ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТЕКЛА С ИЗБИРАТЕЛЬНЫМ ПОГЛОЩЕНИЕМ

Стекла, пропускающие ультрафиолетовые лучи.

Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 280—320 нм благотворно действуют на развитие и жизнедеятель­ность человека, животных и растений. Эти лучи назы­вают биологическими, или лучами жизни. Обычное оконное стекло их поглощает, но специально приготов­ленные стекла пропускают лучи этой области спектра; они получили название увиолевых.

Строительные увиолевые стекла нужны для остекле­ния школ, детских садов, лечебных учреждений, парни­ков, инкубаторов и т. п. Эти стекла должны полностью пропускать солнечные лучи с длиной волны 280— 320 нм и более. Увиолевые стекла, применяемые в ме­дицине, в оптическом приборостроении и для некоторых технических целей, должны пропускать также и лучи искусственных источников ультрафиолетового излуче­ния с длиной волны менее 200 нм. По размерам и внеш­ним показателям увиолевое стекло должно соответство­вать ГОСТ 111—78 на оконное стекло. По химическому составу такие стекла делятся на силикатные, боросили - катные и фосфатные.

Силикатные и боросиликатные стекла. Стекла, со­держащие в составе оксиды Si02, В203, СаО, MgO, ZnO, BaO, Na20, K20, хорошо пропускают ультрафиолетовые лучи при отсутствии поглощающих примесей. Интенсив­но поглощают ультрафиолетовые лучи оксиды железа, хрома, ванадия, церия, свинца, титана, а также сернис­тые соединения тяжелых металлов. Поэтому в хорошем увиолевом стекле содержание оксидов железа не долж­но превышать 0,005 %. Для его варки применяют чис­тейшие виды кварца с содержанием оксидов железа не более 0,005 %; остальные материалы должны быть мар­ки х. ч. Составы увиолевых стекол приведены в табл. 22.4.

Поглощение ультрафиолетовых лучей окисным же­лезом во много раз сильнее, чем закисным. Поэтому в шихты увиолевых стекол вводят чистые восстановители. Обычно применяют 0,1—0,2 % по массе древесного угля или порошки алюминия, магния, олова, цинка, силици­да кальция. С увеличением толщины стекла уменьша­ется его пропускание в ультрафиолетовой области спектра.

Фосфатные стекла. Основная составная часть (70— 80 % по массе) фосфатных увиолевых стекол — пенто - ксид фосфора. В различных количествах в них вводят также Si02, А1203, ВаО, СаО, MgO, ZnO и другие окси­ды, не поглощающие ультрафиолетовых лучей.

Фосфатные стекла должны иметь химическую устой­чивость не меньшую, чем оконное стекло, и хорошие выработочные свойства. Они не должны кристаллизо­ваться в температурном интервале выработки. Состав таких стекол дан в табл. 22.8. Фосфатные стекла про­пускают более 80 % биологических ультрафиолетовых лучей.

Все виды увиолевых стекол вырабатываются теми же способами, что и обычные силикатные стекла. Однако необходимо принимать меры, исключающие загрязне­ние шихты и стекла железом и его соединениями. В на-

Шей стране увиолевые стекла вырабатывают только для технических и медицинских целей. Строительное увио - левое стекло не вырабатывается. Все увиолевые стекла под воздействием ультрафиолетовых лучей постепенно соляризуются — уменьшают пропускание в ультрафио­летовой области спектра. Потеря пропускания может достигать 30 % и более.

Стекла, поглощающие ультрафиолетовые лучи. Бла­готворно влияя на организм человека, жизнедеятель­ность растений и животных, ультрафиолетовые лучи разрушающе действуют на бумагу, пергамент, краски, чернила, ткани и другие материалы. Поэтому помеще­ния, в которых хранятся архивные материалы, книги, картины и тому подобные предметы, должны освещать­ся солнечным светом, лишенным коротких ультрафиоле­товых лучей или даже всего ультрафиолетового спект­ра. Иногда требуется исключать из освещения также и фиолетовые лучи.

Стекла, поглощающие ультрафиолетовые лучи, мож­но разделить на три основные группы: а) бесцветные, поглощающие ультрафиолетовую область спектра с длиной волн менее 360—370 нм; б) слабо-желтые, по­глощающие все ультрафиолетовые лучи; в) желтые, по­глощающие ультрафиолетовые и фиолетовые лучи. Составы стекол и условия варки даны в табл. 22.5. Все стекла варят в обычных ванных печах и вырабатывают общеизвестными методами — вытягиванием, прокаткой, прессовкой. Качество стекол регламентируется стан­дартами на тянутое оконное стекло, прокатанное, узор­чатое или армированное стекло и прессованные плитки.

Стекла, поглощающие инфракрасные лучи (тепло­защитные). Обычное оконное стекло пропускает всю инфракрасную часть солнечного излучения. Вследствие этого в летнее время наблюдается сильный перегрев по­мещений на солнечной стороне зданий. Для его ослаб­ления применяют теплозащитные стекла, поглощаю­щие или отражающие часть инфракрасных лучей. По­мимо строительных целей теплозащитные стекла при­меняют для остекления автомобилей, поглощения теп­лоты различными аппаратами, в операционных лампах и для других целей.

Теплозащитные стекла делятся на теплопоглощаю - щие и теплоотражающие. Первые поглощают тепловое излучение во всей массе стекла. У вторых отражение тепловых лучей происходит от тонких металлических

Или оксидно-металличесКих пленок, нанесенных на по­верхность стекла. Недостаток теплопоглощающих сте­кол заключается в том, что поглощая тепловые лучи, сами стекла нагреваются и являются источником тепло­ты для помещений. Кроме того, они не полностью по­глощают тепловую часть солнечного спектра и вместе с тем частично поглощают лучи видимой области спект­ра. На рис. 22.3 приведены кривые пропускания обыч­ного оконного стекла и идеального теплопоглощающе - го, т. е. такого, которое полностью прозрачно в видимой области спектра и полностью поглощает все инфра­красные лучи.

Существует два основных вида теплопоглощающих стекол, окрашенных в массе: силикатные и фосфатные (табл. 22.6).

Силикатные теплопоглощающие стекла в зависимо­сти от назначения изготовляют вытягиванием, прокат­кой, прессованием и выдуванием. За рубежом прокат­кой производят также узорчатые и армированные теп­лозащитные стекла. Свойства теплопоглощающего

Силикатного стекла регламентируют ТУ 21-2323-72. Они пропускают 20—40 % инфракрасных лучей.

Поглощение стеклом инфракрасного излучения зави­сит от соотношения в нем окисного и закисного железа и восстановителя. Наибольшее количество закисного железа в стекле образуется при малой концентрации оксида железа; с возрастанием сверх 2 % концентрация FeO остается неизменной, поэтому в состав теплопогло­щающих стекол вводят не более 0,6—0,7 % оксида желе­за, а интенсивность поглощения тепловых лучей повы­шают путем увеличения толщины стекла. Получить все железо в закисной форме в производственных условиях не удается.

Введение восстановителя сдвигает равновесие в сторону FeO только до определенного предела, сверх которого увеличение содер­жания восстановителя приводит к образованию сернистого железа, окрашивающего стекло в желтовато-зеленый или грязно-желтый цвет. Для устранения образования FeS в состав стекла вводят окись циика, которая связывает присутствующую в стекле сульфидную се­ру в бесцветный сернистый цинк.

24—468

Правильно сваренное теплопоглощающее стекла должно иметь голубое окрашивание. Пропускание види­мых лучей составляет 65—75 %.

Для варки теплопоглощающих стекол могут приме­няться печи любых конструкций. Вследствие малого - пропускания тепловых лучей по глубине бассейна соз­дается значительный перепад температур. Поэтому бассейны печей для варки теплопоглощающих стекол вы­кладывают глубиной не более 0,9 м. Максимальная тем­пература варки стекол 1500 °С, газовая среда восстано­вительная. Безлодочный способ вытягивания стекла и перемешивание стекломассы шамотными пропеллерны­ми мешалками позволяют получать продукцию высоко­го качества. Скорость вытягивания стекла БВВС тол­щиной 5,4 мм 34 м/ч.

Фосфатные теплопоглощающие стекла по сравнению с силикатными имеют преимущества в том, что они бесцветны или весьма слабо окрашены в желтоватые или сероватые тона и при почти полном поглощении ИК-лучей (90—92 %) пропускают 80—85 % лучей ви­димой области спектра. Однако из-за отсутствия сырье­вой базы эти стекла применяют только для оптических и технических целей.

Пентоксид фосфора в состав стекол вводят фосфор­нокислым аммонием или в виде фосфатов алюминия, кальция, магния, цинка, бария. В качестве восстанови­теля применяют древесный уголь. Для кладки ванных стекловаренных печей периодического и непрерывного действия рекомендуется плавленый кварцевый огнеу - пор, который наиболее устойчив к фосфатным стекло­массам. Температура варки фосфатных стекол 1400— 1450 °С.

Листовое строительное стекло с избирательным поглощением в видимой части спектра (цветное). Цвет­ное листовое стекло применяется в строительстве для изготовления витражей, декоративного остекления об­щественных зданий, детских учреждений, декорирования мебели и других целей. Такое стекло бывает трех видов: а) окрашенное в массе (тянутое и прокатное); б) на­кладное тянутое, состоящее из основного толстого (2— 6 мм) бесцветного слоя и тонкого цветного (0,1— 0,5 мм); в) полученное нанесением на плоское бесцвет­ное стекло тонких (толщиной около 1 мкм) цветных оксидно-металлических пленок.

Обычные химические составы бесцветных стекол, вы­
рабатываемых способами лодочного и безлодочного вы­тягивания или прокатки, пригодны для окрашивания молекулярными красителями, углем, а также для полу­чения темно-красного медного рубина. Красители вво­дят в шихту в количестве (% по массе), отвечающем заданному цвету стекла: для получения светло-голубо­го стекла достаточно добавить 0,5 СиО, для темно-голу - бого—2—2,5 СиО, для зеленого 0,1—0,5 Сг20з, для жел­того—0,5—1 угля.

Для получения красного стекла чистого тона (селе­нового рубина) и ярко-желтого стекла применяют со­ставы, содержащие В20з и ZnO, а в качестве красите­лей — селен и сернистый кадмий. Примерный состав основного стекла, % по массе: Si02—67; В203—4,2; ZnO—13; К2О—4; Na20—12. Для получения желтого цвета в стекла вводят 2 % CdS и 0,2 % селена, а для се­ленового рубина — 2 % CdS и 1 % селена.

Требуемую интенсивность окраски получают изме­нением толщины стекла. При одном и том же количест­ве красителей толстые стекла интенсивнее окрашены, чем тонкие. Все стекла, окрашенные оксидами СиО, Cr203, Mn203, NiO, варят в окислительных условиях с введением в шихту окислителей. Желтое стекло, окра­шенное углем, варят в восстановительных условиях, а стекла, окрашенные селеном и сернистым кадмием, — в нейтральной или слабо восстановительной среде с вве­дением в шихту восстановителей.

Для варки цветных стекол применяют ванные печи с поперечным и подковообразным направлением пламе­ни, регенеративные и прямого нагрева, отапливаемые газом или жидким топливом. Температура варки состав­ляет 1450—1500 °С. При варке стекла большой процент селена и сернистого кадмия улетучивается, поэтому при­меняют электрическую варку селенового рубина под сло­ем шихты, что снижает расход селена и сернистого кад­мия примерно в 2 раза.

Вырабатывают цветное листовое стекло теми же способами, что и бесцветное. Скорость вытягивания цвет­ных стекол лодочным способом низкая — 18—20 м/ч для стекол толщиной 6 мм и 35—40 м/ч для стекол тол­щиной 2,5—3 мм. В случае вытягивания селенового ру­бина такая малая скорость необходима для того, чтобы цвет стекла успел навестись.

По особой технологии получают листовое накладное стекло. Устройство для его вытягивания изображено на

Рис. 22.4. Устройство для вытягивания цветного накладного стекла с большей плотностью (а)і и с меньшей плотностью (б), чем плотность бесцветного

Стекла

Рис. 22.4, а, б в двух вариантах. Расплав бесцветного стекла, сваренный в большой ванной печи, подается в подмашинную камеру и обычным путем через нижний вырез поступает в стеклоформующую лодочку с допол­нительной боковой щелью (рис. 22.4, а) или в лодочку с дополнительным вырезом снизу (рис. 22.4, б). Окра­шенная стекломасса поступает из малой ванной печи в студочную часть С и из нее протекает либо в боковую щель стеклоформующей лодочки, либо под боковую стенку лодочки. Бесцветная и окрашенная стекломассы, одновременно поступающие в щель лодочки, вытягива­ются в одну двухслойную ленту. Толщина накладного слоя регулируется высотой расплава цветного стекла в малой ванной печи. Скорость вытягивания накладного стекла для ленты толщиной 6 мм 18—20 м/ч, толщиной 2,5—3 мм 35—40 м/ч.

Температурный коэффициент линейного расширения накладного стекла должен быть на 2—3-Ю-7 меньше, чем этот коэффициент основного стекла, в целях преду­преждения образования мелких трещин на накладном слое. При меньшем температурном коэффициенте расши­рения накладной слой находится в сжатом состоянии и трещины не образуются. Для основного слоя применяют стекло состава ВВС, для накладного молочного — сос­тава, % по массе: Si02 —72,57; А1203 —4,5; СаО —3,1; Na20— 12,6; К20— 1,2 сверх 100%; криолит — 32—34.

Фотохромиые стекла. Некоторые материалы изменяют свою окраску под воздействием ультрафиолетового или видимого сол­нечного излучения, а также под влиянием излучения искусственных источников света; при прекращении действия излучения окраска

Восстанавливается до первоначальной. Такие материалы называют­ся фотохромними, или фототропными. Фотохромными свойствами обладают силикатные стекла специальных составов. Фотохромные стекла применяют для создания равномерного освещения помещений в течение дня. В шихты фотохромных стекол вводят соединения ев­ропия, церия, галоидные соли серебра, меди и др. Наиболее ярко фотохромные свойства стекла проявляются при вводе в шихту гало­идных солей серебра и особенно AgCl (до 0,5 % по массе).

Механизм потемнения стекол с хлористым серебром в принципе сходен с механизмом потемнения фотопластин. Однако в то время, как при обычном фотографическом процессе после проявления экс­понированной фотоэмульсии металлическое серебро остается в эмуль­сии, вызывая ее потемнение, а галоид диффундирует через эмульсию и удаляется в окружающую среду, в стекле галоид сохраняется в виде частиц величиной около 10 ммк, равномерно распределенных по всему объему стекла. Количество частиц в фотохромном стекле со­ставляет примерно 4- 101Г' на 1 см3; расстояния между частицами около 60 ммк.

Степень потемнения фотохромных стекол зависит от состава стекла, размера и количества кристалликов хлорида серебра, длины волны света, падающего на стекло, термической обработки стекла, продолжительности и интенсивности действия излучения, темпера­туры стекла во время потемнения и осветления (с повышением тем­пературы стекла при облучении степень потемнения падает).

Составы фотохромных стекол характеризуются пониженным со­держанием Si02 и Na20, высоким содержанием В203 и А120з и от­сутствием СаО и MgO. Имеются два типа стекол. Составы стекол первого типа, % но массе: Si02 —59—61; В203— 16—20; А1203— 9,5—10; Na20—10—15; Ag —0,4—0,5; СГ— 0,1— 0,4; F' —0,85-2,5; СиО—0,015—0,016; Br'—0,2—0,6. Состав стекол второго типа, % по массе: Si02 —52,4; В203 —20; А1203 —6,9; ВаО —8,2; РЬО — 2,6; Zr02 —2,1; Na20—1,8; Li20 — 4,8; Ag —0,31; Br7 —0,23; CI' —0,6; CuO — 0,016. Технология получения фотохромных изделий не отли­чается от обычной для данного вида изделий. Температура варки зависит от состава стекла (стекла первого типа варят при темпера­туре 1500°С). Газовая среда печи нейтральная. Вырабатывают фо­тохромные стекла всеми способами, применяемыми в стеклоделии. Они приобретают фототомные свойства после повторного нагрева­ния при температуре 550—650 °С. В нашей стране фотохромные стекла вырабатывают пока только для технических целей.