Разновидности стекла
В природе стекло встречается в составе вулканических пород. Для промышленности используют материал, полученный искусственным путем. Для этого (в классическом варианте) подвергают сильному нагреву смесь кварцевого песка, известняка и натриевой соли. Под воздействием температур образуется прозрачная масса, легко поддающаяся формовке, не кристаллизующаяся. Основными свойствами материала являются стойкость к химической среде, твердость. На характеристики стекла оказывают влияние такие факторы, как температура обжига, наличие примесей.
Простая классика
Самым простым вариантом, который часто используется для окон, является листовое стекло. Оно может быть бесцветным, голубоватым или зеленоватым. В зависимости от состава можно выделить 3 вида материала:
|
Известково-натриевое |
Известково-калиевое |
Известково-натриево-калиевое |
|
Применяется для изготовления посуды и стеклотары, остекления окон. |
Имеет повышенный уровень термостойкости и выраженный блеск. Применяется на окнах, в производстве посуды, лабораторного инвентаря, оборудования. |
Обладает повышенной инертностью к химической среде. Применяется для изготовления стеклянной тары различного назначения. |
Боросиликатные полотна
Это силикатное стекло, в составе которого высокая концентрация диоксида кремния, щелочные компоненты заменены на оксид бора. Из такого материала изготавливаются окна, жаропрочная посуда. Стекло имеет повышенную прочность и стойкость к перепадам температур. Размягчается при нагреве до +580-590℃.
Кварцевый материал
Такое стекло изготавливается методом плавления высокоочищенного кремнезема. Среди всех видов является наиболее термостойким. Даже при погружении в холодную воду после сильного нагревания материал не трескается. Основные характеристики кварцевого стекла:
• в диапазоне от 0 до -1000℃ линейное расширение составляет 6x10-7;
• динамическая вязкость достигается при температуре +1250℃;
• плавление происходит при показателях от +1500 до +1600℃.
В обычных условиях стекло не взаимодействует с газовой и водной средой, но при нагревании газопроницаемость достигает больших значений. Водные растворы фторидов натрия и кремния разрушают материал при повышении температур.
Кварцевое стекло может быть молочно-матовым или прозрачным. Оба типа различаются между собой лишь оптическими характеристиками и степенью газопроницаемости. Матовость структуре придают мелкие пузырьки, образующие в процессе плавления. Стекло может использоваться для окон.
Хрустальный блеск
Стекло высокого сорта с особым блеском и уникальными свойствами светопреломления называется хрусталем. Выделяют 3 типа материала в зависимости от состава:
- Стекла, содержащие свинец. Имеют повышенную массу, выразительное звучание при ударе и особые свойства преломления света. При изготовлении в стекла добавляются окислы цинка, бора, свинца. Для декоративных изделий и посуды часто применяется материал, содержащий до 16% окиси калия.
- Лантановые стекла. Это разновидность, изготавливающаяся без свинца. В производстве применяются соединения с алюминием, медью. Повышенный коэффициент преломления достигается добавлением окиси лантана. Хрусталь этого типа обладает чистой прозрачностью и химической инертностью, применяется в качестве материала лабораторных емкостей. Также востребован в лазерных технологиях, фотонике, оптике.
- Баритовое стекло. Относится к материалам, не содержащим свинец. Стекло отличается высоким содержанием окиси бария, которая придает плотность и термостойкость материалу.
Третий тип широко востребован в качестве оптического компонента в области медицины и науки. Имеет большой удельный вес в сравнении с другими видами стекла.
Свойства стекла
Существуют и другие виды стекол, в том числе закаленные, армированные, многослойные и теплосберегающие. Это материалы, использующиеся для изготовления окон, предметов интерьера и зеркал, различающиеся теплопроводностью и упругостью.
Плотность структуры
У разных видов стекол отличается плотность, выражающаяся в массе на одну единицу объема. В зависимости от структуры материала показатель варьируется в диапазоне 2-6 г/см3. Наименьшей плотностью обладает кварцевое стекло. Высокий уровень – у оптических материалов со свинцом. Чем больше в структуре тяжелых металлов, тем выше плотность. Показатель непосредственно влияет на способность полотна пропускать свет. Чем больше плотность, тем выше оптические свойства материала, что особенно важно для оптики.
Уровень прочности стекла
На степень прочности влияет химический состав материала. Это показатель, отражающий способность выдерживать напряжение, создающееся внешней нагрузкой. При оценке учитывается прочность на растяжение и сжатие. Оптимальными показателями являются 3,5-10 кгс/мм2 и 50 до 200 кгс/мм2 соответственно. При выборе стекла учитывают тип конструкции, назначение изделия.
Путем комбинирования классического полотна и специальной пленки получают триплекс. Это стекло, обладающее высокой прочностью и безопасностью, устанавливающееся в перегородки и окна. В разных случаях количество слоев может отличаться. Существуют также армированные полотна, для укрепления которых в структуру встраивается проволока из хрома или никеля. Сетка внутри стекла, устанавливающегося на окна или двери, может быть сварной или крученой.
Твёрдость материала
Это свойство, по которому оценивается способность стекла противостоять разрушению и деформации. Чем выше твердость, тем более устойчив материал к царапинам. Для оценки применяется шкала Мооса. У разных видов стекол твердость эквивалентна 6-7 единицам. На твердость сильное влияние оказывают примеси. У материалов, содержащих кремнезем, показатель выше. Более низкий уровень твердости у стекла, имеющего в составе свинец и щелочные металлы.
Хрупкость стекла
Разные виды стекол отличаются уровнем сопротивления к деформации при ударной нагрузке. Это показатель, называющийся хрупкостью. Его значение зависит не только от внутренней структуры, но также толщины и формы изделия. Лучшим сопротивлением ударной нагрузке отличаются стекла плоской формы, например, на окнах. Хрупкий материал легко разрушается под внешним воздействием. На сопротивляемость ударам влияют следующие факторы:
• однородность структуры;
• наличие производственных дефектов.
Для снижения хрупкости материала для окон или перегородок в состав вводятся окислы магния, а также алюминий, борный ангидрид. Сопротивляемость ударам повышается методом отжига. Триплекс и армированные стекла имеют особенность – не рассыпаются при ударах.
Прозрачность и светопроницаемость
Способность стекла пропускать световые волны разной длины измеряется с помощью спектрофотометра. Для отображения свойства рассчитывается показатель, выраженный в процентах или коэффициенте. Прозрачность стекла является важнейшей характеристикой для окон и оптических изделий, на которую влияют следующие факторы:
• метод обработки поверхности;
• толщина;
• наличие тонировки, красителей;
• химический состав.
Добавление окиси железа в состав стекла снижает светопропускную способность. В разных случаях (окна, перегородки) необходим низкий или высокий показатель. В производстве используются классические прозрачные или матовые, тонированные полотна. Есть стекла для окон с отражающей солнечный свет стороной. На прозрачность влияет наличие пигментов, которые могут наноситься лишь на поверхность материала или добавляться в состав.
Степень термостойкости
Для придания термостойкости стеклу перегородок и окон применяется метод обжига и добавление различных примесей. На способность материала выдерживать напряжение, возникающее при циклических колебаниях температур, например, на окнах, влияет степень кристаллизации структуры и наличие дефектов. Термостойкость является одним из важнейших показателей, оценивающихся при выборе стекла. Наибольшее значение отмечается у кварцевых полотен, которые выдерживают изменения в пределах 1000℃. Небольшой термостойкостью отличаются варианты, для изготовления которых используется много окислов кальция, натрия, свинца.
В интерьерах общественных объектов, для изготовления автостекол и конструкций окон часто используется закаленный материал. Такие полотна имеют повышенную термическую стойкость благодаря особенной технологии производства. Стекло подвергается экстремальному нагреву и резко охлаждается.
Свойство проведения тепла
Способность к проведению тепла у разных видов стекол колеблется в диапазоне 0,711 до 1,339 Вт/ (м·К). Это величина, отражающая количество проходящей через единицу материала энергии. Стекло относится к материалам, имеющим минимальный уровень теплопроводности. При этом существуют энергоэффективные виды полотен, имеющие особое селективное покрытие. Это металлизированный слой, пропускающий обычный свет и задерживающий тепло. Такие стекла разделяются на две категории:
• с мягким покрытием;
• с жестким покрытием.
Эти стекла устанавливаются на окна. Имеют идентичный коэффициент теплопроводности, что и двухкамерные модели. Преимущества изготовления окон с такими стеклами заключаются в легком весе и способности предотвращать быстрый нагрев помещения в жаркую погоду.
Коэффициент теплового расширения
Стекло увеличивается в размере при повышении внешней температуры и сжимается при охлаждении. Этот процесс сопровождается изменением формы и линейных показателей изделия. Такое свойство оценивается коэффициентом теплового расширения. Показатель зависит от химического состава материала. При высокой концентрации щелочных компонентов коэффициент высокий. Наиболее низким уровнем расширения отличаются кварцевые стекла. Средние показатели у разных материалов колеблются в пределах от 5·10-7 до 200·10-7.
Модуль упругости
У стекла можно оценить уровень упругости. Это показатель, показывающий способность изделия возвращать первоначальную форму после деформации. Стекло считается хрупким материалом, склонным к разрушению при воздействии внешних сил. Низкий уровень упругости означает, что форма изделия не возвращается после деформирующей нагрузки. Отдельные виды стекол обладают устойчивостью к разрушению, поэтому для оценки используется величина, измеряющаяся в паскалях. Существует два показателя – упругость в условиях осевого растяжения и модуль сдвига. Диапазон обеих величин у стекла составляет 4,8·104 – 8,3·104 и 2·104 – 4,5·104 МПаНа соответственно. На степень упругости влияет химический состав материала. Более высокий коэффициент имеют стекла, в структуре которых присутствуют оксиды алюминия, кальция, плюмбума, бария. Повышают упругость включение в состав материала бора, цинка, магния.
Химический состав в значительной степени влияет на эксплуатационные свойства стекла. Для изготовления зеркал и перегородок на фабрике «МосСтеклоПроект», применяются разные материалы, подбирающиеся с учетом технических параметров и особенностей объекта заказчика. Использование качественных стекол гарантирует продолжительный срок службы конструкций и предметов интерьера.