и двухкамерные. Однока­мерные стеклопакеты имеют расстояние между стеклами 9... 15 мм, двух­камерные 9... 12 мм.

Выпускают стек л опа - кеты различных разме­ров: длина 400...2550, ширина 400...2950, толщина не более 46 мм. Для соединения рамки со стеклом и герметизации стеклопакетов I [рименяются нетвердеющие мастики и вулканизирующиеся гермети­ки. Воздух в межстекольном объеме осушается влагопоглотителем. Стеклопакеты более прочны и экономичны по сравнению с обычными двойными переплетами. Они примерно в 2 раза уменьшают теплопе­редачу через окна. При остеклении стеклопакетами упрощается кон­струкция оконных проемов, увеличивается световая площадь. Стек­лопакеты не замерзают, не запотевают, не нуждаются в протирке внутренних поверхностей, они обладают достаточной звукоизоли­рующей способностью.Цвета марблитов: молочно-белый (со степенью белизны до 95%), красный, желтый, фисташковый, голубой, фиолетовый, серый и черный. Они могут имитировать мрамор с прожилками различных цветов.

Облицовочные стеклянные плитки по прочности и эксплуата­ционным свойствам превосходят керамические. Их подразделяют на коврово-мозаичные и эмалированные плитки.

, Kgjepо во-мозаичные облицовонцые стеклянные плитки и ковры из них (ГОСТ 17057—80) изготовляют методом непрёрывнбзто проката из глушеного стекла, неокрашенного и цветного. Лицевая поверх­ность плиток может быть гладкой и рифленой, матовой и блестящей. Размер плито1с_21х21х4,5 мм. Из отдельных плиток изготовляют ков­ры длиной до 1 м и более. Коврово-мозаичные плитки морозо- и свето­стойки, выдерживают без разрушения резкие перепады температуры до 60 °С. Поставляют плитки россыпью или наклеенными на плотную оберточную бумагу или крафт-бумагу в виде ковров. Расстояние меж­ду плитками в ковре _(4±Плитки применяют для наружной и внутренней облицовки зданий различного назначения. Цветная стекломозаичная плитка — прекрасный материал для художествен­ных панно и декоративной отделки интерьеров. Крепят коврово- мозаичные плитки полимерцементным или кислотрстрйким раство­ром и мастиками.

плитки изготовляют из отходов оконного листового стекла толщиной 37..5 мм и витринного толщиной 6...7 мм. На заводах нарезают плитки й на одну сторону наносят цвет­ную или белую эмаль, плитки сушат, посыпав тыльную сторону плитки песком и обжигают. При обжиге эмаль и песок спекаются с плиткой. Толщина эмалевого покрытия 0,2...0,3 мм. Плитки различных цветов имеют размеры 150x150 и 150x75 мм. Стеклянными эмалированными плитками облицовывают санитарные узльц помещения душевых и ванных в жилых, общественных, промышленных зданиях.

Вит^^си^ — орнаментальные композиции и узоры из цветных и прозрачных стекол, с росписью отдельных деталей спекающимися красками. Витражи обрамлены бордюрами из нержавеющей стали, офактуренными под матовое серебро и золотистую латунь с чеканным рельефным рисунком. Художественный эффект витражей заключает­ся в преломлении проникающих через них световых лучей, что в раз­ное время дня создает богатейшую гамму красок, игру света и теней. Витражи обычно являются композиционным акцентом интерьера; они должны быть тематически связаны с функциональным назначе­нием самого здания или данного помещения. Витражи могут укра­сить дворцы, соборы и общественные здания.