1. Введение
Стекло - прозрачный (бесцветный или окрашенный) хрупкий материал. Наиболее распространено силикатное стекло, основной компонент которого оксид кремния. Получают его главным образом при остывании расплава, содержащего кремнезем и часто оксиды магния, кальция, бора, свинца и других. Производство стекла возникло в Древнем Египте около 4000 до нашей эры. Изделия из стекла изготовляют выдуванием, прессованием и отливкой. Стекло широко применяется в различных отраслях техники,строительства, промышленности, в декоративном искусстве, быту (например, оконное, кварцевое стекло). Обработкой кремнеземистого сырья едкими щелочами получают растворимое стекло, водный раствор которого - жидкое стекло. Жидкое стекло - компонент специальных цементов, силикатныхкрасок, лазурей, мыла. Оно используется при флотации, для склеивания бумаги, картона, стекла, дерева (силикатный клей). Известно, что стекло - это аморфный изотропный материал, получаемый переохлаждением расплавов неметаллических оксидов и бескислородных соединений. Материалами, склонными к переохлаждению и к переходу в стеклообразное состояние, являются главным образом силикаты, бораты, фосфаты.
2. Литературный обзор
Что можно сказать об обычном строительном стекле? Для изготовления такого стекла основным сырьем служат: кварцевый песок, известняк, сода или сульфат натрия. Варка строительного силикатного стекла происходит в стекловаренных печах при температуре до 1500 °С. Строительное стекло как строительный материал отличается долговечностью, высокой стойкостью к воздействию влаги, солнечной радиации, перепаду температур,морозостойкостью, невозгораемостью, жесткостью. Плотность обычного стекла – 2500 кг/м2. Основными оптическими показателями стекла являются: светопропускание (прозрачность), светопреломление, отражение,светорассеивание. Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Показатель преломления строительного стекла 1,46-1,53. Стекло плохо сопротивляется удару, т.е. оно хрупкое: прочность при ударном изгибе составляет около 0,2 МПа. Стекло обладает высокой прочностью на сжатие - 700-1000 МПа и малой прочностью при растяжении - 35-85 МПа. Теплопроводность обычного стекла при температуре до 100оС составляет 0,4 – 0,82 Вт/(моС).
Стекла различаются по своему химическому составу, т.е. массовым или процентным содержанием оксидов, что влияет на его химические и физические свойства. Например, рассмотрим зависимость температуры размягчения легкоплавких стекол от различного содержания оксидов
Существует множество видов стекол, которые охватывают весь спектр применения их в народном хозяйстве. Расскажу о некоторых из них:
Закаленное стекло, обладающее повышенной термостойкостью, получают путем нагрева стекла до температуры закалки (540-650 °С) и последующего быстрого равномерного охлаждения. Этим добиваются однородного распределения внутренних напряжений в стекле. Прочность при ударе и предел прочности при изгибе закаленного стекла в 3-4, иногда в 10-15 раз выше, чем обычного. Разрушается в виде мелких осколков с тупыми нережущими краями. Термостойкость – до 175 °С. Применяется в строительстве (двери, перегородки, ограждения), для остекления городского транспорта.
Теплозащитное стекло по своему составу отличается от обычных стеколсодержанием окислов железа, кобальта и никеля, благодаря чему приобретает слабый сине-зеленый оттенок. Теплопоглощающее стекло задерживает 70-75% инфракрасных лучей, т.е. в 2-3 раза больше, чем обычное оконное стекло, оставаясь при этом прозрачным для видимогосвета.
Отражающее стекло используют для уменьшения нагрева солнечными лучами и регулирования освещенности. Эти свойства достигаются путем покрытия, наносимого на стекло в вакуумной камере и образующего с ним единое целое.
Термостойкое (боросиликатное) стекло содержит окись рубидия, окись лития и др. Термостойкие стекла имеют коэффициент линейного расширения около 2-4 х 10-6 С-1 , т.е. в 2-3 раза меньше, чем обычное стекло. Изделия из таких стекол выдерживают перепады температур до 200 °С. Их используют для изготовления термостойких деталей аппаратуры.
Увеолевое стекло – стекло с повышенной прозрачностью в ультрафиолетовой биологической области спектра (при длинах волн 380-240 нм). Изготавливают его на основе кварцевого, силикатных, боросиликатных, фосфатных стекол, не содержащих примесей соединений, поглощающих УФ-лучи (окислов железа, титана, хрома). Увеолевое стекло пропускает 25-75% ультрафиолетовых лучей.
Рассмотрим свойства компонентов, составляющих легкоплавкое бор-свинец-силикатное стекло:
Оксид свинца PbO. Он находится в виде желтых кристаллов ромбической системы (пл. 8,0 г/см3) или красных кристаллов тетрагональной системы (пл. 9,53 г/см3). Его Тпл.=890С, Ткип.=1473С. PbO мало растворим в воде и обладает способностью поглощать на воздухе CO2. Это соединение растворимо в горячих щелочах и кислотах, например: HNO3, CH3COOH, HCl. Его можно получить следующим образом: Подействуем щелочью на ацетат свинца: Pb(CH3COO)2 + 2KOH = Pb(OH)2( + 2CH3COOK Затем прокалить осадок в никелевой чашке при температуре 750-800С в течение 2-3 часов: Pb(OH)2 = PbO + H2O
Оксид бора B2O3. Это хрупкое твердое бесцветное стеклоподобное вещество. Его плотность равна 1,844 г/см3. Кристаллический оксид бора имеет Тпл.=450С, Ткип.=1860С. Он довольно неплохо растворяется в воде и спирте. Приготовить его можно длительным прокаливанием борной кислоты: 2H3BO3 = B2O3 + 3H2O
Оксид кремния SiO2 (кремнезем). Это соединение состоит из бесцветных кристаллов гескагональной формы или находится в виде белого аморфного порошка. Пл.=2,20-2,65 г/см3. Тпл.=1500-1710С, Ткип=2230-2600С. Данный реактив растворим в воде, плавиковой кислоте HF и растворах щелочей. Получить его можно измельчением природного кварца или горного хрусталя, из кварцевого песка ,для этого его кипитят с HCl, затем сушат при 106-120С, а также прокаливанием кремниевой кислоты в тигле при температуре 900-1000С. H2SiO3 = SiO2 + H2O
3. Экспериментальная часть
Моей задачей служит получение легкоплавких бор-свинец-силикатных стекол. Для этого необходимо взять следующие реактивы: оксид свинца, оксид бора и оксид кремния (кремнезем). Поместить их в фарфоровую ступку и тщательно перетереть. Затем пересыпать в фарфоровый тигель и нагреть (либо на газовой горелке, если температура сплавления менее 500С, либо в электропечи, если температура сплавления превышает 500С). Заметим, что оксиды должны быть хорошо прокаленными, иначе масса может вспучиться и вылиться из тигля. Для моей работы я выбрал наименьшую температуру размягчения 484С, что соответствует следующему процентному содержанию оксидов: PbO 83,5%, B2O3 12%, SiO2 4,5%. После того, как смесь достигла сплавления, её выливают на керамическую пластинку или плитку.
Кроме того, с помощью добавления пигментов, можно получить стекла с различной окраской.