Характеристики скла

Аморфна структура скла SiO₂

2.5.1 Склоподібний стан

Речовини в твердому стані при звичайних температурі і тиску можуть мати кристалічну або аморфну будову. У природі найпоширенішими є кристалічні тверді речовини, для структури яких характерний геометрично строгий порядок розташування частинок (атомів, іонів) в тривимірному просторі. Кристалічний стан є стабільним при звичайних умовах і характеризується найменшою внутрішньою енергією. Тверді кристалічні речовини мають чіткі геометричні форми, певні температури плавлення, у більшості випадків проявляють анізотропію властивостей.

Склоподібний стан речовини є аморфним різновидом твердого стану. Склоподібний стан є метастабільним, тобто характеризується надлишком внутрішньої енергії. Просторове розташування частинок речовини, що знаходиться в склоподібному стані, є неврегульованим, що підтверджується результатами рентгеноструктурних досліджень.

Скло може бути отримане шляхом охолодження розплавів без кристалізації шляхом переохолодження розплавів зі швидкістю, достатньою для запобігання кристалізації. Неорганічні розплави, що здатні утворити склофази, переходять до склоподібного стану при температурах нижчих за температуру склування T_g (при температурах вищих за T_g аморфні речовини перебувають у розплавленому стані).

Скло може бути отримане також шляхом аморфізації кристалічних речовин, наприклад бомбардуванням пучком іонів, або при осадженні парів на охолоджувані підкладки.

2.5.2 Фізико-механічні властивості скла

• Густина скла залежить від його хімічного складу. Вважається, що мінімальну густину має кварцове скло — 2203 кг/м³. Найменшу густину має боросилікатне скло, і, навпаки, густина скла, що містять оксиди свинцю, вісмуту, танталу сягає 7500 кг/м³. Збільшення густини при введення модифікаторів викликано заповненням порожнин просторового метало-силікатного каркасу, в результаті чого збільшується величина маси одиниці об'єму. Густина звичайних натрій-кальцій-силікатних видів скла, в тому числі віконних, коливається в межах 2500…2600 кг/м³. При підвищенні температури з кімнатної до 1300 °C густина більшості видів скла зменшується на 6…12 %, тобто в середньому на кожні 100 °C густина зменшується на 15 кг/м³. Табличні значення густини скла знаходяться у діапазоні від 2400 до 2800 кг/м³. Значення густини загартованих і відпалених зразків скла розрізняються на 0,08…0,09 кг/м³ одиниць другого знака після коми. В загартованому склі зафіксовано структуру розплаву, котра має більший об'єм у порівнянні із структурою відпаленого скла.
• Пружність скла також залежить від його хімічного складу і модуль Юнга для силікатного скла може змінюватися від 48 ГПа до 83 ГПа, модуль зсуву — 22…32 ГПа, коефіцієнт Пуассона — 0,17…0,3. Наприклад, у кварцового прозорого скла модуль Юнга становить 71,4 ГПа. Залежність модулів пружності від хімічного складу скла є неоднозначною. При збільшенні у складі скла вмісту оксидів лужних металів модулі пружності зменшуються, так як міцність зв'язків MeO значно менша від міцності зв'язку SiO. Уведення у склад до 12 % CaO чи B₂O₃, а також оксидів лужноземельних елементів Al₂O₃ та PbO сприяє зростанню модуля Юнга. Модуль пружності скла після гартування зростає на 8…10 %.
• Міцність. Вироби зі скла здатні витримувати набагато вищі напруження на стиск, ніж на розтяг. Для звичайного скла границя міцності на стиск становить у залежності від складу від 500 до 2500 МПа (у віконного скла близько 1000 МПа), на згин — 0,03…0,12 МПа. Шляхом загартовування скла вдається підвищити його міцність у 3 — 4 рази. Також значно підвищує міцність скла обробка його поверхні хімічними реагентами з метою видалення дефектів поверхні (найдрібніших тріщин, подряпин і т. д.).
• Твердість скла, як і багато інших властивостей, залежать від виду та вмісту домішок. За шкалою Мооса твердість скла становить 6-7 од., що знаходиться між твердістю апатиту і кварцу. Найтвердішими є кварцове скло, малолужне боросилікатне скло із вмістом Al₂O₃ до 10…12 % та алюмосилікатне скло з високим вмістом Al₂O₃. Зі збільшенням вмісту лужних оксидів твердість скла зменшується. Найм'якішими буде свинцеве скло.
• Крихкість. В діапазоні відносно низьких температур (нижче температури плавлення) скло руйнується від механічного впливу без помітної пластичної деформації і, тому відноситься до ідеально крихких матеріалів (поряд з алмазом та кварцом). Дана властивість може бути охарактеризована питомою ударною в'язкістю. Як і у попередніх випадках, зміна хімічного складу дозволяє регулювати і цю властивість: наприклад, введення брому підвищує міцність на удар майже удвічі. Силікатні види скла мають ударну в'язкість в межах 1,5…2,0 кН/м, чим у 100 разів поступаються залізу.
• Теплопровідність скла досить незначна і становить 0,0017…0,032 кал/(см·с·град) або від 0,711 до 13,39 Вт /(м·К). У віконного скла ця цифра дорівнює 0,0023 кал/(см·с·град) чи 0,96 Вт /(м·К).

2.5.3 Електро-фізичні властивості

Залежно від складу і від температури навколишнього середовища скло можуть бути ізолятором (діелектриком), напівпровідником і провідником струму.

2.5.3.1 Електропровідність

Велика група оксидних видів скла (силікатні, боратні, фосфатні та ін.) належить до класу ізоляторів, що обумовлено високими значеннями ширини забороненої зони. При кімнатній температурі питома об'ємна електропровідність силікатного скла лежить в межах 10^-7...10^-15 Ом^-1 м^-1.

Встановлено, що носіями струму в оксидних видах скла є катіони лужних або лужноземельних металів. Низька електропровідність оксидного скла обумовлена ​​малою рухливістю катіонів. Підвищення температури супроводжується зниженням в'язкості, збільшенням рухливості носіїв струму, в результаті чого електропровідність зростає на декілька порядків.

Кварцове скло є майже ідеальним ізолятором серед силікатних видів скла. Його електропровідність при кімнатній температурі становить 10^-18 Ом^-1·м^-1, а при 800 °C 10^-4 Ом^-1·м^-1.

В результаті адсорбції вологи, а також продуктів хімічної взаємодії поверхні з вологою повітря на поверхні виробів створюється електропровідний шар. У багатьох випадках цей процес є небажаним, оскільки негативно позначається на ізоляційних властивостях скла. Підвищення вмісту в склі оксидів лужних металів прискорює реакцію гідролізу поверхневого шару скла. Введення у склад скла оксидів BaO, MgO, ZnO, PbO до 10...15 % замість SiO₂ або спеціальна обробка поверхні парою кремнійорганічних сполук сприяє зниженню поверхневої провідності.

2.5.3.2 Діелектричні властивості скла

Силікатні види скла при температурах нижчих за температуру склування (Tg) відносяться до класу діелектриків.

Діелектрична проникність скла залежить від його складу, змінюючись для силікатного скла від 3,8 (для кварцового) до 16,2 (для скла з високим вмістом оксидів важких металів) і мало залежить від температури аж до 400...500 °С.

З підвищенням частоти поля діелектрична проникність зменшується. Найінтенсивніше цей ефект спостерігається в області низьких частот від 0 до 10³ Гц, в той час як в інтервалі 10³...10¹⁰ Гц це зменшення (при нормальній температурі) не перевищує 10%. З підвищенням температури діелектричні втрати інтенсивно збільшуються і, як наслідок, діелектрик розігрівається.

2.5.3.3 Електрична міцність

Електрична міцність скла при тепловому пробої зменшується зі збільшенням товщини зразка внаслідок погіршення відводу тепла від внутрішніх шарів виробу.

У змінному електричному полі розігрівання діелектрика здійснюється інтенсивніше (додаються діелектричні втрати), в результаті чого електрична міцність скла в змінному полі нижча, ніж у постійному. Тепловий механізм пробою характерний як для діелектриків, що мають при звичайних умовах досить високе значення електропровідності. Електрична міцність скла при тепловому пробої становить 10⁴...10⁵ кВ·м^-1.

2.5.4 Гігієнічні характеристики

Скло не виділяє шкідливих речовин, не має запаху, забезпечує тривале зберігання продуктів, добре миється та дезінфікується, легко утилізується, має добрі декоративні можливості. Крім того скляна промисловість забезпечена найбагатшими сировинними ресурсами.

Природні властивості скла та його аморфність наділяють цей матеріал крихкістю, але в той же самий час відсутність кристалічної ґратки надає унікальну можливість використати скло в медицині.

Скло надзвичайно стійке до різноманітних реагентів (за винятком плавикової кислоти), а також до дій атмосферних явищ. Дуже високі санітарно-гігієнічні властивості скла дають можливість використовувати його не тільки для приготування їжі, але й для довготермінового зберігання продуктів — соління, маринади, компоти, варення, джеми, прянощі тощо. Закорковані у скляних пляшках вина зберігаються багато років, навіть століття, не втрачаючи своїх властивостей. Парфуми ж виготовляють виключно у скляному посуді, бо скло нейтральне хімічно й енергетично, що дає можливість зберегти повний букет ароматів, закладений виробником, а нам — скористатися вишуканим парфумом без будь-яких сторонніх домішок. До речі, знайдені археологами пахощі в скляних пляшечках також зберегли свої властивості, не зважаючи на тисячоліття проведені здебільшого під землею. Скляний посуд використовується багаторазово, адже він добре миється, його можна мити як рідкими, так і абразивними мийними засобами, обробляти парою, кип'ятити (дотримуючись обережності) для повного винищення бактерій і будь-яких небажаних запахів.

2.6 Загальна технологія виготовлення скла

За минулі тисячоліття методи виготовлення скла майже не змінилися, найраніші зразки практично нічим не відрізняються від сучасного, усім відомого скла для виготовлення пляшок (винятком є тільки сучасне скло із заданими властивостями). У природному стані воно існує як мінерал обсидіан — вулканічне скло. Величезна кількість модифікацій скла дає змогу найрізноманітнішого утилітарного використання, обумовленого його складом і хіміко-фізичними властивостями.

Звичайне віконне скло і скляний посуд являють собою сплав оксиду натрію, оксиду кальцію і діоксиду силіцію. Його приблизний склад можна виразити формулою: Na₂O • CaO • 6SiO₂. Вихідними матеріалами для виготовлення скла слугує білий кварцовий пісок SiO₂, сода Na₂CO₃ і вапняк або крейда CaCO₃. Суміш цих речовин у відповідних співвідношеннях сплавляють у спеціальних печах. Спочатку при 700—800°С внаслідок взаємодії карбонатів натрію і кальцію з діоксидом силіцію утворюються силікати натрію і кальцію:

• Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂ ↑
• CaCO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂ ↑

При 1200—1300 °C силікати натрію і кальцію з надлишком діоксиду силіцію утворюють сплав

• Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + 4SiO₂ = Na₂O•CaO•6SiO₂

Скляну масу в розплавленому стані витримують до повного видалення газів. Разом з тим проводять знебарвлення скла додаванням незначних кількостей діоксиду марганцю MnO₂. Звичайне скло буває забарвлене в зелений колір домішками оксидів заліза які потрапляють разом з піском. Діоксид марганцю надає склу рожевого забарвлення, а зелений і рожевий кольори в сукупності дають білий колір. Після цього скляну масу охолоджують до певного ступеня в'язкості і виготовляють різні вироби.