Кривченко Татьяна Евгеньевна

Современное стекло с его незаменимыми свойствами и возможностями является одним из самых перспективных материалов нового тысячелетия. Сочетая такие свойства, как прозрачность, твердость, жаропрочность, стойкость против разъедания минеральными кислотами и щелочами, а также способность изменять эти свойства, легко формоваться, окрашиваться в разные цвета стекло стало незаменимым материалом современности.

Одним из его разновидностей – являются легкоплавкие стекла, имеющие температуру оплавления ниже 500°С. Особенностью этого вида стекол является, прежде всего их низкая температура оплавления, быстрое и равномерное смачивание при пайке стеклянных деталей, причем после пайки не остаются остаточные напряжения; большой механической прочностью шва и имеют согласованный коэффициент термического расширения со спаиваемыми материалами. Наличие таких свойств обусловило области их применения.

Легкоплавкие стекла входят в состав силикатных красок. К преимуществам которых относится то, что они легко наносятся на окрашиваемую поверхность, они отличаются высокой скоростью высыхания, отсутствием запаха, наличием огнезащитных свойств, химической стойкостью, прочностью. На их основе можно получить гамму цветов.

Рисунок 1.1 – Использование легкоплавких стекол

Кроме того силикатные краски защищают окрашенные поверхности от разрушения под воздействием света, дождей, снега, ветра, разницы температур. Исходя из этого необходимо последующее развитие и усовершенствование технологий производства как легкоплавких стекол, так и самих красок, что невозможно осуществить без соответствующей модернизации оборудования, повышения требований, к профессиональному мастерству рабочих – это на сегодняшний день является основной задачей отрасли.

За последнее время во многих странах приобрела широкое распространение декоративная обработка стеклянных изделий с помощью печатания через шелковую сетку с использованием легкоплавких эмалей (температура обжига 550-600 °С). Общепризнанно, что несмываемая многокрасочная эмалевая этикетка, нанесенная на любое изделие из стекла, способствует улучшению внешнего вида и предоставляет банке или бутылке привлекательный вид. При этом значительно упрощается процесс мойки оборотной стеклянной посуды, отпадает необходимость в отмачивании этикеток и клея, в печатании этикеток и тому подобное[12].

Легкоплавкие стекла применяются для герметизации полупроводниковых приборов с целью защиты их от механических действий и химической коррозии, попадания влаги и примесей, ухудшающих их электрические характеристики. В некоторых случаях употребление легкоплавких стекол обусловлено ограничениями, которые налагаются на максимальную температуру спаивания. Получение таких стекол дает возможность использовать приборы в агрессивных средах и при разного рода внешних действий. Все это должно способствовать повышению надежности и продолжительности эксплуатации разных приборов, в которых применяются легкоплавкие стекла.

В керамической промышленности легкоплавкие стекла нашли широкое употребление для художественного оформления черепка за счет раскрашивания цветной глазурью, эмалями и красками[11]. Нанесение керамических красок на поверхность изделия позволяет получать долговечные высокохудожественные рисунки. В отличие от органических красителей, керамические краски обладают высокой стойкостью против действия света, долговечностью, яркостью и сочностью тонов.

Легкоплавкие стекла не заменимы в тех случаях, когда температура герметизации или спаивания не должна превышать 500 – 600 °С, во избежание нарушения работы прибора. Но стекла с низкими температурами размягчения обычно имеют ослабленную структуру или пониженные физико-химические свойства. Поэтому стремятся создать улучшенные стекла путем введения различных компонентов, которые бы стабилизировали структуру стекла и в то же время не увеличивали температуру размягчения. Получение таких стекол позволит использовать приборы в агрессивных средах и при различного рода внешних воздействиях. Все это должно способствовать повышению надежности и долговечности эксплуатации различных приборов, в которых применяют легкоплавкие стекла.

Актуальность:

По этой причине сейчас проводятся многочисленные исследования по разрабке новых составов, которые бы отвечали современным требованиям как с экологической стороны, так и с экономической и технологической.

Цель работы:

Получить легкоплавкие стекла, которые бы обладали определенными, заданными свойствами.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1.По литературным данным выбрать системы для получения стекол

2.На основе этих систем получить базовые составы стекол

3.Провести практические исследования базовых составов

4.Исследовать возможности их практического применения.

Сырьевые материалы сушат, измельчают, просеивают. Предварительно подготовленные, отвешенные по заданному рецепту сырьевые материалы тщательно перемешивают. Процесс приготовления шихты автоматизирован. От точности и тщательности подготовки начальных компонентов и их смешивания зависит качество сваренной стекломассы. Допустимые отклонения от заданного содержания компонентов в шихте устанавливают отдельно для каждого вида стекла, и обычно они не превышают ±0,5-1%[4,5]. Смешивания проводят в смесителях периодического действия: тарельчатых, барабанных смесителях. Влажность шихты рекомендуется поддерживать на уровне 4-5%. Шихта должна быть однородной, то есть соотношение сырьевых материалов на каждом участке шихты должно быть одинаковым и строго отвечать заданному рецепту. Скопления и грудки отдельных компонентов в шихте вызывает образование пороков. На однородность стеклянной шихты влияют: зерновой состав сырьевых материалов, их влажность, точность взвешивания, качество и длительность смешивания, способ транспортирования и хранение[5].

Рисунок 2.1 –Технологическая схема производства

Варка осуществляется во вращающихся печах, горшковых и гарнисажных[12].

Особенностью процесса варки стекла в таких печах состоит в том, что варка происходит периодически, причем последовательно производится разогрев печи, загрузка шихты, собственно варка стекла, осветление массы, охлаждение ее и выработка стекла. Процесс стекловарения состоит из пяти стадий.

Первая стадия – силикатообразования. На этом этапе в начале нагревания в шихте протекают: испарение влаги, полиморфные превращения, термическое разложение компонентов. Также между компонентами шихты начинаются химические реакции.

Вторая стадия – стеклообразования – характеризуется тем, что к ее концу масса становится прозрачной, то есть в ней отсутствуют не проваренные частицы шихты, однако она пронизана большим количеством пузырьков и свилей, то есть неоднородная. Стеклообразования способствует перемешивание расплава, при котором отделяется кремнеземная пленка, и снижение давления, над расплавом, поскольку при этом выделяются газы и перемешивается расплав.

Третья стадия – осветление – характеризуется тем, что к ее завершению стекломасса освобождается от видимых газовых включений, и тем, что устанавливается равновесное состояние между стекломассой (жидкой фазой) и газами, что остаются в самой стекломассе (газовая фаза).

Четвертая стадия – гомогенизация. Гомогенизация протекает одновременно с осветлением. Неоднородность стекломассы может возникать в результате не удовлетворительного перемешивания компонентов или их расслоения при транспортировании к месту загрузки в стекловарную печь. На важнейшем этапе гомогенизации происходит разрушение ячеистой структуры стекломассы и ее усреднения[5].

Для охлаждения готовый расплав выливают из горшка (при варке стекла в горшковой печи) в холодную воду для быстрого его охлаждения и одновременно для гранулирования. С этой целью расплав должен быть достаточно жидким, чтобы можно было его выливать тонкой струей. При быстром охлаждении происходит и измельчение расплава. Кроме того, для получения более мелких гранул, которые легко размалываются, необходимо при выливании расплава в резервуаре с водой проводить интенсивное перемешивания и добавлять холодную воду, чтобы предотвратить образование крупных кусков.

По результатам литературного обзора по легкоплавким стеклам, можно констатировать, что наиболее приемлемыми системами для получения данных стекол являются системы PbO-SiO₂-B₂O₃; и PbO-SiO₂-B₂O₃-Na₂O, которые нами и были выбраны в работе для синтеза стекол данного типа. Легкоплавкие боросвинцовосиликатные стекла широко применяются в качестве маркировочных эмалей на электронных трубках для нанесения различного рода рисунков и надписей на стеклянные изделия, в электронных преобразователях для спаивания стеклянной оболочки с металлическим патроном, а также в других различного вида спаях стекла со стеклом, стекла с металлом, металла с металлом.

Чтобы получить практические составы легкоплавких стекол предварительно рассчитывались свойства для ряда стекол выше приведенных систем с таким учетом, чтобы они отвечали необходимым, заданным величинам (температурный коэффициент линейного расширения, оптические свойства, поверхностное натяжение)[7,8].

Теоретический расчет свойств стекол проводили по методикам Аппена, Винкельмана и Шотта, Дитцеля, Белье.

Для подтверждения теоретических данных провели ряд практических исследований.

Для получения данных стекол использовались следующие сырьевые материалы: SiO₂ вводился кварцевым песком, PbO – оксидом свинца (Pb⁺²), B₂O₃ – вводился бурой и частично борной кислотой, Na₂O – вводился бурой (Na₂B₄O₇).

Хромофорные материалы (СоО) вводили с целью окрашивания стекол в синий цвет.

Сырьевые материалы тонко измельчали, взвешивали в соответствии с их массовыми долями в шихте. После тщательного смешения всех компонентов синтез стекол проводили в керамических тиглях, которые помещали в электрическую муфельную печь. Варку осуществляли при температурах 1000-1050 °С. Готовность стекла определяли по вытягиванию стеклянной нити и на «лепешку». Для облегчения дальнейшего измельчения стекла его расплав подвергали фриттованию. Затем полученное стекло тонко измельчали в фарфоровой ступке, до полного прохода через сито 0063. Для практического исследования свойств стекла из полученного порошка формовали таблетки. Были определены температуры начала и конца оплавления Тg и Tf, для исследуемых стекол они составляют : для первого состава –температура стеклования (Тg) 410-430 °C, для второго – 420-450 °С, и для третьего – 380-400 °С, температуры которые отвечают ожидаемым температурам.

ТКЛР исследуемых составов находится в пределах от 75,35 до 91,50 (10-7 1/°С), плотность от 4415,8 до 5194,5(кг/м³). Показатель преломления от 1,69 до 1,71.

Таким образом нами были выбраны системы на основе которых по результатам расчета основных свойств стекла определены базовые составы легкоплавких стекол. Практические определения подтвердили возможность получения легкоплавких стекол с температурой оплавления лежащих в интервале температур 400-500 °С. В дальнейшем на основе этих стекол более широко будут исследованы возможности их практического использования для конкретных целей.

1. Пащенко А.А. Общая технология силикатов / А.А. Пащенко — Киев: Вища школа. 1983.— 408 с.
2. Бутт Ю.М., Дудеров Г.Н. Общая технология силикатов. Учебник для техникумов. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1976. — 600с.
3. Сулименко Л.М. Общая технология силикатов / Л.М. Сулименко – М.: ИНФРА-М, 2004.- 336 с.
4. Китайгородского И.И. Справочник по производству стекла / И.И. Китайгородского – М.: Государственное изд-во 1963.- 815с.
5. Китайгородского И.И. Технология стекла / И.И.Китайгородского – Москва: Государственное изд-во, 1961. – 615 с.
6. Волгина Ю.М. Теплотехническое оборудование стекольных заводов / Ю.М. Волгина — М.: Стройиздат 1982. — 276 с.
7. Куколев Г.В., Пивень И.Я. Задачник по химии кремния и физической химии силикатов. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1971. — 240с.
8. Матвеев М.А., Матвеев Г.М. Расчеты по химии и технологии стекла. Справочное пособие. М.: Изд-во литературы по строительству, 1972. — 239с.
9. Ланцетти А.Г., Нестеренко М. Л. Изготовление художественного стекла – М.: изд-во Высшая школа, 1972. – 278 с.
10. Гулоян Ю.А. Декоративная обработка стекла и стеклоизделий / Ю.А. Гулоян: 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1989. – 223с.
11. Визир В.А, Мартынов М. А. Керамические краски – К.: изд-во Техника, 1964. – 256 с.
12. Петцольд А. Эмаль / А. Петцольд – М.: Высшая школа, 1958. – 512 с.
13. Коцик И., Небрженский И., Фан-дерлик И. Окрашивание стекла – М.: Стройиздат, 1983. – 211с.
14. Кутолин С.А., Нейч А.И. Физическая химия цветного стекла — М.: Стройиздат, 1988. — 296с.

ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ. При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

 Резюме |  Биография  |  Библиотека  |  Ссылки  |  Отчет о поиске  | Индивидуальный раздел