Какие бывают виды стекла и его свойства

Стекло — это смесь неорганического происхождения, которая была расплавлена при высокой температуре (t) и затвердела при понижении t, без процесса кристаллизации.

Выделяют несколько видов стекла:

Кварцевое

Его изготавливают из высокочистого диоксида кремния (SiO₂). Это самое термостойкое стекло из всех существующих. При нагревании от 0 до 1000°С коэффициент его линейного расширения равняется только 6х10^-7. По этой причине раскалённый кварц при контакте с холодной водой не трескается. 

Чтобы динамическая вязкость материала достигла 10⁷ Пуаз (10 Пахс), его надо нагреть до 1250°С. Если нет перепадов давления, именно эта температура является максимально разрешённой для эксплуатации изделий из кварца. Полностью расплавиться материал может лишь при нагревании до 1500-1600°С.

Существует два типа кварцевых стёкол: прозрачные и молочно-матовые. По сути, оба вида обладают схожими характеристиками и свойствами. Однако мутный кварц имеет худшие оптические данные, большую газопроницаемость. Мутность его вызвана большим количеством пузырьков воздуха, которые невозможно удалить по причине большой вязкости расплава.

Поверхность кварца характеризуется минимальной способностью адсорбировать газы, влагу, но в то же время имеет наибольшую проницаемость для газов при повышенной температуре, чем все другие виды. Например, трубка из кварца, имеющая толщину стенок 1 мм и площадь поверхности 100 см² при t 750°С пропускает 0,1 см куб. водорода, если при этом перепад давления не превышает 1 атм. (0,1 МПа).

Кварц очень чувствителен к различным загрязнениям. Даже жирные следы от пальцев требуют специального очищения с помощью этилового спирта или диметилкетона. Непрозрачные пятна убирают неконцентрированной плавиковой кислотой. Очищение поверхности кварца перед нагреванием обязательно.

Материал устойчив ко всем кислотам, за исключением плавиковой и ортофосфорной. Нейтральные водные растворы фторида натрия и тетрафторида кремния способны разрушить кварц при нагревании. Также его нельзя использовать при работе с водными растворами и расплавами гидроксидов щелочных металлов.

При повышении t электроизоляционные свойства кварца не меняются. Удельное электрическое сопротивление материала при 1000°С составляет 10⁶ Омхсм.

Обычное

В эту группу входят три вида материалов: известково-натриевые (содовые), известково-калиевые (поташные) и известково-натриево-калиевые (содово-поташные).

Содовое используется для изготовления окон, стеклянной тары, посуды. Поташное применяют для производства высококачественной посуды, так как оно устойчиво к высоким температурам, обладает отличным блеском, прозрачностью. Содово-поташное характеризуется высокой химостойкостью, наиболее распространено при изготовлении посуды.

Боросиликатное

Это материал, в котором в большом количестве содержится диоксид кремния, преобладает значительное количество оксида бора, имеется небольшой объём щелочного металла. Оксид бора работает как флюс для диоксида кремния, поэтому количество щелочного металла в шихте может быть резко снижено без слишком сильного повышения t расплавления. Впервые боросиликатные стёкла были запущены в производство в 1915 году компанией Pyrex. 

Чешская компания SIMAX glass Professional | Kavalierglass была основана ещё в 19 веке. Изначально она выпускала посуду из обычного стекла, а в 1935 году начала разработку и выпуск разных видов боросиликатного. С 2009 года компания принадлежит Ojgar company, а с 2012 имеет представительство в США. Но, тем не менее, продолжает оставаться ведущим европейским производителем боросиликатной продукции.

В 1949 году появилась немецкая компания BRAND GMBH, которая изначально производила стеклянные изделия, мерную посуду, а также термометры. Изначально на производстве работали всего 6 человек, однако в 2013 году компания «Бранд» стала одним из крупнейших в мире производителей боросиликатного стекла. Устойчивость таких изделий к термическим ударам в 2-3 выше, чем у других видов. Они, как правило, более химоустойчивы и находят широкое применение при изготовлении электротехники.

Чтобы достичь динамической вязкости материала до 10¹¹ Пуаз (10¹⁰ Пас), его необходимо нагреть до t 580-590°С. Однако использоваться он может при максимальной t до 800°С при отсутствии избыточного давления. Если используется вакуум, то изделия нельзя нагревать больше 650°С. При температуре менее 600°С «Пирекс» практически непроницаем для водорода, гелия, кислорода, азота. Однако фторводородная и нагретая ортофосфорная кислоты, как и водные растворы гидроксида калия, гидроксида натрия, а также их расплавы, разрушают боросиликатное стекло.

Плотность определяется химсоставом. Чем больше в материале тяжелых металлов, тем выше его плотность. В среднем этот показатель может быть от 2 до 6 г/см³. Плотность является константой, поэтому по ней можно сделать выводы о составе стекла. Так, например, наименее плотное из всех видов — кварцевое стекло. Для него этот показатель составляет 2-2,1 г/см³. Для боросиликатного — 2,23 г/см³, хрустальное — 3 г/см³. Самыми плотными считаются оптические изделия, их плотность достигает 6 г/см³.

Прочность — восприимчивость к внутренним напряжениям, которые появляются под воздействием нагрузок извне. Предел прочности на сжатие для разных стеклянных материалов может быть от 50 до 200 кгс/мм². Этот показатель, как и плотность, зависит от химического состава материала. Присутствие в составе оксидов кальция, бора увеличивает прочность. Прочность стекла на растяжение значительно хуже, чем на сжатие. Здесь показатель может быть от 3,5 до 10 кгс/мм².

Твёрдость, как и многие другие механические свойства, зависит от примесей, которые есть в составе стекла. По шкале Мооса твёрдость этого материала составляет 6-7 единиц. Самое твёрдое стекло — кварцевое и боросиликатное. Наименьшей твёрдостью характеризуется свинцовый хрусталь.

Хрупкость — это разрушение под воздействием ударных нагрузок. То, насколько устойчивым будет стекло при ударе, зависит не только от толщины, но и от формы. Так, например, плоское стеклянное изделие разбить намного проще. Хрупкость снижается при отжиге. Чем больше в материале посторонних включений, тем менее хрупким он является.  «Чистые» материалы будут самыми хрупкими.

Прозрачность — одно из главных оптических свойств, присущих стеклу. Прозрачность определяют по соотношению количества прошедших через материал лучей и всего светового потока. Этот показатель зависит от наличия примесей в составе, техники обработки поверхности и т. д.

Термостойкость — это способность выдерживать перепады температуры без разрушения. На этот показатель влияют форма, коэффициент термического расширения, проводимость тепла, размеры, состав, наличие дефектов. Чем выше проводимость тепла и ниже термический коэффициент линейного расширения, тем лучше будет термостойкость. Наиболее устойчивым к перепадам температуры является материал с включением в состав диоксида кремния, бора, титана.

Теплопроводность — это способность материала проводить тепловую энергию от более нагретых частей к менее нагретым. Для стекла этот показатель равен 1-1,15 Вт/мК.

Тепловое расширение — это увеличение материала в линейных размерах при повышении его температуры. У стекла этот показатель может быть от 5х10^-7 до 200х10^-7. Самое маленькое тепловое расширение имеет кварц — 5,8х10^-7. Коэффициент термического расширения зависит от щелочных окислов в составе: чем их больше, тем сильнее увеличиваются линейные размеры изделия при нагревании.

Упругость стекла невелика. Модуль нормальной упругости может быть 4,8х10⁴…8,3х10⁴, модуль сдвига — 2х10⁴—4,5х10⁴ МПа.

Simax

Химический состав

(главные компоненты в процентах массы)

Устойчивость к

Механическая устойчивость

Стекло: основные свойства и характеристики

С давних пор для осветления и придания жилому помещению уюта делали окна. Атак как стекло было большой редкостью, то вместо него использовались другие материалы. К счастью, в настоящее время стекло не редкость: его используют везде и для разных целей. Причем купить можно не только обыкновенное оконнное стекло, но и цветное для изготовления витражей.

Все твердые тела делят на кристаллические и аморфные. Последние обладают свойством плавиться при достаточно высокой температуре. В отличие от кристаллических тел они имеют структуру лишь с небольшими участками упорядоченно соединенных ионов, причем эти участки соединены между собой так, что образуют асимметрию.

В науке (химия, физика) стеклом принято называть все аморфные тела, которые образуются в результате переохлаждения расплава. Эти тела вследствие постепенного увеличения степени вязкости оказываются наделенными всеми признаками твердых тел. Они также обладают свойством обратного перехода из твердого в жидкое состояние.

Стеклом в обыденной жизни называют прозрачный хрупкий материал. В зависимости от того или иного компонента, входящего в состав исходной стекломассы, в промышленности различают следующие виды стекла: силикатные, боратные, боросиликатные, алюмосиликатные, бороалюмосиликатные, фосфатные и другие.

Как и любое другое физическое тело, стекло обладает рядом свойств.

Физические и механические свойства стекла

Плотность стекол зависит от компонентов, входящих в их состав. Так, стекломасса, в больших количествах включающая оксид свинца, более плотная по сравнению со стеклом, состоящим помимо прочих материалов и из оксидов лития, бериллия или бора. Как правило, средняя плотность стекол (оконное, тарное, сортовое, термостойкое) колеблется от 2,24×10 в кубе — 2,9×10 в кубе кг/м3. Плотность хрусталя несколько больше: от 3,5 х 10 в кубе — 3,7 х 10 в кубе кг/м3.

Прочность. Под прочностью на сжатие в физике и химии принято понимать способность того или иного материала сопротивляться внутренним напряжениям при воздействии извне каких-либо нагрузок. Предел прочности стекла составляет от 500 до 2000 МПа (хрусталя — 700-800 МПа). Сравним эту величину с величиной прочности чугуна и стали: соответственно 600-1200 и 2000 МПа.

При этом степень прочности того или иного вида стекла зависит от химического вещества, входящего в его состав.

Более прочны стекла, включающие в свой состав оксиды кальция или бора. Низкой прочностью отличаются стекла с оксидами свинца и алюминия.

Предел прочности стекла на растяжение составляет всего 35-100 МПа. Степень прочности стекла на растяжение в большей степени зависит от наличия различных дефектов, образующихся на его поверхности. Различные повреждения (трещины, глубокие царапины) значительно снижают величину прочности материала. Для искусственного увеличения показателя прочности поверхность некоторых стеклоизделий покрывают кремнийорганической пленкой.

Хрупкость — механическое свойство тел разрушаться под действием внешних сил. Величина хрупкости стекла в основном зависит не от химического состава образующих его компонентов, а в большей степени от однородности стекломассы (входящие в его состав компоненты должны быть беспримесными, чистыми) и толщины стенок стеклоизделия.

Твердостью обозначают механическое свойство одного материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого. Определить степень твердости того или иного материла можно с помощью специальной таблицы-шкалы, отражающей свойства некоторых минералов, которые расположены по возрастающей, начиная с менее твердого, талька, твердость которого взята за единицу, и заканчивая самым твердым — алмазом с твердостью в 10 условно принятых единиц.

Часто твердость стекла «измеряют» с помощью шлифования, используя так называемый метод определения абразивной твердости. В таком случае ее величина устанавливается в зависимости от скорости отслаивания единицы поверхности стеклоизделия при определенных условиях проведения шлифовки.

Степень твердости того или иного вида стекла в основном зависит от химического состава входящих в него компонентов. Так, использование при создании стекломассы оксида свинца значительно снижает твердость стекла. И, напротив, силикатные стекла достаточно плохо поддаются механической обработке.

Теплоемкостью называют свойство тел принимать и сохранять определенное количество теплоты при каком-либо процессе без изменения состояния.

Теплоемкость стекла прямо зависит от химического состава компонентов, входящих в состав исходной стекломассы. Его удельная теплота при средней температуре равна 0,33-1,05 Дж/(кгхК). Причем чем выше в стекломассе содержание оксидов свинца и бария, тем ниже показатель теплопроводности. Но вот легкие оксиды, такие, например, как оксид лития, способны повысить теплопроводность стекла.

При изготовлении стеклоизделий следует помнить о том, что аморфные тела, обладающие низкой теплоемкостью, остывают значительно медленнее, чем тела с высоким показателем теплоемкости. У таких тел наблюдается также увеличение количества теплоемкости с повышением внешней температуры. Причем в жидком состоянии этот показатель растет несколько быстрее. Это характерно и для стекол различных типов.

Теплопроводность. Таким термином в науке обозначают свойство тел пропускать через себя теплоту от одной поверхности до другой, при условии, что у последних разная температура.

Известно, что стекло плохо проводит тепло (кстати, это свойство широко используется в строительстве зданий). Уровень его теплопроводности в среднем составляет 0,95-0,98 Вт/(м х К). Причем наболее высокий показатель теплопроводности отмечен у кварцевого стекла. С уменьшением доли оксида кремния в общей массе стекла или при замене его на любое другое вещество уровень теплопроводности понижается.

Температура начала размягчения — это такая температура, при которой тело (аморфное) начинает размягчаться и плавиться. Самое твердое —- кварцевое — стекло начинает деформироваться только при температуре 1200-1500 °С. Другие типы стекол размягчаются уже при температуре 550-650 0С. Эти показатели важно учитывать при различных работах со стеклом: в процессе выдувания изделий, при обработке краев этих изделий, а также при термической полировке их поверхностей.

Величина температуры начала плавления того или иного сорта и вида стекла определяется химическим составом компонентов. Так, тугоплавкие оксиды кремния или алюминия повышают температурный уровень начала размягчения, а легкоплавкие (оксиды натрия и калия), напротив, понижают.

Тепловое расширение. Этим термином принято обозначать явление расширения размеров того или иного тела под воздействием высоких температур. Эту величину очень важно учитывать при изготовлении стеклоизделий с различными накладками по поверхности. Материалы для отделок следует подбирать так, чтобы величина их теплового расширения соответствовала тому же показателю стекломассы основного изделия.

Коэффициент теплового расширения стекол прямо зависит от химического состава исходной массы. Чем больше в стекломассе щелочных оксидов, тем выше показатель температурного расширения, и, наоборот, присутствие в стекле оксидов кремния, алюминия и бора снижает эту величину.

Термостойкостью определяется способность стекла не поддаваться коррозии и разрушению в результате резкой смены внешней температуры. Этот коэффициент зависит не только от химического состава массы, но и от размера изделия, а также от величины теплоотдачи на его поверхности.

Оптические свойства стекла

Преломление света — так в науке называют изменение направления светового луча при его прохождении через границу двух прозрачных сред. Величина, показывающая преломлние света стекла, всегда больше единицы.

Отражение света — это возвращение светового луча при его падении на поверхность двух сред, имеющих различные показатели преломления.

Дисперсия света — разложение светового луча в спектр при его преломлении. Величина дисперсии света стекла прямо зависит от химического состава материала. Наличие в стекломассе тяжелых оксидов увеличивает показатель дисперсии. Именно этим свойством и объясняется явление так называемой игры света в хрустальных изделиях.

Поглощением света определяют способность той или иной среды уменьшать интенсивность прохождения светового луча. Показатель поглощения света стекол невысок. Он увеличивается лишь при изготовлении стекла с применением различных красителей, а также особых способов обработки готовых изделий.

Рассеяние света — это отклонение световых лучей в различных направлениях. Показатель рассеяния света зависит от качества поверхности стекла. Так, проходя сквозь шероховатую поверхность, луч частично рассеивается, и потому такое стекло выглядит полупрозрачным. Это свойство, как правило, используют при изготовлении стеклянных абажуров для ламп и плафонов для светильников.

Химические свойства стекла

Среди химических свойств необходимо особо выделить химическую стойкость стекла и изделий из него.

Химической стойкостью в науке называют способность того или иного тела не поддаваться воздействию воды, растворов солей, газов и влаги атмосферы. Показатели химической стойкости зависят от качества стекломассы и воздействующего агента. Так, стекло, не подвергающееся коррозии при действии воды, может деформироваться при воздействии щелочных и солевых растворов.

Типы стекла — HCS Scientific & Chemical Pte Ltd

Типы стекла, используемые во имя науки

Стекло

— очень универсальный материал, которому можно придать форму и использовать в повседневных целях. Некоторые из наиболее часто используемых приложений, которые мы видим в нашей повседневной жизни, включают в себя употребление напитков, хранение продуктов питания, окна в наших домах и даже автомобили. Помимо обычных применений, стекло также используется во многих невидимых областях. Например, стеклянные компоненты широко используются в таких отраслях, как медицина или научная лаборатория. Стеклянная посуда включает в себя часто используемые мензурки, колбы, мешалки и т. д.

Так что же такое стекло?

Стекло — туманный материал, в котором отсутствует периодическая кристаллическая структура дальнего действия. Его можно формировать разными способами. Наиболее распространенный метод включает нагревание сырья до состояния расплавленного жидкого стекла. Затем расплавленной жидкости придают форму и быстро охлаждают, придавая ей желаемую форму.

При плавлении или охлаждении для формирования стекла процесс часто начинается со смеси нескольких порошков критического сырья. Эти смеси могут состоять из множества различных компонентов, каждый из которых играет свою важную роль. Большинство композиций включают сеткообразователи, флюсы, модификаторы свойств, осветлители и красители. Химический состав будет определять физические свойства и характеристики формованного стекла, из которого будут формироваться различные типы, такие как боросиликатное стекло, натриево-известковое стекло и т. д.

Сырье нагревают до достаточной температуры плавления, при которой оно превращается в вязкую расплавленную жидкость. Затем с материалами можно манипулировать и придавать им желаемую форму стекла.

3 Обычные типы, используемые в научной промышленности

Стекло

можно манипулировать и изменять, чтобы оно обладало различными физическими, химическими и оптическими свойствами. Для различных применений потребуются определенные типы стекла и производственные процессы. В коммерческом производстве стекла обычно используются несколько составов. В этой статье будут объяснены 3 наиболее распространенных коммерческих состава стекла, их свойства и типичные области применения.

Стекло с известково-натриевой кварцем

Откройте свой холодильник, и вы, скорее всего, найдете контейнеры и банки из натриево-кальциевого кварцевого стекла. Известково-натриевая композиция обычно используется для создания контейнеров для пищевых продуктов и напитков, декоративных предметов и аксессуаров, окон и оконных стекол, а также лабораторных изделий, таких как стаканы или цилиндры. На натриево-известковое кварцевое стекло приходится почти 90% стекла, производимого в мире!

Почему так? Ну, это относительно недорого в производстве, так как используемые материалы очень распространены. Производственные процессы также совершенствовались, оптимизировались и автоматизировались на протяжении многих лет, чтобы повысить производительность массового производства этих очков.

Однако известково-натриевые стекла не так долговечны, как другие классы, поскольку они склонны к разрушению при тепловом ударе и могут разлагаться в химически агрессивных средах. Однако за счет дополнительного производства, такого как химическое и термическое упрочнение, можно повысить долговечность и прочность натриево-известкового стекла.

Боросиликатные стекла

Разработан немецким стеклодувом Отто Скоттом. Боросиликатное стекло чаще всего используется в научной промышленности, оно известно своей превосходной долговечностью, стойкостью к тепловому удару и может выдерживать экстремальные температурные циклы.

В промышленной или транспортной среде очки часто подвергаются воздействию агрессивных химикатов, таких как реактивное топливо, гидравлические жидкости, кислоты, солевые растворы, растворители и щелочи. Даже постоянное воздействие воды может привести к повреждению некоторых очков. Прочность боросиликатных стекол показала способность противостоять влаге и химическим воздействиям. Из-за этого состав боросиликатного стекла чаще всего используется для изготовления лабораторной посуды, смотровых стекол в промышленном оборудовании, взрывозащищенного освещения и т. д.

Фосфатные стекла

Фосфатные стекла в основном состоят из P ₂ O ₅ . Это стекло отличается высокой стойкостью к плавиковой кислоте, но в остальном оно имеет низкую стойкость к химической коррозии.

Эти стекла обладают высокой стойкостью к плавиковой кислоте, но в остальном имеют относительно низкую стойкость к химической коррозии. Фосфатные стекла хорошо подходят для легирования различными красителями, в том числе ионами переходных металлов и оксидами редкоземельных элементов.

Эти цветные очки оказались полезными в различных медицинских, военных и научных целях.

Какие существуют типы лабораторной посуды? Labmate Online

Стеклянная посуда в изобилии встречается в лабораториях и бывает всех форм и размеров. Хотя в последние годы стало предпочтительнее заменять стеклянные сосуды более дешевыми, более прочными и менее хрупкими пластиковыми материалами, некоторые вещества и эксперименты или приложения по-прежнему требуют использования стеклянной посуды.

Причины этого разнообразны. Во-первых, стекло относительно инертно, то есть оно не будет вступать в реакцию с химическими веществами или веществами, помещенными внутрь, и тем самым искажать или искажать результаты. Он также прозрачен, что позволяет легко контролировать его, и термостойкий, что позволяет выдерживать высокие температуры. Кроме того, его легко формировать и формовать в любую требуемую форму.

В лаборатории имеется большое разнообразие различных стеклянных приборов, и они могут быть изготовлены из различных видов стекла в зависимости от назначения. Например, кварцевое стекло устойчиво к высоким температурам и прозрачно в определенных областях электромагнитного спектра. Стекло с толстыми стенками специально усилено для использования в экспериментах под давлением, а янтарное стекло затемняется, чтобы блокировать ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, что делает его идеальным для хранения жидкостей.

Вот некоторые из различных типов стеклянных инструментов, используемых в лабораториях:

• Грушевые и градуированные пипетки. Они используются для транспортировки определенного количества жидкости из одного места в другое.
• Бюретки. Используются для дозирования точного количества жидкости в другой сосуд.
• Мензурки. Простые контейнеры для образцов и реагентов.
• Колбы мерные. Подобно химическим стаканам, они используются для хранения образцов, но обычно имеют коническую или сферическую форму с сужающимся горлышком.

   

• Конденсаторы. Специально используется для охлаждения нагретой жидкости или газа.
• Реторты. Используются для дистилляции.
• Воронки. Коническое горлышко воронки позволяет легко наливать жидкость в узкое отверстие.
• Чашки Петри. Неглубокие чашки для культивирования живых клеток.
• Градуированные цилиндры. Подобно мензуркам, эти цилиндрические сосуды имеют объемную маркировку, позволяющую контролировать объем.
• Флаконы. Небольшие бутыли, используемые для хранения образцов или реагентов.
• Слайды. Используется для хранения предметов под микроскопом для осмотра и изучения.
• Стержни для перемешивания. Используется для смешивания растворителей и образцов.
• Эксикаторы. Контейнер, предназначенный для поглощения влаги из вещества.
• Пистолеты для сушки. Подобно эксикатору, пистолет представляет собой более прямой метод удаления влаги из образца.

При таком широком ассортименте стеклянной посуды на рабочем месте и максимальной точности, необходимой во всех экспериментах, крайне важно, чтобы оборудование содержалось в состоянии высшего качества. Хотя стекло устойчиво к высоким температурам и большинству химикатов (за исключением нескольких), длительное использование в течение длительного периода времени неизбежно приведет к деградации.

Насколько точны ваши стеклянные мерные инструменты? более подробно обсуждает химические вещества и методы, ответственные за эрозию стеклянной посуды, какие стандарты согласованы и как лучше всего их придерживаться, гарантируя, что ваша стеклянная посуда все еще находится в рабочем состоянии.