1.2Свойства стекла

Стекло обладает комплексом разнообразных физикомеханических и химических свойств, не присущих другим материалам, благодаря чему оно нашло широкое применение в жизнедеятельности человека. Область применения стекол зависит от их химического состава. Рассмотрим основные физико-механические свойства стекла, характеризующие его в твердом состоянии.

Плотность стекол в зависимости от их химического состава колеблется в довольно широких пределах. Из практических стекол наибольшую плотность имеют стекла со значительным содержанием свинца, так называемые флинты, плотность которых доходит до 7 г/ . Легкие стекла содержат в большом количестве оксиды лития, бария и бора.

Отжиг стекла влияет на плотность. Так, плохо отожженное стекло одного и того же химического состава имеет плотность на 0,1-0,2 г/ , а закаленное на 0,8-0,9 г/ ниже, чем отожженное. С изменением химического состава стекла его плотность заметно изменяется, поэтому на практике она служит косвенным средством контроля постоянства состава стекла. Степень постоянства плотности и, следовательно, химического состава стекла в различных точках образца или изделия характеризует однородность стекла.

Механические свойства. Прочность стекла зависит от состояния его поверхности, химического состава, степени отжига, однородности, размера испытываемых образцов, состояния окружающей среды, температуры.

На прочность стекла влияет его химический состав. Так, оксиды CaO, Si , BaO, Ti и значительно повышают прочность, PbO и в меньшей степени, MgO, ZnO и почти не изменяют ее. Щелочные оксиды уменьшаю прочность стекла.

Температурная зависимость прочности стекла имеет сложный характер. Минимальную прочность имеет стекло в интервале температуры 150 – 200 ̊C.

Твердость является одной из основных характеристик любого материала, в том числе и стекла. Твердость стекла зависит от состава. Наиболее твердым является кварцевое стекло, а также алюмосиликатное с содержанием 18-30% оксида алюминия и малощелочное боросиликатное содержанием до 12%. Увеличение в стекле содержания щелочных оксидов приводит к снижению твердости стекла.

Хрупкость стекла характеризуют его сопротивление мгновенной нагрузки удару. Хрупкость стекла в твердом состоянии определяют путем ударных испытаний – сбрасыванием стального шара с определенной высоты на стекло.

Большое влияние на хрупкость оказывает форма, размеры, толщина стекла, с увеличением которой сопротивление удару возрастает, и состояние поверхности испытываемых образцов. Увеличение толщины стекла, содержание оксидов , Si , , MgO, повышение однородности приводит к уменьшению хрупкости.

Химическая устойчивость. Химической устойчивостью называют способность материала противостоять разрушающему действию воды, газов, растворов солей и иных химических реагентов. Это одно из важнейших свойств стекла, так как на стекло, находящееся в эксплуатации, постоянно воздействует какой-нибудь реагент.

Стекло по сравнению с другими материалами обладает высокой химической устойчивостью. Слабое взаимодействие со стеклом химических реагентов, кроме плавиковой кислоты, объясняется наличием на его поверхности защитной кремнеземной пленки. Химическая устойчивость стекла и механизм его разрушения подробно изучены. Природу химической устойчивости силикатных стекол и механизм их разрушения можно представить следующим образом. При воздействии воды или влаги воздуха на стекло силикаты поверхности гидролизуются. Щелочные силикаты при этом распадаются на едкую щелочь и гель кремниевой кислоты. Щелочь, как правило, вымывается из стекла дополнительно воздействующей влагой, а гель кремниевой кислоты остается на поверхности стекла в виде более или менее равномерного слоя. Этот то слой и замедляет разрушение стекла, так как по мере утолщения защитной пленки геля уменьшается скорость разрушения силикатного стекла. Стекла, не содержащие кремнезема – фосфатные или боратные – разрушаются иначе. Устойчивость таких стекол во много раз уступает устойчивости силикатных стекол и определяется она скоростью их растворения в том или ином реагенте. В данном случае, как правило, защитной пленки, замедляющей дальнейший процесс разрушения, не образуется.

Плавиковая кислота реагирует с поверхностной кремнеземовой пленкой, вследствие чего происходит обнажение поверхности стекла и процесс его растворения под действием плавиковой кислоты продолжается. На этой способности стекла растворяться в плавиковой кислоте основана химическая обработка стекла.

Химическую устойчивость стекла определяют по разности веса образца до и после опыта. Для этого приготавливают порошок из испытуемого стекла или массивный образец стекла. Перед опытом точно взвешивают испытуемый образец. После этого его подвергают обработке кипячением в избранной агрессивной среде. Затем образец тщательно высушивают и взвешивают на аналитических весах. Потеря стекла в весе и характеризует его химическую устойчивость. Химическую устойчивость определяют и титрированием кислотой (HCl) раствора, в котором было обработано испытуемое стекло. В данном случае химическую устойчивость определяют количеством кислоты, затраченной на титрирование: чем больше кислоты затрачено на титрирование, тем меньше химическая устойчивость стекла.

При подборе химического состава стекол руководствуются прежде всего тем, в каких условиях они будут использоваться, т.е. какие реагенты на них будут действовать. Химическая устойчивость силикатных стекол в основном зависит от их химического состава и определяется содержанием в них кремнезема, который всегда и значительно увеличивает химическую устойчивость стекла; щелочные же окислы, как правило, понижают ее. В отношении других компонентов можно сказать, что они ведут себя по отношению к различным реагентам по-разному. Калиево-натриевые стекла более стойки, чем чисто натриевые или чисто калиевые.

Изделия из стекла при эксплуатации в основном подвергаются воздействию воды, поэтому определяют водостойкость стекол методом выщелачивания поверхности зерен стекла под воздействием воды.

Оптические свойства. Оптические свойства стекол связаны с особенностями взаимодействия световых лучей со стеклом. Благодаря декоративной обработке стекла создаются разнообразные оптические эффекты, при которых изделие приобретает ему одному свойственный вид.