Patvarus ir saugus stiklas

Patvarus ir saugus stiklas

Ilya Leenson,
Kandidatas chemijos mokslai
Chemijos fakultetas, Maskvos valstybinis universitetas M. V. Ломоносова
"Mokslas ir gyvenimas" № 3, 2017

Natalijos Domrinos nuotrauka

Stiklas yra viena iš labiausiai paplitusių medžiagų, susijusių su asmeniu. Ir tuo pačiu metu mes dažnai to nepastebi – tiek žiūrėdami į langą, tiek pažvelgus į parduotuvių langus, o kai mes žvelgiame į veidrodį. Ir viskas, nes skaidrus stiklas yra skaidrus.

Stiklas pasirodė prieš daugelį tūkstančių metų ir niekas nežino, kas jį išrado ir kaip. Romėnų rašytojas ir mokslininkas Plinijus Elderis, kuris gyveno pirmajame amžiuje, sako, kad kai kurie finikietiški pirkliai apšaudė ugnį po laivu, norėdami valgyti maistą kelyje. Jie padarė ugnį, be akmenų, iš soda gabalėlių, kurie ištirpdavo karštyje ir suformavo pirmąjį dirbtinį stiklą su smėliu ir kitais dirvožemio komponentais. Tikriausiai ši istorija – fantazija. Jei tik todėl, kad ištirpsti soda, jums reikės labai aukšto temperatūros, kurios nenumato įprastas ugnies. Labiausiai tikėtina, kad stiklą išrado vienos iš seniausių profesijų atstovai – puodai. Kai šaudydami molio indus, plytos dažnai trūksta. Todėl jie bandė iš anksto padengti skirtingomis kompozicijomis.Vienas mišinys buvo sėkmingas: gatavas produktas buvo padengtas plonu blizgančiu emaliu. Tai buvo pirmasis stiklas – nepermatomas ir nuobodus. Tačiau keramikos atveju tai nebuvo trūkumas. Laikui bėgant iš soda, smėlio ir kalkių (arba kreidos) mišinio jie pradėjo gaminti stiklą, iš kurio pagaminti papuošalai, smilkalų buteliukai. Pristatydami įvairius priedus į stiklą, jie išmoko dažyti jas skirtingomis spalvomis.

Sunkiausia buvo gauti bespalvį permatomą lango stiklą. Jis net nebuvo tarp viduramžių Europos karalių ir imperatorių. Pastatų langai susideda iš siaurų plyšių ar mažų angų, kurios blogais laikais buvo užrakintos žaliuzėmis arba pakabintos su oda, drobė ar sugriebtas bulių burbulas. Turtingiausi žmonės galėjo sau leisti į langus įtraukti skaidrias žėručio plokšteles. Europoje žėrutis buvo iškasta Karelijoje. Labai retai pasitaikė didelių žėručio plokščių, todėl jie buvo labai brangūs. Tik XIV amžiuje turtingiausių žmonių namuose pasirodė lango stiklas (bažnyčių pastatuose jie pradėjo naudoti anksčiau – apie X a.). Norint pagaminti gerą stiklą, pirmiausia reikėjo labai švaraus balto smėlio, kuris retai buvo rastas.Paprasto smėlio, kuriame yra geležies priemaišų, stiklinė žalia. Todėl, kai visi langai buvo žalsni. Ir kuo daugiau geležies smėlyje, tuo tamsesnis smelis, tuo mažiau stiklas bus skaidrus. Dabar iš tokio stiklo pripildykite butelius.

Pramonė gamina daug įvairių stiklo rūšių: elektrovacuum, apšvietimas, optinė, laboratorinė chemija, termometrinė, medicininė, talpykla, kristalai … Jie gali būti įvairių elementų oksidai – aliuminis, kalcis, magnis, baris, natris , kalio, geležies, boro, cinko ir net arseno (pavyzdžiui, pieno stiklo).

Visi žino, kad daugelio akinių trūkumas yra jų silpnumas. Didžiulė stiklo produktų masė kasdien tampa stiklo mūšiu. Be ekonominių nuostolių, stiklinis stiklas yra pavojingas, nes neseniai suskaldytas stiklas yra labai aštrus. Nesvarbu, kad tik supjaustyta stiklo plokštė gali būti naudojama kaip pjovimo įrankis mikrotome – priemonė, kuri sukuria biologinių preparatų plonesnes dalis biologiniams tyrimams.Tačiau paaiškėja, kad stiklas gali būti pagamintas ne tik labai stiprios, bet ir nesuskaičiuojamos.

Ši istorija prasidėjo jau seniai – XVII a. Anglų princas Rupertas (pilnas vardas – Bavarijos hercogos Reino pakrantė) turėjo visas galimybes atlikti puikią karinę karjerą. Tačiau, palikdamas karinę tarnybą, paskutinius savo gyvenimo metus jis skiria menui ir mokslui. Vienas iš jo atradimų – grūdintas stiklas. Kas tai yra?

Visi žino, kas atsitinka, kai verdantis vanduo pilamas į dekanterį arba supjaustytą stiklo, pagamintą iš storo stiklo: stiklo pertraukos. Taip yra todėl, kad stiklas yra labai blogas šilumos laidininkas; ji šilta iki šimto kartų lėčiau nei, pavyzdžiui, vario. Todėl, kai stiklo viduje jau karšta, jo išoriniai sluoksniai vis dar šalti. Dėl šilumos išsiplėtimo, išorinė produkto dalis yra didžiulių įtampų, dėl kurių dažnai nepakanka. Kad storas sienelės stiklo gaminiai nesutrūktų, jie turėtų būti šildomi (ir atvėsinami) lėtai. Be to, tai taikoma įvairių stiklo gaminių gamybai: po liejimo iš pusiau skysto stiklo masės, jie labai lėtai aušinami iki kambario temperatūros.Tai daroma specialiose krosnyse, kuriose temperatūra nukrenta daug valandų. Ši procedūra vadinama atkaitinimu, todėl gaunamas produktas yra atkaitintas.

Prastai atkaitintame stikle lieka vidiniai įtempiai, kurie bet kokiu būdu nekeičia jo išvaizdos (matomi tik poliarizuotoje šviesoje), tačiau labai susilpnina mechanines savybes. Šie įtempimai dažnai sutelkti į kraštus, susilpnėjusios produktų dalis. Lakštinio stiklinėje jie gali sekti vienas kitą, suformuojant grandinę. Tokį stiklą labai sunku supjaustyti tiesia linija: netolygiai pasiskirstę įtempiai veda įtrūkimą nuo įbrėžimų, kuriuos sukelia deimantas.

Bet deginti stiklą – tik pusę mūšio. Paprastai net atkaitinto stiklo paviršius susilpnėja daugybe mažų įtrūkimų, įbrėžimų, kurie gali būti nematomi plika akimi. Labai pavojingi mikrokrekiai stiklo gaminių kraštuose. Iš jų prasideda sunaikinimas. Pagal apkrovą plyšių galuose, koncentruojasi labai dideli įtempiai; įtrūkimai išplečiami ir, galų gale, perpjaunami per visą gaminį – jis suskaidomas į gabalus.Jei tam tikru būdu "išgydamas" stiklo paviršių, kad jis būtų labai sklandus ir lygus, toks stiklas taps daug stipresnis. Tai gali būti padaryta, pavyzdžiui, cheminiu paviršiumi. Jei įprastą lango stiklą keletą minučių nuleidžiamas vandenilio fluoro (vandenilio fluorido) ir sieros rūgščių mišinys, nuo jo paviršiaus išgraviruotas sluoksnis, kurio storis yra iki 0,1 mm. Šiuo atveju silicio oksidas iš stiklo kompozicijos patenka į tirpų fluorosilikatą:

Sio2 · XH2O + 6HF → SiF62− + (2 + x) H2O + 2H+.

Taip, kad tokiu būdu apdorotas stiklas nebūtų vėl padengtas įtrūkimais ir įbrėžimais dėl dulkių patekimo į jį, taip pat apsaugo jį nuo atmosferos drėgmės (taip pat sumažėja stiklo stipris), jo danga po džiovinimo padengta apsaugine plėvele iš silikono junginių. Namuose gali būti iš dalies "išgydyti" naujai įsigyto stiklo įtrūkimai. Kad tai padarytumėte, jis turi būti kruopščiai kaitinamas vandeniu, kol jis bus verda ir toliau virti dar dešimt minučių. Toks stiklas gyvens ilgiau.

Kietėjimui pramonėje stiklas yra sukietėjęs. Užgesinimas atliekamas aštriu karšto stiklo aušinimu. Pažiūrėkime, kas atsitiks, jei išlydyto stiklo pilamas į šaltą vandenį. Jei išpilkite jį palaipsniui, atskirais lašais, tada jie nėra įtrūkę ir lieka nepakitę po aušinimo.Jei stiklas yra kaitinamas labai aukštoje temperatūroje (kai jis yra visiškai skystis), tada į lašelių stikline vandens kritimas su pakankamai didele aukščio ji tampa beveik tobulas karoliukas. Jei stikline lazdele galiukas ištirpo paprastųjų degikliu, kuri yra naudojama pagal glassmakers, tada iš gana klampus lašas, kurį like nenoriai atskirtas nuo strypų ir tokiu būdu traukia stiklo pluošto. Kai išleidžiamas į šaltą vandenį, toks lašas paimamas iš ašaros su ilga uodega. Įeinant į vandenį, kritimo lašai sparčiai sulėtėja, tuo tarpu jo pusiau skystoji uodega tęsiasi tuo pačiu greičiu. Dėl to užšalusio lašo uodega gaunama gyvatės forma. Tai buvo šie lašai, kuriuos princas Ruperis gavo pirmą kartą, todėl jie buvo pavadinti po jo (kitas pavadinimas – Batavian ašaros).

Tas faktas, kad ašaros išlieka sveiki, nėra labiausiai stebina jų bruožas. Jie yra labai patvarūs: jie atsparūs smarkiam smūgiui plaktuku ant storos kriaušės formos. Bet slozki Achilo kulną: turėtų dislokuoti jos plona uodega arčiau žemės, visa lašas su avarijos sudūžta į mažus gabaliukus.Jei atliksite šį eksperimentą tamsoje, kartais galite pamatyti švytėjimą. Ašarų išsisklaidymas gali atsirasti tokia jėga, kad, jei atliksite eksperimentą stikline vandens, jis bus sulaužytas, kaip sprogimas!

Norėdami paaiškinti neįprastas ašarų ypatybes, išsamiau aptariame jų formavimo procesą. Kai lašas atšaldomas, atsiranda jėgos, kurios patraukia išorinį sluoksnį į vidų, sukuriant į jį suspaustą įtampą, o vidinė šerdis iš išorės, sukurdama tempimo įtampą. Atkaitinimas (ilgalaikis šildymas 100 ° C temperatūroje) atneša įtampą, nes esant aukštai temperatūrai stiklo dalelės tampa mobiliu ir perkelia į "patogias" vietas.

Apibūdintos "roberto ašarų" savybės yra didesnės ar mažesnės apimties neišvengiamos visiems stiklo produktams, kurie nebuvo atkaitinti. Toks stiklas vadinamas grūdintas. Bolonijos stiklo pūstuvai, pavyzdžiui, pagaminti apvalius indus su storu dugnu, kurie greitai aušinami ore. Šie indai (jie vadinami Bolonijos kolbomis) atlaikė stiprius smūgius be sunaikinimo. Bet smulki žala jų viduje, pavyzdžiui, įbrėžimai, sukėlė laivo plyšimą.

Didelio stiprumo grūdintas stiklas plačiai naudojamas praktikoje. Jei stresas sukuriamas stiklinėje kryptimi ir tolygiai, tada jie labai sustiprina. Norėdami suprasti, kodėl tai įmanoma, apsvarstykite, ar iš abiejų pusių greitai nusausintas stiklas.

Stingumo pasiskirstymas stikle po lenkimo apkrova: a – stresas grūdinto stiklo lape be apkrovos;b – atspariu stiklu; į – įtemptas grūdintas stiklas esant apkrovai

Kaip ir rutulio atveju, tokio stiklo išoriniai sluoksniai patirs stipraus suspaudimo laipsnį, kuris, kaip lakštas juda viduje, mažėja pirmiausia, o po to virsta tempimo įtempimu – jis yra didžiausias centre, kaip parodyta paveikslėlyje. Sklaidos pasiskirstymas apatinėje lapo pusėje atspindi modelį viršutinėje dalyje.

Dabar apsvarstykite, kaip įprastas stiklas elgsis esant apkrovai. Mes įdėjome stiklo lakštą ant dviejų stulpų ir prispaudėme viršuje. Viršutinė išlenktoji stiklo dalis patiria suspaudimą, o apatinė dalis patirs įtampą. Akivaizdu, kad dėl aukščiau paminėtų priežasčių didžiausia apkrova patenka į atokiausius sluoksnius ir yra silpniausia.Šiuo atveju stiklas pradeda suskaidyti iš apačios, nes jis gali atlaikyti suspaudimą dešimt kartų geriau nei ištempimas, kaip iš tikrųjų ir kitos medžiagos.

Mes atliekame tą pačią operaciją su grūdinto stiklo. Čia taikomoji mechaninė apkrova sukels stresą, kuris bus taikomas tiems, kurie jau yra stiklinėje. Atrodytų, kad tai turėtų tik pabloginti klausimą. Iš tiesų, viršutinėje stiklo dalyje bendras suspaudimo įtempis padidės dar labiau. Be to, pridėjus įtempių, bus daroma prielaida, kad labiausiai pavojingi tempimo įtempiai bus maksimaliai kažkur viduje lapo, o šalia dugno paviršiaus įtampa gali būti labai maža. Taigi, veikiant lenkimo jėgai, grūdintas stiklas, palyginti su atkaitinto stiklo, patiria didesnį sluoksnį viršutiniame sluoksnyje ir mažesnę įtempimą apatiniame sluoksnyje. Dėl to keli žmonės gali stovėti ant grūdinto stiklo lakšto, esančio ant dviejų stulpų – lakštas sulenks 4-5 kartus stipresnį nei įprastas stiklas, tačiau jis nebus pertrauktas! Rutulinis stiklas gerokai viršija įprastą ir terminį įtempį – jis gali atlaikyti temperatūros pokyčius iki 270 ° C,tuo tarpu įprasti įtrūkimai jau greitai pasikeitė 70 ° C temperatūroje.

Eksperimentai pramoninio grunto stiklo gamybai prasidėjo paskutinį XIX a. Ketvirtį. Ypatingo "kietojo stiklo" išradėjas laikomas Italijos de la Basti. Stikliniai gaminiai, pašildomi iki raudonos karščio, tačiau nepanaikinant savo formos, panardinami į tam tikrą proporciją sumaišytą ištirpusių riebalų ir augalinio aliejaus mišinį. Toks mišinys gali būti pašildomas iki pageidaujamos temperatūros (paprastai nuo 150 iki 300 ° C) ir taip kontroliuoti aušinimo greitį priklausomai nuo stiklo sudėties, produkto formos ir jo dydžio. Taip pat buvo išbandyti kiti užgesinimo būdai – ištirpintu parafinu 200 ° C temperatūroje, perkaitinto vandens garais, lakštinio stiklo aušinimu, suspaudžiant šalto metalo (arba metalo ir molio) plokštes. Tokius eksperimentus visų pirma atliko vokietis F. O. Schott, kuris 1886 m. Įkūrė garsią stiklo gamyklą ("Shott Glass" ir vis dar žinoma visame pasaulyje, ji pagaminta iš aukštos kokybės laboratorinių indų). Rutulinis stiklas gali būti atskirtas nuo paprasto stiklo optinėmis savybėmis: grūdintas stiklas turi dvigubą lūžį ir atsiranda spalvotas poliarizuotoje šviesoje.

Šiandien grūdintas stiklas gaminamas dideliais kiekiais. Kietėjimui lakštinio stiklo temperatūra kaitinama iki 600-650 ° C, o po to greitai ataušama vienodai pūsti oru specialioje putojimo tinklelyje. Toks stiklas savo terminio ir mechaninio savybių gerokai viršija įprastą. Pavyzdžiui, atsparus lakštui, kurio storis yra 5-6 mm, be sunaikinimo atsparus plieno rutuliui, sveriančiam 800 g, kai jis nukrenta nuo aukščio ne daugiau kaip 15 cm, atlaiko be sunaikinimo. 120 cm! Grūdinto stiklo lenkimo stipris taip pat yra 4-5 kartus didesnis nei įprasto. Toks "nepažeistas" stiklas yra naudojamas automobilių, automobilių, lėktuvų ir pan. Stiklo užlydinimui. Jos pagrindinis bruožas yra tas, kad įvykus nelaimingų atsitikimų atveju jis nesudaro didelių gabalų su labai aštriais kraštais, kurie yra ypač pavojingi ir susmulkinami į mažus (apie 3-5 mm) suapvalinti gabalai be aštrių briaunų. Norint dar labiau apsaugoti, priekiniai automobilių langai yra pagaminti iš vadinamųjų "tripleksų": dviejų įprasto arba grūdinto stiklo lakštų, kurie yra klijuoti kartu su skaidraus ir elastingo sintetinio polimero sluoksniu, derinys. Po smūgio tokio stiklo fragmentai išlieka vietoje, nes jie laikomi polimeru.

Knygos fragmentas: I. A. Leensonas. Chemija pramoninės visuomenės technologijose. – Dolgoprudny: leidykla "Intelektas", 2011.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: