Скло

Скляна пляшка

Вироби зі скла

Скло — тверда аморфна речовина, прозора, в тій чи іншій частині оптичного діапазону (в залежності від складу), здобута під час застигання розплаву, що має склотвірні компоненти.

Склотвірний компонент — речовина (оксид, сульфід, селенід, телурид чи фторид елементу), яка в процесі застигання розплавленої маси утворює скло.

Під склом розуміють сплави різних силікатів з надлишком діоксиду силіцію. Розплавлене скло не відразу твердне при охолодженні, а поступово збільшує свою в'язкість, аж поки не перетвориться в однорідну тверду прозору речовину. Скло при твердінні не кристалізується, тому воно не має різко вираженої точки плавлення.

Скло — штучний матеріал, який має такі властивості як прозорість, твердість, хімічна стійкість, термостійкість. Крім того, скло має властивості, які залежать від його прозорості. Завдяки цьому скло широко використовують майже у всіх галузях техніки, медицині, у наукових дослідженнях та у побуті.

Отримання

Довгий час першовідкривачем скла вважали Єгипет, адже глазуровані склом фаянсові прикраси, вік яких нараховує п'ять тисяч років, знаходили саме там. Але вчений Н. Качалов стверджує, що на території Старовавілонського царства археологи постійно знаходять сосудики для пахощів місцевого походження, виконані в тій же техніці, що і єгипетські. Учений стверджує — є всі підстави вважати, «що в Єгипті й у країнах Передньої Азії джерела склоробства… відділяються від наших днів проміжком приблизно в шість тисяч років».

Скло отримують шляхом термічної обробки шихти, яка є сумішшю природних або штучних сировинних матеріалів. Шихту завантажують у піч, і при певній температурі та витримці, отримують розплав — скломасу. При охолодженні скломаси в‘язкість її зростає, що надає можливість формувати вироби шляхом видування, прокатки, витягування, пресування чи пресо видування.

Види скла

В залежності від практичного використання скляних виробів змінюється хімічний склад скла, форма, розміри, та спосіб їхнього виготовлення. Сучасна скляна промисловість виготовляє найрізноманітніші вироби — промислове та побутове листове скло, скляні труби і ізолятори, медичне та парфумерне скло, тарне та сортове скло, піноскло, скловолокно, ситали та інше.

Тарне скло

Див. також: майонезна баночка

Тарне скло займає досить велику частку від загального об‘єму продукції, що виготовляють скляні заводи. Це відбувається тому, що тарне скло використовується для фасування, зберігання та транспортування різноманітних рідких пастоподібних та твердих продуктів.

Перевагами скляної тари, що обумовлюють широке її використання у різноманітних галузях промисловості та в побуті є: гігієнічність, прозорість, можливість виготовлення тари різноманітних розмірів та форми, можливість герметичного закривання та багаторазового використання, доступна ціна.

Кришталь

Кришталь — художнє скло, що називають так за схожість із гірським кришталем — один із найдорожчих і найгарніших різновидів. Із нього виготовляють різноманітний посуд, вази, люстри, що можуть посперечатися своєю красою із найвитонченішими витворами мистецтва.

Оптичне скло використовують для виготовлення лінз, призм, кювет і багато чого іншого.

Хіміко-лабораторне скло має високу хімічну й температурну стійкість, що дає змогу використовувати його під час наукових, часом небезпечних дослідів.

Медичне скло використовується для зберігання й упаковки лікарських препаратів, ін'єкційних і бактеріологічних розчинів, а також предметів догляду за хворими.

Скляний жаростійкий посуд (борне скло) визнаний одним із найкращих для приготування страв. У ньому можна готувати супи, каші, запіканки, тушкувати овочі, м'ясо, заварювати чай, каву звичайно ж, дотримуючись певних правил користування.

Характеристики скла

Аморфна структура скла SiO₂.

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 досягає 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 складає 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 МеO значно менша від міцності зв'язку SiО. 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).

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.

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.

Застосування

Зі скла виробляють волокно, вату, тканини тощо. Ці матеріали відзначаються, значною механічною міцністю, негорючістю, кислотостійкістю і високими тепло- і електроізоляційними властивостями. Вони мають широке застосування в різних галузях техніки і будівельній справі.

Див. також

• Склопакет
• Флоат-скло
• Вулканічне скло
• Гута

Джерела

• Деркач Ф. А. «Хімія». — Л. 1968.
• Технологія матування скла