Файл: Зимин, В. С. Стеклодувное дело и стеклянная аппаратура для физико-химического эксперимента.pdf

синий цвет вводят соединения кобальта (Со), в зеленый — окись

хрома (СггОз), в фиолетовый — соединения марганца (Мп), в ру­ биновый— закись меди (Cu2O) или металлическое золото (Au).

Варят стекло в специальных печах при высоких температурах.

Во время варки стекла происходят сложные химические и физи­ ческие процессы, в результате которых шихта, претерпевая ряд

изменений, превращается в осветленную и однородную стекло­ массу.

Процесс стеклообразования начинается при достижении 1200—

§ 2. Физические свойства

Физические свойства стекла зависят от его химического со­ става, условий варки и последующей обработки. Стекло не имеет определенной точки плавления. Оно переходит в жидкое состоя­ ние постепенно, становясь мягче при повышении температуры.

но сама по себе эта величина — довольно неопределенна. Важнейшими свойствами стекла, определяющими условия его

варки и дальнейшей обработки, являются вязкость и поверхност­ ное натяжение.

Вязкость. Свойство жидкостей (а также газообразных и твер­

дых тел) оказывать сопротивление их течению — перемещению одного слоя относительно другого — под действием внешних сил

называют вязкостью и обозначают η. Таким образом, вязкость

характеризует внутреннее трение, поэтому это свойство часто называют внутренним трением. Вязкость—понятие, обрат­

ное текучести (подвижности, ползучести). Количественно эту величину выражают силой, действующей на единицу площади соприкосновения двух слоев, которая достаточна для поддержа­ ния определенной скорости перемещения одного слоя относи­ тельно другого. В системе измерения СГС вязкость измеряется в пуазах; пуазы принято обозначать П: 1 пуаз = 1 дина-секунда/сан- тиметр = 100 сантипуаз = IO6 микропуаз или 1П = 1 дн-с/см = = 1 γ∕(cm∙c) = IO2 сП = IO6 мкП. В единицах измерения СИ вяз­ кость выражается в паскаль-секунда (Па-с) : 1П = 0,1 Па-с.

Вязкость стекла в обычных условиях равна IO13—IO15 П (или IO12—IO14 Па-с). При нагревании вязкость стекла уменьшается,

оно делается более мягким и тягучим, так что его можно фор­ мовать, подвергать тепловой обработке.

Обрабатывать на пламени стеклодувных горелок можно только размягченное стекло, вязкость которого лежит в интер­ вале от IO3 до IO4 П. Механическое формование стекла произво­ дят при температуре 800—IlOOoC и вязкости ІО4—4-Ю3 П.

19

При остывании стекло вновь твердеет. Температура, при кото­

Кривая изменения вязкости с уменьшением температуры дол­ жна быть относительно пологой, т. е. вязкость не должна изме­ няться слишком резко. В зависимости от вида кривой «вязкость —

температура» стекла делят на «длинные» (пологая кривая) и «короткие» (более крутая кривая). К «длинным» стеклам отно­ сятся сравнительно легкоплавкие стекла — свинцовые, № 23, мо­ либденовые и др.; к «коротким» — стекла типа «пирекс». Самым

«коротким» стеклом является кварцевое.

При быстром изменении температуры в стекле возникают не­

равномерные внутренние напряжения. Такое стекло очень не­ прочно и легко растрескивается. Напряжения в стекле снимают путем отжига. Для этого изделия помещают в печь в зону с тем­ пературой на 20—30 К (градусов) ниже температуры стеклова­ ния, выдерживают при этой температуре некоторое время, а за­ тем медленно охлаждают. Естественно, чем меньше вязкость стекла, тем меньше нужно его нагревать, чтобы снять внутренние напряжения.

Поверхностное натяжение. Поверхность любой жидкости, а сле­

довательно и расплавленной стекломассы, всегда стремится со­ кратиться за счет сил, которые называют силами поверхностного

натяжения. Чтобы увеличить поверхность, требуется затратить работу. Размер этой работы, отнесенный к единице поверхности,

называют поверхностным натяжением и обозначают σ. В системе единиц СГС эту величину измеряют в динах на санти­

магния (MgO) его поверхностное натяжение увеличивается, а при введении окисей калия (КгО), натрия (Na2O), бария (Ba2O3) и фосфора (P2O5) — снижается. Поверхностное натяжение умень­ шается при повышении температуры.

Чем больше поверхностное натяжение стекла, тем труднее его обрабатывать и тем сильнее приходится нагревать его (до более высокой температуры) стеклодуву при обработке (выдувании, осаживании, сгибании и др.).

§ 3. Механические свойства

Плотность. Плотность (р) определяется отношением массы

тела к его объему. В системе единиц СГС ее измеряют в граммах

7 г/см3.

11

Упругость. Упругостью называют свойство тела принимать свои первоначальные размеры и формы, измененные под воздействием каких-либо внешних усилий, после снятия этих усилий. Однако это свойство проявляется у тел до тех пор, пока приложен­

ные усилия не превышают некоторого предельного значения (пре­ дела упругости), при котором тела теряют способность быть

упругими.

Потеря упругости у разных материалов проявляется по-раз­ ному: одни после снятия усилия остаются деформированными (так называемая остаточная деформация); другие при достижении предела упругости разрушаются. Первые ма­

териалы называются пластичными, вторые — хрупкими. Стекла относятся ко второй группе материалов.

Хрупкость. Хрупкость — состояние материла, в котором под дей­ ствием внешних сил материал совсем не проявляет остаточной деформации (или последняя очень мала) и разрушается. Боль­ шая хрупкость стекла весьма ограничивает его применение. Хруп­

кость увеличивается, если стекло неоднородно по составу или тол­ щине, если в нем имеются вкрапления инородных тел, пузырьков

воздуха, если поверхность его поцарапана.

Материал можно вывести из хрупкого состояния, изменив внешние условия. Например, хрупкое при обычных условиях стекло становится пластичным при нагревании. Другие мате­

риалы будучи пластичными при обычных условиях, становятся хрупкими при понижении температуры. Так, резина при охлажде­ нии становится хрупкой и легко разбивается. Таким образом, одни и те же материалы при разных условиях могут находиться или в хрупком, или в пластичном состоянии. Этим пользуются при формовке и обработке стекла, при изготовлении из него раз­ ных деталей и приборов. Различные сорта стекла при этом тре­

буется нагреть до разной температуры.

В зависимости от состава стекла делятся на тугоплавкие (типа

«пирекс» и кварцевые) и легкоплавкие (свинцовое, электродное,

и даже кислорода в пламя, для обработки вторых иногда доста­ точно температуры пламени обычной газовой горелки.

Твердость. Твердость — сопротивление поверхностных слоев материала местным деформациям. Обычно она оценивается сопро­ тивлением вдавливанию индикатора (шарика, конуса и т. п.).

Существует также шкала твердости, предложенная Моосом и на­

званная его именем. Эта шкала составлена из ряда материалов, которые расположены по увеличению твердости, причем каждый последующий царапает предыдущий. В этой шкале каждый ми­ нерал имеет свой номер, характеризующий его относительную

12