ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Большая часть стекол пропускает свет и другие виды лучистой энергии. Прозрачность стекла определяет важнейшие области его применения в народном хозяй­стве, технике и быту.

С прозрачностью стекла связаны его оптические свойства — отражение, преломление, рассеивание, раз­ложение света (дисперсия), избирательное поглощение и двупреломление.

Преломление и дисперсия света. Луч света, который переходит из среды А с одной плотностью в среду В с другой плотностью, на границе между ними меняет свое направление (рис. 3.2), так как скорости распростране­ния света в средах А и B(va и Vb) обратно пропорцио­нальны их плотности рА и рв:

(vA /vB) = (pB/pA) = (sina/sin6),

Где а — угол падения лучей; (3 — угол преломления лучей.

Если а — пустота, то (sin a/sin р) =п, где п — пока­затель преломления среды В. Поскольку угол а больше угла р, показатель преломления всех прозрачных тел больше единицы.

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

В

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Рис. 3.3. Схема разложения (дис­персии) света призмой

О

Рис. 3.2. Преломление света на границе двух сред с разной плот­ностью

Величина п прямо пропорциональна плотности проз­рачной среды. Так как плотность стекол тем выше, чем больше молекулярная масса входящих в их состав окси­дов, то самый высокий показатель преломления будет у стекол, содержащих тяжелые элементы, а самый низ­кий — у стекол из легких оксидов. Показатели прелом­ления некоторых стекол см. табл. 3.2.

Показатель преломления стекла подобно плотности зависит от скорости его охлаждения. Показатель пре­ломления быстро охлажденных стекол, как и плотность, ниже, чем медленно охлажденных стекол того же хими­ческого состава, причем разница может составлять до 0,004—0,005.

Показатель преломления данной прозрачной среды тем меньше, чем больше длина волны падающего света. Обычно для характеристики среды принимают ее пока­затель преломления лучей определенной длины волны; это чаще всего nD желтых лучей с А,=589-10-9 м (ли­ния Д спектра паров натрия). Так как лучи с разной длиной волны преломляются по-разному, то пучок бело­го света, проходя через стеклянную призму, разлагает­ся на составляющие его цветные лучи разной длины волны (рис. 3.3). Это разложение называется диспер­сией.

Дисперсия измеряется разностью показателей преломления дан­ной среды ДЛЯ ДЛИННЫХ И коротких ВОЛН, например (nF—/2с), где Яр— показатель преломления лучей с Xf=486,1 • Ю-9 м (голубая линия спектра водорода), а пс—показатель преломления лучей с Хс = = 656,3-Ю-9 м (оранжевая линия этого спектра). Разность (пР—пк) называют средней дисперсией.

Дисперсия зависит от состава стекла; она возрастает при уве­личении содержания тяжелых оксидов (РЬО) и трехокиси сурьмы. СаО и ВаО увеличивают nD гораздо больше, чем дисперсию, а Р2О5 повышает nD, но сильно снижает (nF—пс).

Показатели преломления стекла измеряют чаще всего с помо­щью рефрактометров с точностью ±0,00001 при условии, что образ­цы стекла достаточно однородны и хорошо отполированы. Более простым и быстрым, ио менее точным (±0,001) является иммерсион­ный метод, при котором образец стекла поочередно погружают в смеси жидкостей с различными, известными показателями прелом­ления. Образец, рассматриваемый в микроскоп, становится невиди­мым, когда его показатель преломления равен показателю прелом­ления смеси.

Показатели преломления и средней дисперсии стекла рассчитывают по способу аддитивности с точностью до 0,01. Более точен (до единицы третьего десятичного знака) метод расчета J1. И. Демкиной:

Pi, р2 , , Рп

М _ - Jj____________ £2____________________

Т ~~ Pi ра рп

Si S2 Sn

Где Мот — средний показатель преломления п или средняя диспер­сия (tlF—пс) стекла; Рь Р2,..., Рп — содержание отдельных оксидов в стекле, % по массе; т, т2,...,тп — парциальные значения показа­телей преломления или средних дисперсий отдельных оксидов;

Таблица 3.8. Коэффициенты для расчета показателей преломления и дисперсии стекол (по данным JI. И. Демкиной)

Оксиды

"d

( V""c )X

S

Оксиды

"d

("f~"c)x

S

X105

X105

Si02

1,475

595

60

BaO

2,03

2280

213

В203

1,464

670

70

ZnO

1,96

2850

223

А1203

1,49

850

59

CaO

1,83

1750

86

Sb203

1,08

3800

154

MgO

1,64

1300

140

As203

1,57

1600

107

K20

1,58

1200

94

PbO

2,46

7700

343

Na20

1,59

1400

66

Si, S2,...,Sn — парциальные коэффициенты, зависящие от основного состава стекла (табл. 3.8).

Повышенная дисперсия вызывает цветной ореол и нечеткость контуров получаемых изображений. Ее можно снизить путем под­бора таких оптических систем из линз или призм (называемых ахро­матическими), в которых дисперсия, создаваемая одними линзами, уничтожается другими.

Показатели преломления и дисперсии характерны для стекла того или иного состава и позволяют поэтому судить о его однородности, контролировать постоянство его состава, а также выявлять и устранять некоторые нарушения технологии стекла.

Двойное преломление лучей. Стекло, свободное от механических напряжений, изотропно. Однако если пу­тем сильного механического воздействия или резкого температурного толчка создать в стекле напряжения, то оно становится двупреломляющим наподобие прозрач­ных кристаллов—кварца, гипса, слюды и др. При ис­чезновении напряжений двупреломление также исчезает.

Пусть на стеклянную пластинку действуют неодина­ковые растягивающие усилия {рх<ру), причем их на­правления взаимно перпендикулярны. До приложения усилий скорость света была одинаковой в любых на­правлениях пластинки. После механического воздейст­вия скорость света в направлении большего растягива­ющего усилия становится больше, чем в направлении меньшего усилия: vy~>vx (если бы напряжения были сжимающими, то произошло бы обратное: скорость све­та в направлении наибольшего усилия была бы наи­меньшей).

Таким образом, луч света, входящий в пластинку с напряжениями, как бы делится на два луча, обладаю­щие различными скоростями: обыкновенный и необык­новенный. Это явление называется поляризацией света.

Проходя в стекле путь длиной /, м, лучи приобретают разность хода А, пропорциональную расстоянию I и разности скоростей vy—vx. Разность хода равна:

А = kyl (vy — vx), где ky — коэффициент пропорциональности.

Если приближенно принять, что разность скоростей пропорциональна разности напряжений:

СVy — Vx) = k2 (Ру — Рх) , ТО А = kihl (іVy — Рх) = kl (Ру — Рх),

Где k—kkt — оптическая постоянная напряжений, в среднем состав­ляющая (2,4—2,8) • 10~6- 1/МПа.

Из последнего уравнения получаем ру—px=A/kl, т. е. по разности хода лучей в двупреломляющих стек­лах можно вычислить напряжения.

Отражение света. Отношение количества света /0> отраженного от поверхности стекла, к количеству света I, падающего на его поверхность, называется коэффи­циентом отражения. Коэффициент отражения R прямо пропорционален углу падения света на стекло. Для пуч­ка, падающего перпендикулярно поверхности стекла, R может быть выражен через показатель преломления стекла п:

(я + 1)2 '

Коэффициент отражения R возрастает с увеличени­ем показателя преломления Пв так, для стекла с rtD= = 1,53 он составляет 0,043, а для стекла с nD= 1,65 (свинцовый хрусталь)—0,061. Поэтому изделия, кото­рые должны иметь красивую игру света в гранях, де­лают из стекла с высоким показателем преломления.

Если световой поток проходит последовательно через т поверх­ностей стекла, то отражение происходит на каждой поверхности и, в конце концов, через стекло пройдет количество света

*1 = (1-Яі)(1-Я*)(1-Яз) ••• (1-ЯпО.

Где 1 — общее количество света, падающего на стекло, a Ru R-г, R3,-, Rm — коэффициенты отражения от соответствующих поверхно­стей.

Для светового пучка, перпендикулярного поверхно­сти стекла простого состава (например, оконного), ко­эффициент отражения от одной поверхности равен 0,04 (4 %). Тогда количество света, прошедшее через стек­лянную пластинку, ограниченную двумя поверхностями, составит: х2= (1—0,04) (1—0,04) =0,92, откуда 1—х2= = 0,08 (8 %).

В сложных оптических системах (например, микроскопах, теле­скопах), состоящих из ряда линз и призм, потеря отражением мо­жет составить до 75—80 % падающего света; в этом случае изобра­жение будет темным. Для увеличения светосилы акад. И. В. Гребен­щиков с сотрудниками разработали способ, называемый просветле­нием оптики. При этом способе на поверхность стекла наносится тончайшая пленка фторидов или кремнекислота, показатель прелом­ления которых п равен п стекла. Толщина пленки должна со­ставлять 0,25 длины волны падающего излучения. Такая пленка в 7—10 раз уменьшает коэффициент отражения и увеличивает коли­чество света, пропущенного стеклом. Если, наоборот, коэффициент отражения нужно увеличить, на стекло наносят пленку с более вы­соким показателем преломления, что используется при производстве полупрозрачных зеркал, оптических систем и в декоративных целях.

Рассеивание света. Если свет падает на стекло, име­ющее шероховатую поверхность или содержащее в мас­се много мелких инородных включений, он многократно отражается в разных направлениях и выходит из стекла в виде рассеянного пучка. Стекло будет выглядеть как бы матовым, полупрозрачным, оно мягче и равномернее распределит пропущенный свет, чем прозрачное стекло. Из такого светорассеивающего стекла изготовляют све­тотехнические изделия (абажуры, колпаки, плафоны и т. п.). Свет, который они пропускают, не ослепляет, так как источник его (нить накала электроламп) не ви­ден через рассеивающее стекло.

Поглощение света. Вместо расчетных 92 % падаю­щего света стеклянные пластинки, по данным измере­ний, фактически пропускают гораздо меньше. Самые прозрачные оптические стекла пропускают в расчете на 1 см их толщины немного более 91 %, а обычные про­мышленные стекла—85—90,8 %. Отсюда следует, что' часть падающего светового потока поглощается стеклом. Отношение количества света, пропущенного стек­лом, /пр к падающему световому потоку / называется коэффициентом светопропускания стекла Т.

Светопропускание стекла измеряется фотометром или спектрофотометром. Для расчетов вместо значения Т часто пользуются значением так называемой оптиче­ской плотности стекла D:

D = 1g(l/T) = - lgr.

Пониженное пропускание света стеклом обусловлено присутствием в его составе красителей, вызывающих избирательное поглощение — поглощение лучей опреде­ленной длины волны. Оптическая плотность стекла как раз и характеризует интенсивность его избирательного поглощения; она пропорциональна удельному поглоще­нию света а, свойственному данному красителю, кон­центрации красителя в стекле с и толщине стекла d. Оп­тическая плотность стекла D — acd, а коэффициент све - топропускания T=eracd (е — основание натуральных логарифмов).

Вследствие избирательного поглощения света стек­лами они пропускают лучи определенных длин волн и поэтому имеют тот или иной цветовой оттенок или ок­раску. Поглощение света в так называемом бесцветном, а в действительности слабо окрашенном стекле вызвано присутствием в нем соединений железа, вносимых сырьевыми материалами. В стекле могут присутство­вать соединения двухвалентного (закисного) Fe2+ и трехвалентного (окисного) железа Fe3+. Интенсивность поглощения света в разных областях спектра зависит от валентности соединений железа и от их содержания в стекле. Удельное поглощение света двухвалентного железа Fe2+ в области видимых лучей спектра в 10 раз больше трехвалентного Fe3+. Fe2+ поглощает главным образом лучи с длиной волны примерно 600-Ю-9 м (желтые и красные) и окрашивает стекла в голубова­тый цвет. Трехвалентное- железо в наибольшей степени поглощает лучи длиной волны 500- Ю-9 м (синие и фио­летовые), желтые и красные лучи оно пропускает, ок­рашивая стекло в желтоватый цвет. В стекле всегда одновременно содержится двух - и трехвалентное желе­зо: вместе они придают стеклу зеленоватую окраску, интенсивность которой зависит от общего содержания в нем оксидов железа.

Отсюда следует, что для получения стекол с высо­ким светопропусканием необходимо до предела снизить в них содержание железа и, кроме того, остаток железа в стекле должен быть, по возможности, трехвалентным.

Для ряда изделий (светотехнических, художествен­ного стекла и др.) зеленоватая окраска, даже слабая, нежелательна. Для таких изделий стекло обесцвечивают. Различают обесцвечивание химическое и физическое. Содержание закисного и окисного железа в стекле (в пересчете на ИеО+РегОз) не должно превышать при химическом обесцвечивании 0,06 %, при физическом — 0,08 %.

Химическое обесцвечивание сводится к тому, чтобы по возможности перевести все железо в стекле в трех­валентную форму. Химически обесцвеченное стекло слегка окрашено в желтовато-зеленоватый цвет, но об­ладает высоким светопропусканием.

Физическое обесцвечивание заключается в том, что в состав стекла вводят красители, которые окрашивают его в цвет, дополнительный к окраске соединениями же­леза. В результате такого окрашивания (т. е. двойного поглощения света) стекло приобретает нейтральный, серый оттенок, но светопропускание его понижается. Из этого следует, что понятия «светопрозрачное» и «обесцвеченное» стекло следует различать.

Помимо лучей видимой области спектра стекло способно пропу­скать или поглощать невидимые лучи (инфракрасные, ультрафиоле­товые, рентгеновские, у-лучи и др.). С развитием науки и техники изготовление стекла, пропускающего или поглощающего те или иные лучн, приобретает возрастающее значение. Пропускание стеклом лу­чей инфракрасной области спектра заметно влияет на глубину его прогревания при высоких температурах. Чем меньше их пропускает­ся, тем меньше теплоты проникает в стекломассу и тем ниже тем­пература ее глубинных слоев.

Цвет стекла может изменяться при воздействии на него излуче­ний, например, солнечного света. Голубоватое стекло, содержащее закисное железо, на солнце желтеет; бесцветное стекло, содержащее соединения марганца, приобретает сиреневую окраску. Это явление, названное соляризацией, состоит в том, что под влиянием энергии ультрафиолетовых излучений в стеклах, содержащих оксиды марган­ца и железа, марганец окисляется за счет оксида железа.

Мп2+ + квант энергии = Мп3+ + е~ (розовый);

Fe3+ - f - е~ = Fe2+ (голубой).

Аналогичный эффект используют для получения так называемых фотохромиых стекол; в них окраска появляется только во время действия излучения, а потом пропадает. Такие стекла применяют для защиты от солнца зданий и транспорта, для поддержания по­стоянной освещенности помещений и т. п.

Действие проникающих радиации (у-лучей, нейтронов и в мень­шей степени а - и р-частиц) на стекло приводит к его окрашиванию в массе, так как прн этом изменяется структура стекла и образу­ются группы ионов — «цветовые центры», обусловливающие избира­тельное поглощение лучистой энергии. Стекло окрашивается тем сильнее, чем интенсивнее и дольше его облучали. Окрашивание стек­ла под действием соляризации и проникающих радиаций может быть уничтожено нагреванием его до температур, близких к температуре размягчения.

Многие стекла под действием коротковолновых радиаций, напри­мер ультрафиолетовых и рентгеновских, способы светиться — люми - иесцировать: полученная нми энергия перерабатывается в энергию световую. Для этого стекла должны содержать в своем составе так называемые «активаторы» люминесценции. Это некоторые элементы переменной валентности: Мп (дает зеленое или красное свечение),

Се (голубое свечение), U (интенсивное желто-зеленое свечение) и др. Люминесценция используется для распознавания различных сортов стекол, а также для технологических и структурных исследований.

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

МНОГОСЛОЙНОЕ СТЕКЛО

Многослойное стекло относят к группе защитных без­опасных безосколочных стекол, которые отличаются наи­более совершенными защитными свойствами. Наиболь­шее распространение получило трехслойное стекло — триплекс, состоящее из двух листов стекла и эластичной прокладки. …

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ШЛАКОВЫХ СТЕКОЛ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НЕМУ

Химический состав исходных стекол, предназначен­ных для получения шлакоситаллов, должен удовлетво­рять ряду требований; одни из них определяются эксплу­атационными свойствами конечного материала, другие диктуются технологией их промышленного производства. Первые из них требуют, …

СТЕКЛЯННЫЕ ПУСТОТЕЛЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ БЛОКИ

Характеристика изделий. Стеклянные строительные блоки представляют собой изделия с герметически за­крытой полостью, образованной в результате сварки двух отпрессованных коробок с гладкими или рифлеными по­верхностями. Их выпускают квадратными, прямоуголь­ными, шестиугольными, угловыми; …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.