Стекло как материал

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

I. Стекло

1. Стекло как материал

2. Физические свойства

3. Механические свойства

4. Термические свойства

5. Химическая стойкость

6. Производство

7. Экологические воздействия производства листового стекла на состояние окружающей среды

8. Распад

9. Переработка отходов стекла

10. Переработка стеклянных банок и бутылок

II. Ситаллы

1. Ситаллы-революционное открытие ХХ века

2. Свойства ситаллов

3. Классификация

4. Получение

5. Применение

6. История получения

Заключение

Введение

Миллионы лет назад огненная лава, выброшенная на поверхность земли в виде стекловидной массы, застывая при разных условиях, превращалась в естественные камни - граниты, трахиты, вулканический пепел и др. Этот процесс протекал стихийно, поэтому по своим свойствам различные камни резко отличаются друг от друга. В дальнейшем ученые нашли пути управления процессами кристаллизации расплавов, в частности, стекла, и разработали технологию получения так называемых ситаллов, позволяющую превращать стекло в прочнейший материал. В 1950-х гг. директор отделения фундаментальных исследований по химии компании «Дау Корнинг» в Нью-Йорке Дональд Стукей открыл способ стимулирования процесса кристаллизации стекла с целью получения новых ценных материалов из «расстеклованной массы». С этого времени процесс кристаллизации стекла, известный как самопроизвольный (или спонтанный) и приносивший большие потери на производстве, стал управляемым и направленным. В 1953 г. Дональд Стукей опубликовал статью о механизированном производстве новых материалов, и уже в 1957 г. он получил ряд патентов на их изготовление. Первое официальное сообщение о создании новой отрасли по превращению стекла в тонкокристаллическую «стеклокерамику» было сделано фирмой «Дау Корнинг» 23 мая 1957 г.

стекло химический ситтал

I. Стекло

1. Стекло как материал

Стекло - один из прекраснейших материалов, изобретенных еще 3000 лет до нашей эры. Несмотря на «солидный возраст», оно до сих пор честно служит людям, с каждым годом, открывающим в нем новые качества. Стекло - это красивые дома и сверхпрочные материалы, художественные изделия и ткани. Это один из материалов, которым никогда не перестанут любоваться люди. Оно незаменимо в быту и лабораторной практике. О стекле написано сотни книг, проведены и проводятся научные исследования, но до сих пор нет точного определения термина «стекло».

Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, и обладающие механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым.

В стекловидном состоянии могут находиться вещества, как естественного происхождения, так и полученные искусственно. К естественным стеклам относятся: вулканическая магма, пемза, смолы. Искусственные неорганические стекла - переохлажденные расплавы, в состав которых входят окиси кремния, бора, фосфора, щелочных и щелочноземельных металлов.

Исходными материалами для получения искусственной стекольной массы являются кварцевый песок, кальцинированная сода, поташ, сульфат натрия, мел и известняк, карбонат магния, доломит, карбонат бария, натриевая и калиевая селитры. В некоторые сорта стекол вводят окись алюминия, окись свинца и окислы других металлов.

Основным компонентом стекла является двуокись кремния - кремнезем, температура плавления которого равна 1728°С. Содержание окиси кремния в стекле составляет 50-85%, а в кварцевом стекле 98,8-99,9%. Содержание других компонентов, входящих в состав стекол, приведено в таблицах 1 и 2.

Цветные стекла получают, вводя в шихту окислы или другие соединения разных элементов, например для окраски стекла в синий цвет вводят соединения кобальта, в зеленый - окись хрома, в фиолетовый - соединения марганца, в рубиновый-закись меди или металлическое золото.

Варят стекло в специальных печах при высоких температурах. Во время варки стекла происходят сложные химические и физические процессы, в результате которых шихта, претерпевая ряд изменений, превращается в осветленную и однородную стекломассу.

Процесс стеклообразования начинается при достижении 1200- 1240°С. В заводских условиях стекло варят при 1400-1450°С; осветление стекломассы происходит при 1500 °С. Особые сорта стекла варят при еще более высокой температуре.

2. Физические свойства

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

Часто применяют термин «температура размягчения» стекла. По-видимому, эта температура лежит выше температуры отжига стекла, но сама по себе эта величина довольно неопределенна.

Важнейшими свойствами стекла, определяющими условия его варки и дальнейшей обработки, являются вязкость и поверхностное натяжение.

Вязкость. Свойство жидкостей оказывать сопротивление их течению-перемещению одного слоя относительно другого - под действием внешних сил называют вязкостью и обозначают г). Таким образом, вязкость характеризует внутреннее трение, поэтому это свойство часто называют внутренним трением. Вязкость - понятие, обратное текучести. Количественно эту величину выражают силой, действующей на единицу площади соприкосновения двух слоев, которая достаточна для поддержания определенной скорости перемещения одного слоя относительно другого. В системе измерения СГС вязкость измеряется в пуазах; пуазы принято обозначать П: 1 пуаз = 1 дина-секунда/сантиметр = 100 сантипуаз = 10е микропуаз или 1П= 1 дн-с/см = = I г/ = 102 сП = 106 мкП. В единицах измерения СИ вязкость выражается в паскаль-секунда: 1П = 0,1 Па-с.

Вязкость стекла в обычных условиях равна Ю13-10ls П При нагревании вязкость стекла уменьшается, оно делается более мягким и тягучим, так что его можно формовать, подвергать тепловой обработке.

Обрабатывать на пламени стеклодувных горелок можно только размягченное стекло, вязкость которого лежит в интервале от 103 до 10* П. Механическое формование стекла производят при температуре 800-1100 °С и вязкости 104-4 -103 П.

При остывании стекло вновь твердеет. Температура, при которой вязкость стекла достигает 1013П, называется температурой стеклования.

Кривая изменения вязкости с уменьшением температуры должна быть относительно пологой, т. е. вязкость не должна изменяться слишком резко. В зависимости от вида кривой «вязкость - температура» стекла делят на «длинные» и «короткие». К «длинным» стеклам относятся сравнительно легкоплавкие стекла - свинцовые, молибденовые и др.; к «коротким» - стекла типа «пирекс». Самым «коротким» стеклом является кварцевое.

При быстром изменении температуры в стекле возникают неравномерные внутренние напряжения. Такое стекло очень непрочно и легко растрескивается. Напряжения в стекле снимают путем отжига. Для этого изделия помещают в печь в зону с температурой на 20-30 С ниже температуры стеклования, выдерживают при этой температуре некоторое время, а затем медленно охлаждают. Естественно, чем меньше вязкость стекла, тем меньше нужно его нагревать, чтобы снять внутренние напряжения.

Поверхностное натяжение. Поверхность любой жидкости, а следовательно и расплавленной стекломассы, всегда стремится сократиться 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 о. В системе единиц СГС эту величину измеряют в динах на сантиметр, в СИ - в ньютонах на метр; 1 дин/см = = 1 ¦ Ю-3 Н/м. Поверхностное натяжение стекла равно 220- -380 дин/см и зависит от его химического состава. При введении в состав стекла окисей алюминия и магния его поверхностное натяжение увеличивается, а при введении окисей калия, натрия, бария и фосфора - снижается. Поверхностное натяжение уменьшается при повышении температуры.

Чем больше поверхностное натяжение стекла, тем труднее его обрабатывать и тем сильнее приходится нагревать его стеклодуву при обработке.

3. Механические свойства

Плотность. Плотность определяется отношением массы тела к его объему. В системе единиц СГС ее измеряют в граммах па кубический сантиметр, в СИ - в килограммах на кубический метр: 1 г/см3 = 1-Ю3 кг/м3. Плотность стекла з, при котором тела теряют способность быть упругими.

Потеря упругости у разных материалов проявляется по-разному: одни после снятия усилия остаются деформированными; другие при достижении предела упругости разрушаются. Первые материалы называются пластичными, вторые - хрупкими. Стекла относятся ко второй группе материалов.

Хрупкость. Хрупкость - состояние материла, в котором под действием внешних сил материал совсем не проявляет остаточной деформации и разрушается. Большая хрупкость стекла весьма ограничивает его применение. Хрупкость увеличивается, если стекло неоднородно по составу или толщине, 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 материалы будучи пластичными при обычных условиях, становятся хрупкими при понижении температуры. Так, резина при охлаждении 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 разных деталей и приборов. Различные сорта стекла при этом требуется нагреть до разной температуры.

В зависимости от состава стекла делятся на тугоплавкие и легкоплавкие. При работе первые приходится нагревать до ~1800°С и применять специальные паяльные горелки с подачей воздуха и даже кислорода в пламя, для обработки вторых иногда достаточно температуры пламени обычной газовой горелки.

Твердость. Твердость - сопротивление поверхностных слоев материала местным деформациям. Обычно она оценивается сопротивлением вдавливанию индикатора. Существует также шкала твердости, предложенная Моосом и названная его именем. Эта шкала составлена из ряда материалов, которые расположены по увеличению твердости, причем каждый последующий царапает предыдущий. В этой шкале каждый минерал имеет свой номер, характеризующий его относительную твердость. Самый твердый из них - алмаз - имеет № 10, корунд- № 9. Твердость всех других материалов оценивается в сравнении с твердостью десяти эталонных минералов. Стекло по шкале Мооса обладает твердостью 5-7, т. е. это весьма твердый материал.

Наиболее твердыми являются кварцевые стекла и стекла типа пирекс».

Прочность при сжатии и при растяжении. Прочность - сопротивление материала разрушению. Она характеризуется пределом прочности, который определяется наименьшим усилием, действующим на единицу площади, вызывающим разрушение материала. В единицах СГС эта величина измеряется в динах на квадратный сантиметр, в единицах СИ -в паскалях: 1дин/см2 = 0,1 Па.

Предел прочности при сжатии определяется силой сжатия, пре-тел прочности при растяжении - силой растяжения.

Стекло довольно прочный материал, причем его прочность зависит от состава и метода обработки. Прочность при сжатии стекол разного вида находится в пределах от 5 до 200 кГ/мм2, т. е. от 1,9-10" до 19,6-109 дин/см2 или 4,9-108- 19,6-108 Па. Чтобы попять, насколько прочно стекло, можно для сравнения привести значение прочности при сжатии чугуна 60-т-120 кГ/мм2 и стали 200 кГ/мм2.

Предел прочности стекла при растяжении в 15-20 раз меньше предела прочности при сжатии и составляет 3,5-10 кГ/мм2.

Прочность при изгибе. При изгибе стекло испытывает действие и растягивающих, и сжимающих сил. Прочность стекла при изгибе определяют, положив свободно концы стеклянного стержня па две опоры и постепенно повышая нагрузку в середине его вплоть до разрушения стержня. Прочность стекла при изгибе меньше прочности при растяжении, поэтому участки в местах изгибов трубок и отделки дна заготовок должны быть утолщены.

4. Термические свойства

Часто пригодность стекол для изготовления того или иного прибора, работающего в определенном интервале температур, оценивают по термическим свойствам стекол: теплоемкости, теплопроводности, термическому расширению и термостойкости.

Теплоемкость. Теплоемкость материала равна отношению количества теплоты, сообщенной ему, к происшедшему при этом изменению температуры материала.

Различают удельную и мольную теплоемкость.

Удельная теплоемкость - это количество теплоты, которое необходимо сообщить единице массы материала, чтобы его температура изменялась на 1К, мольная теплоемкость - это количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 моль вещества для изменения его температуры также на IK. В единицах, основанных на калориях, удельная теплоемкость измеряется в кал/ пли в ккал/, в единицах системы СГС - в эрг/, в единицах СИ -в Дж/; 1 кал/ = = 1 ккал/ = 4,1868-107 = 4,1868- 103Дж/.

Удельная теплоемкость стекла равна 0,08-0,25 кал/, или 334,9-1004,8 Дж/ и зависит от его химического состава. Чем больше стекло содержит окислов тяжелых металлов, например ВаО, РЬО, тем хуже теплоемкость стекла и тем больше потребуется тепла, чтобы нагреть стекло до заданной температуры. Стекла, в состав которых входят окислы легких металлов, например LbO, обладают большей удельной теплоемкостью.

Теплопроводность. Способность материала проводить тепло, т. е. его теплопроводность, оценивается коэффициентом теплопроводности, который численно равен количеству тепла, переносимому на определенное расстояние через единицу поверхности сечения за единицу времени при разности температур в 1 К. Коэффициент теплопроводности измеряется в кал/ или в СГС -в эрг/, а в СИ -в Вт/: 1 кал/ = 4,1868-107 эрг/ == 4,1868-102 Вт/.

Стекло плохо проводит тепло, его коэффициент теплопроводности равен 0,0017-0,0032 кал/ или 7-14 Вт/. Нагретые стекла очень медленно остывают, о чем следует помнить при обработке стекла. Кроме того, вследствие малой теплопроводности стекла при формовке из него деталей и пайке на довольно небольших участках стеклянных изделий создается большой перепад температуры, а следовательно, в стекле возникают внутренние напряжения и хрупкость его значительно увеличивается.

Тепловое расширение. Все твердые тела при нагревании расширяются, т. е. увеличиваются в объеме. Стекло является изотропным материалом - при нагревании оно изменяется в объеме во всех направлениях одинаково.

Тепловое расширение обычно характеризуют коэффициентом теплового расширения. Под коэффициентом теплового расширения понимают увеличение длины образца при нагревании его на 1К, отнесенное к длине образца до нагревания.

При выполнении стеклодувных работ это свойство стекла следует учитывать. Например, нельзя спаивать стекла, значительно различающиеся коэффициентами термического расширения, так как спай при охлаждении обязательно треснет. Особенно важно правильно подбирать стекло, если его надо спаять с металлом'. В таблице 3 приведены значения коэффициентов термического расширения и других физических характеристик некоторых стекол, применяемых в стеклодувных работах.

Термостойкость. Способность вещества, не растрескиваясь, выдерживать резкие температурные перепады называется термостойкостью. Термостойкость стекла в основном зависит от значения коэффициента термического расширения.

5. Химическая стойкость

Стекло - химически довольно стойкий материал. Кислоты, за исключением плавиковой и фосфорной, практически не действуют на стекло. Однако нет таких стекол, которые бы совсем не реагировали с водой и щелочами. При длительном воздействии щелочей на стекло происходит его выщелачивание, изменение состава, вида и свойств. При действии воды происходит гидролиз стекла, в результате которого некоторое количество щелочи и других растворимых компонентов переходит в воду; их можно определить титрованием 0,01 н. НО Чем больше кислоты пошло на титрование, тем менее стойким к воздействию воды было стекло.

По отношению к действию воды стекла делят на пять гидролитических классов.

К классу I относят стекла, практически неизменяемые водой, к классу V-неудовлетворительные стекла;

к классу II относятся устойчивые стекла;

к классу III -твердые аппаратные;

к классу IV -мягкие аппаратные стекла.

Большинство силикатных стекол, выпускаемых промышленностью, относятся к границе классов II и III или к началу класса III.

Наибольшей химической стойкостью по отношению к воде и кислым агрессивным средам обладает кварцевое стекло, но по отношению к щелочам оно тоже малоустойчиво, как и другие стекла.

Например, при воздействии на кварцевое стекло концентрированной НС1 в течение 120 ч при 20°С потеря в массе стекла составляет 25 мг/см2, а при действии на то же стекло 1%-го раствора NaOH в течение того же времени и при той же температуре потеря в массе составляет 160 мг/см2.

Таким образом, химическая стойкость стекла в первую очередь определяется его составом: стекло химически более стойко с большим содержанием малорастворимых окислов алюминия, бора, цинка, свинца, магния и менее стойко с большим содержанием хорошо растворимых окислов щелочных и щелочноземельных металлов.

Однако химическая устойчивость стекла зависит и от его обработки. Так, она повышается после выдувания стекла из стекломассы, а также после отжига в печах, атмосфера которых содержит сернистый ангидрид. Это объясняется тем, что при высокой температуре между соединениями щелочных металлов, входящими в состав стекла, и газами, содержащимися в окружающей стекло атмосфере, протекает реакция, причем лишь на поверхности стекла.

Этот процесс условно называется обесщелачиванием поверхности стекла.

6. Производство

Цикл технологии получения стеклянных изделий складывается из операций:

* доведения стекломассы до температуры (и вязкости);

* формования изделий;

* постеленного охлаждения изделий с целью ликвидации возникающих в процессе формования напряжений;

* термической, механической или химической (в отдельности либо во взаимном сочетании) обработки отформованных изделий для придания им заданных свойств.

Сырые - кремнезём, являющийся главной частью стекла, вводится в виде молотого кварца. Пригодность песка для стекловарения определяется содержанием в нём примесей и зерновым составом. Вредными примесями являются прежде всего соединение железа и хрома, придающие желтовато-зелёный зеленый цвета. Размер зёрен песка примерно 0,2-0,5 мм. Окись алюминия, применяемая в производстве промышленных стекол, вводится с глиной, каолином, гидратом окиси алюминия. Окись натрия вводится с одной кальцинированной содой. Окись калия вводится в виде солей; применяется главным образом в производство посуды, цветных, оптических и некоторых технических стекол. Окись лития используется при выработке опаловых и некоторых специальных стекол. Окись кальция вводится преимущественно в виде мела. Окись бария используется при производстве оптических стекол и хрусталя. Окись цинка применяется в производство оптических, химико-лабораторных стекол.

В стекловарении используются материалы, содержащие одновременно горные породы, доменный шлак, стеклянный бой и др.

К вспомогательным сырым материалам относятся осветлители. В качество осветлителей, способствующих удалению из стекла пузырей, применяют в небольших количествах сульфаты натрия и аммония, хлористый натрий, и др. Некоторые из этих веществ одновременно являются обесцвечивателями. В качестве красителей применяют соединения кобальта, никеля, железа, хрома, марганца, селена, меди, урана, кадмия, серу, хлорное золото и др.

Белые, мало прозрачные стекла молочные (наиболее заглушенные), опаловые применяются различные фосфаты, соединения сурьмы, олова и др. Стекловарение ведётся при температурах 1400°-1600°. В нём различают три стадии.

Первая стадия - варка, когда происходит химическое взаимодействие и обра зование вязкой массы. Варка стекла производится в стекловаренных печах. Выбор того или иного типа печи обусловливается видом применяемого топлива, ассортиментом вырабатываемых изделий, размерами производства и прочее. Управление современной стекловаренной печью строго контролируется и в значительной мере автоматизировано. Контроль доведён до высокой степени точности. Автоматически регулируются: давление, соотношение газообразного или жидкого топлива и воздуха; количество подаваемого в печь топлива; уровень стекломассы в ванне и другие параметры.

Другой способ варки этого стекла-- сплавление кварцевого порошка в пламени кислородно-водородной горелки. Непрозрачное кварцевое стекло получается путём оплавления кварцевого песка на угольном или графитовом стержне, разогретом электрическим током до 1800°.

Процесс варки стекла некоторых видов, например оптического, кварцевого, стеклянного волокна, отличается специфическими особенностями. Прозрачное кварцевое стекло изготовляется из горного хрусталя в графитовых тиглях, разогреваемых под вакуумом до 1900°--2000° индукционными токами высокой частоты, либо прямым пропусканием электрического тока. В конце варки в печь впускают воздух под давлением.

Вторая стадия - осветление, происходит удаление пузырьков, а также растворение еще оставшихся нерастворёнными зёрен песка; в этой стадии стекло выдерживается в печи в течение нескольких часов при наиболее высокой температуре.

Третья стадия - охлаждение стекломассы, когда она охлаждается до такой температуры при которой становится возможным и наиболее удобным изготовлять из неё те или иные изделия.

Формование стеклянных изделий. Метод прессования служат ручных и машинных прессов пружинные формы или эксцентриковые прессы. Метод выдувание--специфический метод формования. При производстве немассовых изделий до сих пор применяется ручной способ выдувания. Основным инструментом рабочего выдувальщика является стеклодувная трубка. В течение долгой истории стеклоделия выдувание производилось ртом, ныне сконструированы и применяются «трубки-самодувки».

Методом непрерывной прокатки изготовляется листовое стекло, медод заключается в том, что струя стекломассы непрерывно поступает из печи в пространство между вращающимися вальцами, где и прокатывается в ленту, изготовляется листовое стекло, различных видов.

Отливка стеклянных изделий в формы встречается на практике редко; так изготовляются, например, крупные диски для астрономических приборов. Способ центробежного литья метод по отливке фасонных труб с раструбами и фланцами в быстро вращающиеся формы. Моллирование-- способ образования изделий в формах, при подаче в них стекла в виде твёрдых кусков из оптического стекла и получаем крупную стеклянную скульптуру.

Отжиг отформованных, еще горячих изделий служит для предотвращения возникновения в них внутренних неравномерных напряжении.

Закалка стекла-- операция, обратная отжигу. Закалённые изделия термически и механически гораздо более прочны. В результате закалки получается небьющееся стекло, применяемое для остекления окон вагонов, самолётов. Чтобы закалить стекло, его разогревают до 600°--650°, затем быстро остужают.

Горячая обработка стекла включает отколку, отопку, огневую полировку и другие операции. К холодной обработке стекла относятся его резка, сверление, шлифовка и полировка. Старинным способом украшения посуды является живопись по стеклу. Серебрение, а также алюминирование широко применяются в производстве зеркал.

7. Экологические воздействия производства листового стекла на состояние окружающей среды

Стекольная промышленность является одной из базовых отраслей экономики и играет важную роль в формировании макроэкономических показателей отдельных регионов и России в целом.

Производство стекла в России исторически относят к строительной отрасли. Исключение составляют заводы, выпускающие стекловолокно, статистически рассматривающиеся в группе химических. В то же время, следует отметить, что все стекольные предприятия реализуют химико-технологический процесс стекловарения. Этот процесс характеризуется вовлечением в производство большого количества разнообразных химических веществ (в том числе токсичных, агрессивных), высоким энергопотреблением, значительными потерями тепла и выделением (преимущественно в атмосферу) различных примесей.

Таким образом, стекольные предприятия отличает то, что характер преобразования ресурсов предопределяет значимое воздействие на окружающую среду и здоровье людей.

В производстве различных видов стекол состав выбросов из стекловаренных печей определяется составом сырьевых материалов, типом печей и видом топлива. Воздействие стекольного производства на окружающую среду определяется как характером технологических процессов и особенностями используемого сырья, так и техническими решениями (средозащитной техникой) и управленческими подходами.

Традиционно принято считать стекольное производство практически безотходным, так как стеклобой можно многократно возвращать в производство. Однако каждый новый цикл стекловарения требует затрат энергии .

Охрана окружающей среды при производстве стекла связана, прежде всего, с уменьшением выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от составных цехов, стекловаренных печей, участков обработки изделий: пыли, оксидов азота, серы, оксидов углерода, примесей оксидов различных металлов. Сокращению этих выбросов способствует использование топлива, в процессе сжигания которых образуется меньше загрязняющих веществ, а ; также применение усовершенствованных технологических процессов и оборудования.

Комплексный подход к охране окружающей среды при разработке и производстве листового стекла обсуждается с трех точек зрения: - взаимное влияние методов снижения различных негативных воздействий через характеристики основного производственного процесса; - влияние того или иного метода борьбы с загрязнением на другие природные среды, объемы использования энергии и материалов, создаваемые потоки отходов и их характер, а также экономические аспекты этого влияния; - необходимость найти приемлемый баланс между экологическими выгодами (снижение выбросов и сбросов некоторых загрязняющих веществ), общих последствий для природной среды, финансовыми затратами, и расходом энергии.

Цех выработки шихты является первым звеном стекольного производства, одним из самых ответственных на заводе. Оборудование для обработки, транспортирования сырьевых материалов и приготовления шихты является источником выделения пыли и загрязняющих веществ, поэтому принимаются меры по защите персонала, оборудования и окружающей среды.

Основным способом снижения пыления в выработочных цехах является герметизация технологического оборудования, мест перегрузок шихты и ее компонентов, других мест, где образуется пылегазовая смесь, а также устройство аспирации с использованием наиболее совершенных очистных аппаратов .

Листовое стекло является экологической чистой продуктцей и в процессе эксплуатации не выделяет токсичных веществ в окружающую среду .

Листовое стекло - важный вид продукции, вырабатываемой стекольной промышленностью. Различные требования к изделиям из стекла, а также разнообразные свойства его как материала, обусловили разработку многочисленных технологических процессов, способов и оборудования [43]. Тенденция развития производства листового стекла в мире такова, что флоат-процесс, как новейший и наиболее прогрессивный, вытесняет остальные способы выработки стекла.

8. Распад

Стекло способно пролежать в почве, по разным оценкам, от 500 до 1000 лет, не разрушаясь. Оно опасно тем, что при использовании верхнего почвенного горизонта, может ранить острыми краями человека, животных и растения. Оно, так же как и металл, нарушает механическую структуру почвы, а, разрушаясь, способно изменять и её геохимический состав. Переплавка стеклянных изделий тоже очень энергоемка, поэтому лучше стеклянные изделия использовать повторно, чем перерабатывать. Даже битое стекло можно использовать для дорожных покрытий

Именно поэтому все чаще можно услышать мнение общественности и специалистов о нецелесообразности использования синтетических упаковок. Вот таблица, характеризующая разложение различных материалов в естественных условиях (по данным отраслевого сервера «Индустрия упаковки»):

Хлопковая ткань 1-5 мес.

Бумага 2-5 мес.

Веревка 3-14 мес.

Апельсиновая кожура 6 мес.

Шерстяные носки От 1 до 5 лет

Сигаретные бычки От 1 до 12 лет

Пакет от молока 5 лет

Полиэтиленовые пакеты От 10 до 20 лет

Кожаные ботинки От 25 до 40 лет

Нейлоновая ткань От 30 до 40 лет

Оловянные канистры От 50 до 100 лет

Стеклянная тара 1 млн. лет

Пластиковая тара, упаковка Не разлагается

9. Переработка отходов стекла

Проблема переработки стеклобоя в настоящее время стала одной из наиболее остростоящих и для этого есть причины:

-во-первых, на производство стеклянной продукции требуются огромные энергозатраты;

-во-вторых, стеклобой является одним из наиболее сложноутилизируемых отходов (наряду со сталью он может разрушаться десятки лет) и наносит значительный экологический ущерб.

Учитывая весомую долю стеклобоя в общем объеме ТБО - по некоторым оценкам, она достигает 20% (по данным МГУП «Промотходы» только в Москве скапливается до 160 000 тонн стеклобоя в год), возникает необходимость разработки технологий по использованию стекольных отходов.

Чтобы быть в курсе последних новостей, событий и аналитических публикаций в области отходов стекла, оформите подписку на новости ИАА Cleandex.

Приоритетным направлением применения стеклобоя (ввиду содержания в нем кремнезема, щелочных оксидов, Al2O3 и CaO) является получение вяжущих автоклавного и безавтоклавного твердения. Наиболее перспективным направлением в данной области является производство пеностекла -- высокопористого неорганического теплоизоляционного материала, получаемого спеканием тонкоизмельченного стекла и газообразователя. Сырьем для его производства может служить как стеклобой, так стекломасса, сваренная из кварцевого песка, известняка, соды и сульфата натрия. При этом использование стеклобоя, из-за его низкой стоимости на российском рынке, ведет к значительному удешевлению производства. Благодаря тому, что пеностекло практически на 100% состоит из стекла, оно имеет широкий температурный диапазон применения, является негорючим, стойким к агрессивным средам и не дает усадки. Поэтому и область его применения достаточно широка: от промышленного и гражданского строительства до атомной промышленности. Мировым лидером по производству пеностекла является корпорация Pittsburg Corning (США). Так же пеностекло производится в Китае (Lanzhou Pengfei Heat Preservation Co., Ltd.), Белоруссии (ОАО «Гомельстекло»), а с недавнего времени и в России (ЗАО «Пеноситал», ООО «Экспресс-Стройиндустрия», Penostek).

Созданием вяжущих, на основе стеклобоя занимаются в МГСУ. Уже удалось получить несколько новых строительных материалов на основе этого вяжущего с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами:

-мелкозернистый бетон (доля стеклобоя в составе материала достигает 95%) - изготавливается посредством минерализации пены порошком стеклобоя;

-щелочеземельное вяжущее с применением щелочных затворителей (доля стеклобоя от 6,5% до 45%) - шлакостекольное вяжущее вещество безавтоклавного твердения.

Данные материалы, также как и пеностекло, имеют повышенные защитные, антикоррозийные и другие свойства, область их применения - промышленное и гражданское строительство, химическая, атомная, пищевая промышленность и т.д. Сейчас в МГСУ создаются технологии производства данных материалов.

Исследования по получению новых материалов из стеклотходов проведены и в МГУИЭ. Совместно с АО «Эковтормит» они разработали технологию и оборудование для получения микроизделий (микроптарики, микросферы, бисерные шарики), декоративно-облицовочных материалов (фасадные, интерьерные и тротуарные плитки), покрывных высоконаполненных композиций (стеклочерепица, лакокрасочные материалы, антикоррозионные мастики) и цементных растворов на основе стеклобоя. В частности, предложен антикоррозионный состав, в котором в качестве наполнителя битумной основы используются микроизделия из стеклобоя, предназначенный для обработки и восстановления покрытий днища и колесных арок кузова легковых автомобилей, а также для защиты химического и нефтегазового оборудования. За счет стеклянных наполнителей увеличивается гидрофобность и адгезионная способность, возрастает ударная прочность и термостойкость покрытия, повышается проникающая способность наносимого состава.

Интересуетесь бизнесом в области переработки стекла? Тогда Вас могут заинтересовать отчеты о рынках переработки отходов, подготовленные ИАА Cleandex.

Видим, что плюсов у материалов, изготовленных на основе стеклоотходов, много, проведенные испытания также показали, что материалы на основе стеклобоя не уступают, а в ряде случаев и превосходят, по технологическим и функциональным свойствам аналогичные традиционные материалы. Да и рентабельность производства данных материалов весьма высока. Возникает вопрос: почему так мало производств, применяющих данные технологии? Ответ очевиден - для организации производства материалов на основе стеклобоя необходимы существенные капиталовложения в специализированное оборудование. К тому же, имеются проблемы с сырьем -- несмотря на большие запасы и низкую стоимость стеклобоя в России, предприятий занимающихся его сбором и реализацией - единицы, соответственно, могут потребоваться дополнительные затраты на организацию собственного сбора стеклоотходов.

Выходом в сложившейся ситуации может стать поддержка государства -- организация экофондов для инвестирования подобных проектов и снижение налогов для предприятий, внедряющих новые технологии по переработке стеклоотходов.

10. Переработка стеклянных банок и бутылок

Одна тонна стеклянного вторсырья экономит одну тонну кварцевого песка и 250 кг кальцированной соды. Но чтобы этот процесс мог происходить, стеклянную упаковку необходимо выбрасывать в предназначенные для нее сортировочные контейнеры для мусора. Важно помнить, что в контейнеры, предназначенные для сортировки, можно выбрасывать только стеклянную упаковку - бутылки и банки. Туда нельзя бросать стеклянную, фарфоровую и керамическую посуду, зеркала и оконное стекло. Далее предприятия хозяйственного использования отходов доставляют выброшенную в контейнер стеклянную тару на предприятия по переработке.

На перерабатывающем заводе сначала отделяют все материалы, которые сделаны не из стекла. Потом собранные банки и бутылки превращают в стеклянный бой - так в производстве называют размельченное упаковочное стекло. Стеклянный бой пропускают через магнит, чтобы отделить оставшиеся металлические крышки от бутылок, после чего вакуумные процессы отделяют остатки пластмассы и бумаги.

Для производства стекла используют кварцевый песок, соду и известняк, но 30-40% от общей массы можно заменить вторсырьем. При температуре в 1550°C все исходное сырье расплавляют в однородную массу. Далее массу отправляют в бутылочную машину, где при температуре в 1200°C в специальных формах отливаются бутылки. Когда бутылки готовы, они медленно остывают или закаляются. После закалки бутылки отправляются на сортировку, где их автоматически проверяют. Бракованные бутылки возвращаются в плавильную печь. Готовые бутылки упаковываются в вакууме, и их отправляют наполнителям бутылок. Переработанная бутылка является настолько же качественной, как и бутылка, только что произведенная из песка.

Интересно!

Вторично переработанное сырье или стеклянный бой плавится при более низкой температуре, и его плавление потребляет меньше энергии, чем производство стекла из природного сырья - одна бутылка, произведенная из переработанного стекла, обеспечивает экономию энергии, которая позволяет лампочке мощностью 100Вт гореть на протяжении четырех часов.

II. Ситаллы

1. Ситаллы - революционное открытие

Одним из революционных открытий ХХ в. в технологии стекла явилась разработка стеклокристаллических материалов, названных в СССР ситаллами (в США - пирокерамами).

Ситалл - искусственный поликристаллический материал, полученный кристаллизацией стекла соответствующего химического состава и обладающий более высокими по сравнению с этим стеклом физико-химическими свойствами.

Слово «ситалл» происходит от двух слов - первая буква «с» позаимствована от слова «стекло», затем связывающий союз «и», а вторая часть взята от окончания слова «кристалл».

Стеклокристаллические материалы по своей природе и технологии получения являются своего рода гибридом стекла и керамики. От стекла они отличаются зернистой, кристаллической структурой. На керамику не похожи, потому что их кристаллы намного меньше, а структура монолитнее.

Ситаллы имеют важное преимущество перед керамикой: их можно формовать по обычной технологии стекольного производства, прессовать, прокатывать, вытягивать, выдувать, а также изготовлять порошковым методом, который нашел распространение в керамической промышленности.

Известные в настоящее время стеклокристаллические материалы подразделяются на две группы: технические ситаллы, синтезируемые на основе чистых оксидов и предназначенные для специальных целей, и шлакоситаллы, получаемые на основе доменных шлаков и предназначенные для массового использования в различных областях промышленности и строительства.

Синтез ситаллов можно осуществлять с заранее заданными свойствами, что обусловливает обширную сферу их применения.

Ситаллы обладают высокой температурой размягчения (свыше 1350 єС), высокой твердостью и стойкостью к химическим агрессивным средам, а также являются диэлектриками. Ситаллы отличаются хорошим сопротивлением термоударам. Пластинки, нагретые до 900 єС при погружении в воду с температурой 5 єС не растрескиваются. Испытания показали, что сопротивление ситаллов истиранию во много раз больше, чем у стекла и керамики.

Характерная особенность закристаллизованных стекол - однородная микрокристалличность. Размеры кристалликов могут колебаться в пределах 0,1-1 мкм. Присутствие этих кристалликов - необходимое условие прочности материала. Сеть мелких кристалликов, сросшихся друг с другом или соединенных тонкой стеклообразной прослойкой, затрудняет развитие трещин в изделии по границам зерен и в каждом зерне в отдельности.

2. Свойства ситаллов

Природа свойств ситаллов имеет много общего с природой тех же свойств исходного стекла и аналогичных керамических материалов, и в то же время превосходит по этим показателям исходное стекло и близкие виды керамики.

Ситаллы в несколько раз прочнее стекла, большинства керамических материалов и некоторых металлов. Их прочность при изгибе может достигать 2500-3000 кг/см2, а отдельных экспериментальных образцов - 4200 и 5600 кг/см2, т. е превышает прочность кварцевого стекла, нержавеющей стали и титана.

Плотная микрокристаллическая структура ситаллов обеспечивает им твердость при вдавливании, приближающуюся к твердости закаленных сталей и превышающую твердость плавленого кварца, латуни, чугуна, гранита и стекла. Микротвердость пирокерама 9606 (по методу Виккерса) составляет 640 кг/мм2, в то время как для закаленной стали она равна 550-580 кг/мм2.

Коэффициент термического расширения у ситаллов может варьироваться в очень широких пределах - от отрицательных значений (-10) до +130·10-7 град-1, что делает их пригодными для спаивания с тяжелыми металлами.

Кислотоустойчивость большинства ситаллов примерно такая же, как у боросиликатного стекла, а устойчивость к действию щелочей более высокая, ситаллы не окисляются даже при высоких температурах.

В большинстве ситаллы непрозрачны, однако получен ряд ситаллов, содержащих не менее двух кристаллических фаз, но полностью прозрачных благодаря отсутствию пузырей или пустот, малому размеру кристаллов или отсутствию светорассеяния на границах кристаллов, что требует хорошего совпадения показателей преломления кристаллов и стекловидной фазы.

Ситаллы обладают нулевым водопоглощением и газонепроницаемы, их можно применять в вакуумных приборах с высоким разряжением.

Плотность ситаллов колеблется в пределах 2,5-2,72 г/см3.

Ситаллы имеют плотную микрокристаллическую структуру, подобную структуре керамических материалов на основе чистых оксидов, характеризуемую весьма малыми размерами беспорядочно ориентированных кристаллов и отсутствием пористости. Размеры кристаллов у фосфатсодержащих ситаллов от 0,5 до 6 мкм (вместо 20-50 мкм для обычной керамики).

3. Классификация

Технические ситаллы могут быть разбиты на подгруппы либо по составу (литийсодержащие или сподуменовые, свинецсодержащие, высококремнеземистые и др.), либо по ведущему свойству (термостойкие, прозрачные и т. д.), особую подгруппу составляют фотоситаллы.

Ситаллы сподуменового состава относятся к системе Li2O-Al2O3-SiO2. Стекла состава сподумена или эвкриптита могут быть закристаллизованы с образованием сподумена, эвкриптита, кварцеподобных твердых растворов и других фаз. В качестве катализатора обычно применяют 4-6 % TiO2. Термическая обработка при кристаллизации двухступенчатая: первая ступень - при 700-900 єС в течение 2 ч; вторая - при 1000-1150 єС с выдержкой 2-4 ч.

В зависимости от соотношения фаз кристаллизации, одни из которых имеют отрицательный КТР (эвкриптит), другие положительный КТР - сподумен, твердые растворы, образуется ситалл с отрицательным, нулевым или положительным КТР.

Благодаря уникальным тепловым свойствам эти ситаллы находят применение во всех областях техники, где требуется высокая стойкость или полная нечувствительность к тепловому удару и пониженная тепловая деформируемость конструкционных элементов (термостойкие трубы, астрооптика, ракетная техника).

Ситаллы кордиеритового состава относятся к системе MgO-Al2O3-SiO2. По сравнению с сподуменовыми эти ситаллы не содержат дефицитных литийсодержащих компонентов. В качестве катализатора обычно применяют 9-11 % TiO2. Термическая обработка при кристаллизации одноступенчатая: при 1250-1300 єС с выдержкой 1-16 ч.

В зависимости от состава и режима термообработки в составе кристаллических фаз могут быть кордиерит, шпинель, сапфирин, муллит, рутил, алюмотитанаты магния, твердые растворы на основе -кварца.

Кордиеритовые ситаллы не содержат щелочных компонентов, обладают хорошими диэлектрическими свойствами и отличаются хорошей термостойкостью. Они механически более прочные, чем сподуменовые. Применяют в качестве дешевых, термостойких, прочных диэлектриков в разных конструкциях (изоляторах, закрытых схемах, электронной аппаратуре, бытовой посуде).

Высококремнеземистые ситаллы отличаются необычно высоким тепловым расширением. КТР искусственных материалов не превышает 150·10-7 град-1, эти ситаллы могут иметь КТР 177-136·10-7 град-1. Это позволяет получать согласованные спаи с такими металлами, как медь, серебро, алюминий.

В составы стекол для получения этих ситаллов входят (% по массе): SiO2 85-92; Na2O 7,5-14,5; Al2O3 0-2; F 0-3,6. Катализатором, по-видимому, является щелочной компонент, а фтор выступает в роли плавня, поскольку его присутствие в составах необязательно. Термообработка стекол: 1 ступень - 720 єС, выдержка 2 ч, 2 ступень - 840-900 єС, выдержка 1-10 ч.

При термообработке образуются тридимит и кристобалит. Эти фазы, по сравнению с кварцем, который входит в состав исходного стекла, имеют более высокий (в 2-2,5 раза) КТР.

Ситаллы применяют для спаев и в других конструкциях, где требуется высокое тепловое расширение.

Свинецсодержащие ситаллы получены в системе PbO-ZnO-B2O3-SiO2. Типичный состав стекла (%): PbO 75-82, ZnO 7-14, B2O3 12-15, SiO2 1,5-3. Применяют разные катализаторы: P2O5, MoO, WO3 и др.

Режимы кристаллизации варьируются в зависимости от состава, например: 1 ступень - при 500 єС, выдержка 2 ч, 2 ступень - 700 єС в течение 1 ч.

Стекла и ситаллы этого типа имеют низкую температуру размягчения (450 єС) и хорошие диэлектрические свойства, в связи с этим они нашли широкое применение в качестве средств для спаивания и герметизации разных электровакуумных приборов (ситаллоцементы), конденсаторов.

Прозрачные ситаллы. Непременным условием прозрачности ситаллов, которые обычно непрозрачны, является весьма малый размер кристаллов и совпадение или близость показателей преломления кристаллов и стекла. По внешнему виду эти ситаллы сходны с оконным стеклом. Различают ситаллы прозрачные в видимой и в инфракрасной частях спектра.

Ситаллы, прозрачные в видимой части спектра, могут иметь разный состав (сподуменовый, кордиеритовый и др.). Их особенность - потеря прозрачности при нагревании до температуры второй ступени. Выступают в роли заменителей кварцевого стекла.

Ситаллы, прозрачные в инфракрасной части спектра получены на основе кальций-алюминатных стекол. Используются в инфракрасной технике (фотографирование в темноте, измерение температуры нагретых тел на расстоянии, земная и космическая связь).

Фотоситаллы. Получают из светочувствительных стекол. Такие стекла содержат добавки, способные в результате облучения и термообработки вызвать в стекле избирательную или сплошную кристаллизацию. Для получения фоточувствительных стекол пригодны многие силикатные составы, в которые введены небольшие добавки светочувствительных металлов и сенсибилизаторы. К таким стеклам относятся, например, литий-алюмосиликатные, % по массе: SiO2 73,5-80, Al2O3 2-10, Li2O 9-18 с добавкой 0,002 % AgCl (фоточувствительный металл), 0,02 % СеО2 (сенсибилизатор).

Фотоситаллы применяют для получения методом травления различных панелей со сквозными отверстиями и других деталей (метод фотоформ): кристаллическая фаза в них может полностью раствориться в HF за время, в течение которого растворение стекловидной фазы только начинается.

Таким образом, ситаллы, по сравнению с большинством других материалов, обладают благоприятным сочетанием многих важных свойств. Регулируя размеры, плотность и химико-минералогический состав кристаллов, можно получать ситаллы с заранее заданными свойствами, удовлетворяющими специальные требования. Благодаря этому ситаллы находят применение в тех же областях техники, что и заменители стекла и керамики, а в ряде случаев и металлов, полимеров, каменного литья и т. д.

4. Получение

Ситаллы представляют собой стеклокристаллические (микрокристаллические) материалы, получаемые путем направленной (катализированной) кристаллизации стекол специальных составов, протекающей в объеме заранее отформованного изделия. Ситаллы состоят из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе.

Главная особенность ситаллов - тонкозернистая равномерная стеклокристаллическая структура, обусловливающая сочетание высокой твердости и механической прочности с отличными электроизоляционными свойствами, высокой температурой размягчения, хорошей термической и химической стойкостью. В ситаллах, изготовленных из светочувствительных стекол, получают непрозрачные белые или цветные трехмерные изображения. Различная растворимость кристаллической и прозрачной стекловидной фаз открывает возможности получения выпуклого изображения и производства из фотоситаллов технических изделий с сеткой прецизионно выполненных отверстий любого сечения.

Термическая устойчивость ситаллов обеспечивается очень небольшими, а иногда и отрицательными (от -7 10-7 до +3 10-7) коэффициентами термического расширения. Оптическое кварцевое стекло может быть заменено прозрачными ситаллами, которые имеют перед ним то преимущество, что в силу малых коэффициентов теплового расширения они нечувствительны к тепловым ударам. Прозрачность связана с размером кристаллов, меньшим длины полуволны видимого света (сотые доли Стеклокристаллические материлы (ситаллы)м), и близостью показателей их преломления к стекловидной фазе. Светочувствительные стекла и фотоситаллы находят широкое применение в микроэлектронике, ракетной технике, космосе, оптике, полиграфии и бытовых приборах. Так, из фоточувствительного стекла получены матрицы для газоразрядных приборов, фотокерам для изготовления плат печатного монтажа, из фотоситалла - перфорированные диски, применяемые в катодно-лучевых трубках и т.д.

Технология ситаллов включает стадии варки стекла, формовки изделий и специальной термической обработки.

Технические ситаллы получают на основе искусственных шихт тех частей силикатных систем, в которых кристаллизуются фазы, обладающие заданными свойствами. Для термостойких ситаллов такими фазами являются кордиерит, сподумен LiAlSi2O6, эвкриптит LiAlSiO4; для высокопрочных - шпинель, муллит; для диэлектриков -кордиерит, диопсид, волластонит и т.д. Такие свойства, как плотность, коэффициент термического расширения, теплопроводность, модуль упругости и диэлектрическая проницаемость зависят от свойств фаз и аддитивно меняются с изменением содержаний этих фаз. Поэтому важнейшую задачу технической петрологии составляет изучение диаграмм состояния соответствующих систем. На фазовый состав ситаллов влияют малые (до 1,5%) добавки модификаторов (Na, K, Ca, Ba и др.), стеклообразователей (В, Р и др.) и окислов промежуточного типа, введение которых не меняет состав основных фаз, но заметно увеличивает или снижает их содержание. Необходимыми добавками являются вещества, служащие катализаторами и центрами кристаллизации стекол.

В качестве последних применяются: металлические Au, Ag, Cu, Pt, Pd в количествах от сотых до десятых долей %; окисные TiO2, P2O5, Cr2O3, ZrO2, ZnO и др. (первые %), фторидные Na3AlF6, Na2SiF6, CaF2 и др. (обязательно совместно с Al2O3), сера или сульфаты с добавкой кокса , сульфиды. В состав фотоситаллов вводят в качестве светочувствительных добавок Au, Ag, Cu в сочетании с сенсибилизаторами. Сенсибилизаторы - вещества, способствующие более полному протеканию фотохимических процессов - повышению фоточувствительности с образованием скрытого поверхностного изображения. При получении фотохромных и других светочувствительных стекол в качестве сенсибилизаторов используются GeO2, одновалентное золото, сернистые соединения щелочных металлов и др. Применение элементов платиновой группы (Pt, Re, Pd, Os, Ir) не требует присутствия сенсибилизаторов.

С целью удешевления производства и комплексного использования сырья для изготовления ситаллов привлечены: доменный шлак вместе с кварцевым песком - для получения шлакоситаллов; магматические эффузивные и интрузивные горные породы основного состава (базальты, габбро, траппы), метаморфические породы (тремолитовые и тальковые сланцы), осадочные породы (лессовые суглинки, известковая глина), нефелиновый концентрат - для получения петроситаллов. Оценка пригодности шлаков и горных пород для этих целей наиболее просто и эффективно осуществляется петрографическими методами по их минеральному составу. Не последнюю роль играют знания петрохимических особенностей и использование возможностей методов петрохимических пересчетов.

...