Изделия из медицинского и химико-лабораторного стекла

а) А.С. Панарин;

б) М.Г. Делягин;

в) А.И. Неклесса;

г) А.А. Зиновьев.

* Советую прочитать: Неклесса А. Конец цивилизации или зигзаг истории?//Космополис, 2004, № 1.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ХИМИЧЕСКИ И ТЕРМИЧЕСКИ СТОЙКИХ СТЕКОЛ

Химическая и термическая устойчивость являются свойствами важными для стекол и изделий любого типа и назначения. Однако существуют изделия, для которых эти свойства являются определяющими. К ним относятся химико-лабораторные, медицинс­кие, термометрические изделия, водомерные трубки, стеклянные фильтры и др.

Изделия из медицинского и химико-лабораторного стекла

Технология изделий из медицинского стекла (тары для хра­нения медпрепаратов) рассмотрена в главе 10.

Из химико-лабораторного стекла изготовляют изделия, при­меняемые в лабораторной практике, а также в различных облас­тях промышленности (химической, пищевой, медицинской, фар­мацевтической и др.): химическую посуду (стаканы, колбы, бюксы, мерные цилиндры и т.д.), приборы и приспособления из стеклян­ных трубок (пипетки, ареометры, холодильники, бюретки), лабо­раторные и промышленные аппараты (дистилляционные колонки, теплообменники, насосы для перекачки жидкостей, трубопрово­ды и др.). Для сборки аппаратуры из стекла, наряду с изделиями определенного назначения, изготовляют изделия с нормальными (взаимозаменяемыми) конусными шлифами, обеспечивающими возможность сборки и подгонки деталей аппаратуры.

Применение стеклянных деталей и аппаратуры в промышленно­сти позволяет увеличить сроки службы аппаратов, с успехом заме­нить дефицитные металлы, обеспечить высокую степень чистоты продуктов. Все это, наряду с легкостью очистки поверхности и про­зрачностью, позволяющей наблюдать за ходом процесса, определя­ет широкое применение стеклянных изделий и аппаратуры.

Составы и свойства стекол. В соответствии с назначением стек­ла и техникой изготовления из него изделий и аппаратуры, к хими­ко-лабораторному стеклу предъявляются три основных требова­ния: высокая химическая устойчивость по отношению к различным реагентам (атмосферной влаге, парам воды, растворам кислот, щелочей, солей и др.); высокая термическая стойкость; способность к обработке на стеклодувной горелке (низкая кристаллизационная способность в соответствующем интервале температур). По химической устойчивости все химико-лабораторные стекла делятся на четыре класса: XУ-I - химически устойчивые I класса, XУ-II - химически устойчивые II класса, ТУ - термически устойчивые, ТУК-термически устойчивые кварцевые и кварцоидные стекла.

Разнообразие требований по химической и термической устой­чивости стекол, вызванное различием условий их эксплуатации, обусловило и разнообразие их составов. Промышленные химико-лабораторные стекла являются многокомпонентными силикатны­ми стеклами, отличающимися пониженным содержанием оксидов щелочных металлов и присутствием в качестве стеклообразующих компонентов, помимо Si0₂ таких оксидов как В₂О₃,Аl₂O₃, а также TiO₂ и ZrO₂, повышающих химическую устойчивость стекла. По хи­мическому составу химико-лабораторные стекла могут быть раз­делены на четыре группы.

1 группа - натрий-кальций-силикатные стекла, содержащие зна­чительное количество (до 15%) оксидов щелочных металлов (пре­имущественно Na₂0), 5-10% CaO, 1,5-4% AI₂O₃, в некоторых случа­ях -3-4% В₂О₃. К этой категории относятся промышленные стекла № 23, № 29, КС-34, Ц32, ЦП и др. Равноценным по свойствам, но более дешевым, безборным является стекло № 29. Стекла Ц32, ЦЛ -также безборные, но для повышения химической устойчивости содержат 2,8-3,5% ZrO₂. Стекла I группы отличаются относитель­ной легкоплавкостью (вследствие высокой концентрации оксидов щелочных металлов), являются «длинными», что позволяет фор­мовать их различными способами, хорошо обрабатываются на стек­лодувной горелке (особенно при содержании 3-4% AI₂O₃). Однако высокое содержание в них оксидов щелочных металлов обуслов­ливает их высокий ТКЛР (около 90•10^-7°C^-1) и низкие термостой­кость (80-90°С) и температуры начала деформации (530-590°С). Соответственно эти стекла, относительно менее химически стой­кие (в сравнении со стеклами II группы), используют для изготовления лабораторной тонкостенной посуды и аппаратуры, а также толстостенных изделий: эксикаторов, газометров, мерных цилиндров и др.

К стеклам II группы относятся алюмоборосиликатные стекла с пониженным содержанием оксидов щелочных металлов. Содержание SiО₂, в них достаточно высоко (74-80%), В₂О₃ - 6-18%, Al₂O₃ 2-7%, Na₂О - 3,5-10%. Эта группа, являющаяся наиболее обширной, охватывает основную часть составов промышленных химико-лабораторных стекол. Наиболее распространенными из них являются стекло № 846, «Сиал» и др., а также стекла типа пирекс. По ТКЛР и термостойкости в этой группе можно выделить стекла двух типов с α = (45-60)^.10^-7 °С^-1 и термостойкостью 160-200 °С, и с α = (30-45) 10^-7С^-1 и термостойкостью 220-280 °С. К первому типу относятся стекла с более высокой концентрацией Na₂O (6-10%) более низкой В₂О₃ (3-9%), и достаточно высоким содержанием ок­сидов щелочноземельных металлов, ко второму - высококремне­земистые стекла типа пирекс, содержащие не менее 12% В₂0₃ и не более 5% Р₂0₅(как правило, Na₂O и К₂0). Особенность стекол типа пирекс состоит в их склонности к ликвации, характерной для высо­кокремнеземистых стекол системы Na₂O – В₂О₃ – SiO₂. Эту склон­ность снижают, вводя в состав стекла небольшие количества AI₂О₃. Тем не менее, нарушения в составе или тепловой обработке (от­жиге) могут привести к ликвации, существенно снижающей хими­ческую устойчивость, а также ухудшающей оптические свойства стек­ла. Другим недостатком этих стекол является склонность их к крис­таллизации в широком интервале температур, в том числе при обработке на стеклодувной горелке. Алюмоборосиликатные стек­ла обладают высокой устойчивостью к воде и растворам кислот, но низкой - к растворам щелочей (более низкой, чем у натрий-кальций-силикатных стекол). Они используются для изготовления высококачественной лабораторной посуды и аппаратуры с повы­шенной термостойкостью, стеклянной ваты для фильтрования, не­которых изделий, применяемых в микробиологии и медицине.

К III группе относятся алюмосиликатные безборные и малобор­ные стекла. Концентрация AI₂O₃ в них составляет 15-18,5%, В₂О₃ -не выше 5%, Na₂0 1-6,5% (в некоторых стеклах вообще отсутству­ет). Обязательным компонентом этих стекол являются оксиды ще­лочноземельных металлов: МgО, СаО, ВаО, обычно вводимые со­вместно. Алюмосиликатные стекла характеризуются высокой тем­пературой размягчения (680-750°С), электроизоляционными свойствами, низким ТКЛР (40-50) •10^-7С^-1, повышенной термостой­костью (150-200°С). Однако эти стекла имеют более низкую, чем боросиликатные, кислотостойкость, обусловленную пониженными содержанием SiO₂ и соотношением SiO₂/Al₂O₃. Сочетание свойств стекол предопределяет специальные области их применения: в ка­честве трубок в аппаратуре для химического анализа, толстостен­ных стеклянных труб, ламп высокого давления, жаростойкой кухонной посуды и т.д.

IV группу стекол составляют высокотермостойкие кварцевые и кварцоидные стекла с содержанием Si0₂, не менее 95%. Кварце­вое стекло обладает наиболее высокой устойчивостью по отноше­нию к воде, растворам кислот и другим кислым средам. При соче­тании с наиболее высокими термостойкостью (более 780 °С) и тем­пературой размягчения (1710°С) оно представляет собой уникальный материал для изготовления термостойкой химико-ла­бораторной посуды и аппаратуры, тиглей, трубок и т.д. К этой же группе относится кварцоидное стекло (или стекло викор), получа­емое путем выщелачивания высококремнеземистых боросиликатных стекол растворами кислот (см. § 3).

Особую группу химико-лабораторных стекол составляют цирконийсодержащие стекла, обладающие высокой устойчивостью к действию растворов щелочей, в 5-8 раз превышающей устойчивость промышленных кислотостойких стекол. К ним относятся стекла се­рии Щ, содержащие до 14% ZrO₂ при концентрации R₂O - 8-14%. Эти стекла характеризуются средними значениями ТКЛР (57-87)^.10^-7 °С^-1, высокой термостойкостью, температурой размяг­чения 700-730 °С и достаточно высокой водоустойчивостью. Цирконийсодержащие стекла наиболее широко используются для во­домерных изделий,

Некоторые из составов химико-лабораторных стекол приведе­ны в таблице 16.1.

Таблица 16.1. Составы химико-лабораторных стекол

Тип или № стекла	SiO2	B2O3	Al2O3	CaO	MgO	BaO	Na2O	K2O	ZrO2
№ 23	68,7	2,5	3,8	8,4	0,8	-	9,7	6,1	-
№ 29	68,3	-	3,7	7,5	3,5	3,5			0,5
№ 846					-	-		-	-
КС-34		3,9	2,15	6,3	2,26	ZnO 2,27	12,6	2,65	0,87
Иенское 20	75,7	6,8	5,2	1,3	-	3,6	6,2	1,2	-
Циркониевое Ц-32	68,6	-	4,4	6,7	2,5	-	14,7	-	3,1
Сиал		7,6	6,2	0,7	-		6,5	-	3,1
Пирекс				0,5	-	-	4,5	-	-
Щелочеустойчивое Щ26		La2O			-	SrO		Li2O

 

Технология изготовления изделий из химико-лабораторных стекол. Химико-лабораторные стекла варят в ванных пламен­ных и электрических печах непрерывного действия, производительностью 5-25 т/сут. Выработочная часть печей обычно отделена от варочной пережимом и лодочкой или соединена с ней протоком. Для варки специальных сортов стекол используют ванные печи периодического действия и горшковые печи. Режим варки стекла зависит от его состава. Наиболее технологичны натрий-кальций-силикатные стекла; температура их варки не превышает 1450° выработки - 1220-1320°С. Варку боросиликатных стекол типа иен- ских, а также безборных алюмосиликатных стекол, проводят при более высоких температурах - 1540-1580°С, выработку - при 1380-1400°С. Наиболее тугоплавкими являются стекла типа пирекс: их варят при 1660-1680°С, вырабатывают - при 1580-1560°С.

Выработка изделий всех типов (трубки, тонкостенная посуда, толстостенные изделия) производится преимущественно механизированным способом. Трубки из Na-Ca-Si- стекол вырабатывают способом горизонтального вытягивания (см. главу 13), тонкостен­ную посуду вместимостью до 750 мл - на выдувных автоматах с вакуумным и капельным питанием, толстостенные изделия - прессованием. Изделия из тугоплавких или специальных стекол, а так­же изделия сложной формы, или выпускаемые в малых количе­ствах вырабатывают ручным способом.

После выработки изделия отжигают в горизонтальных лерах с газовым или электрическим обогревом, а затем направляют на дальнейшую обработку. Для тонкостенных изделий она включает следующие операции: отколку колпачка, оплавку края, развертку края и формование носика, припайку трубок, притирку, контроль качества. Край толстостенных изделий обрабатывают шлифовани­ем. Технологический процесс изготовления тонкостенной химико-лабораторной посуды завершается маркировкой силикатными красками, которая осуществляется на специальном станке. Обжиг краски совмещается с отжигом изделий - для снятия напряжений, возникающих при огневой обработке края. Изготовление цилинд­ров, мензурок, мерных колб, бюреток и т.п. завершается их граду­ировкой, которую проводят двумя способами: травлением с по­мощью HF или ее солей и красками при помощи клише. Большой ассортимент изделий (пробирки, пипетки, холодильники и др.) Изготовляют из стеклянных трубок (см. главу 13).