Из чего делают стекло
Здравствуйте товарищи, сегодня мы продолжим погружаться в увлекательный мир стекол.
Как я уже говорил, оксидные стекла занимают доминирующую позицию в нашей повседневной жизни. Тут и окна, через которые мы смотрим на мир, находясь в своих уютных домах, экраны смартфонов и мониторы компьютеров, оптика ваших любимых камер, посуда для готовки и наш друг граненый стакан!
У всех этих стекол много общего, но все они индивидуальности и отличает их богатый внутренний мир. Совсем как у людей.)
Сказав про богатый внутренний мир, я не лукавил, ведь он обусловлен химическим составом стекол. Этот удивительный материал постарался собрать в себе все возможные элементы таблицы Менделеева, только их небольшое количество не смогло войти в состав стекол, например благородные газы.
Даже радиоактивные вещества, например, соли урана, нашли применение в урановых стекла, которые красиво светятся под воздействием ультрафиолетового излучения.
Но нельзя просто взять, смешать любые оксиды в надежде получить стекло. Нужно учитывать особенности каждого вещества участвующего в стеклообразовании, поэтому их разделили на три группы: стеклообразователи, модификаторы и промежуточные. Давайте рассмотрим их поподробнее.
Стеклообразователи – это вещества способные самостоятельно образовывать непрерывную структурную сетку. Среди стеклообразователей доминирующую роль занимает оксид кремния, входящий в большинство составов современных стекол. Кроме оксида кремния к стеклообразовтелям относятся: оксиды бора, германия, фосфора. Также есть редкие составы, где в качестве стеклообразователей выступают оксиды: теллура, вольфрама, ванадия, молибдена. Рассмотрим несколько основных представителей.
Оксид кремния, как уже говорилось самый первый из стеклообразователей, нашел применение во всех сферах человеческой деятельности.
Оксид германия – ближайший аналог оксида кремния. Подобно структуре кварцевого стекла, германатные стекла состоят из тетраэдров окруженных четырьмя атомами кислорода. Но из-за низкой химической стойкости и дороговизны основного компонента, стекло только из оксида германия, к примеру, как кварцевое, не встречается. В свою очередь в многокомпонентных составах, особенно оптических стекол, он нашел широкое применение.
Да, да, мой дрогой друг! В линзах твоей камеры присутствует оксид германия, который помогает делать красивые фоточки.
Оксид бора – стеклообразователь, который уважает каждая домохозяйка, даже не подозревая об этом. Чаще всего встречается в боросиликатных стеклах, которые были синтезированы Отто Шоттом в далеком 1887 году. Более известны под названием пирекс. Благодаря оксиду бора эти стекла отличаются высокой термической стойкостью. Поэтом из них делают химическую посуду, а также стеклянную кухонную посуду, которую можно спокойно поставить в духовку.
Стекла на основе оксида фосфора благодаря своим уникальным оптическим свойствам, а именно высокому квантовому выходу люминесценции, нашли широкое применение в лазерной технике. Из них изготавливают активные элементы твердотельных лазеров.
К модификаторам относятся оксиды щелочных металлов, например натрия и калия, а также щелочноземельных металлов, кальций и магний. Их назначение – изменять свойства стекол, например температуру плавления, что в свою очередь снижает температуру варки. Принцип их действия такой: из-за больших размеров, ионы этих металлов не могут присоединиться к структурной сетке, а встраиваются в ее промежутки, освободившиеся атомы кислорода, напротив, присоединяются к сетке, разрывая часть связей.
Стеклоделие началось благодаря модификаторам, которые позволили получить первые стекла, при относительно низких температурах варки. Всем известное сочетание песок + сода + известь, представляет собой состав SiO2-Na2O-CaO, где присутствует стеклообразователь и два модификатора.
Промежуточные – это такие ребята, которые до конца не определились со своей ролью в этом мире. Их главная задача, как и у модификаторов, изменять физико-химические свойства стекла, но в отличие от модификаторов они могут встраиваться в структурную сетку стекла. Известные представители данной группы: оксиды алюминия, свинца, бериллия и т.д.
Сами они не в силах образовывать стекла, но в сочетании с другими оксидами, особенно модификаторами, у них, иногда получается. Например, легко образуются стекла в системе CaO-Al2O3, стеклообразование в котором, предположительно, выглядит следующим образом:
Вот такие три основных группы сырьевых материалов существуют в стекольном производстве. На стекольные заводы они поступают в разном виде: природное минеральное сырье или химически синтезированное. Все зависит от того, в каком виде компонент встречается в природе и насколько жесткие требования к сырьевым материалам.
Если мы говорим об оконном стекле, то тут используется минеральное сырье: кварцевый песок в качестве стеклообразователя, известь, полевой шпат, доломиты и т.д. Но в них присутствует и синтезированное сырье, например сода
А вот если мы делаем точную оптику, волноводы, где очень жесткие требования к составу, то приходится использовать только синтезированное сырье, за что приходится платить высокой температурой синтеза, ведь примеси положительно влияют на варку.
Резюмируя можно сказать, что стекло синтезируют не только на основе оксида кремния, но благодаря его распространенности и прекрасным стеклообразующим свойствам, сложно встретить состав, где бы он ни присутствовал, даже в малых количествах. Это очень редкие стекла с высокой стоимостью и специфическим применением.
Следующий коротенький пост будет о процессах, происходящих во время варки. А дальше у же по технологии, там и разберем какое сырье берут конкретно. Пока по плану оконное, оптическое и ситалл. Пока писал этот пост, задумался о боросиликатном стекле, там способ варки интересный.