Свойства стекол

Свойства стекла

Силикатные стекла отличаются необычным сочетанием свойств, прозрачностью, абсолютной водонепроницаемостью и универсальной химической стойкостью. Все это объясняется спецификой состава и строения стекла.

Плотность стекла зависит от химического состава и для обычных строительных стекол составляет 2400…2600 кг/м3. Плотность оконного стекла — 2550 кг/м’. Высокой плотностью отличаются стекла, содер­жащие оксид свинца («богемский хрусталь») — более 3000 кг/м3. По­ристость и водопоглощение стекла практически равны 0 %.

Механические свойства. Стекло в строительных конструкциях чаще подвергается изгибу, растяжению и удару и реже сжатию, поэтому главными показателями, определяющими его механические свойства, следует считать прочность при растяжении и хрупкость.

Теоретическая прочность стекла при растяжении — (10…12)•103 МПа. Практически же эта величина ниже в 200…300 раз и составляет от 30 до 60 МПа. Это объясняется тем, что в стекле имеются ослабленные участки (микронеоднородности, дефекты поверхности, внутренние напряжения). Чем больше размер стеклоизделий, тем вероятнее нали­чие таких участков. Примером зависимости прочности стекла от размера испытуемого изделия служит стеклянное волокно. У стекло­волокна диаметром 1…10 мкм прочность при растяжении 300…500 МПа, т. е. почти в 10 раз выше, чем у листового стекла. Сильно снижают прочность стекла на растяжение царапины; на этом основана резка стекла алмазом.

Прочность стекла при сжатии высока — 900… 1000 МПа, т. е. почти как у стали и чугуна. В диапазоне температур от — 50 до + 70° С прочность стекла практически не изменяется.

Стекло при нормальных температурах отличается тем, что у него отсутствуют пластические деформации. При нагружении оно подчи­няется закону Гука вплоть до хрупкого разрушения. Модуль упругости стекла Е= (7…7,5) • 104 МПа.

Хрупкость — главный недостаток стекла. Основной показатель хрупкости — отношение модуля упругости к прочности при растяже­нии E/Rp. У стекла оно составляет 1300…1500 (у стали 400…460, каучука 0,4…0,6). Кроме того, однородность строения (гомогенность) стекла способствует беспрепятственному развитию трещин, что является не­обходимым условием для проявления хрупкости.

Твердость стекла, представляющего собой по химическому составу вещество, близкое к полевым шпатам, такая же, как у этих минералов, и в зависимости от химического состава находится в пределах 5…7 по шкале Мооса.

Оптические свойства стекла характеризуются светопропусканием прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием и др. Обычные силикатные стекла, кроме специальных (см. ниже), пропу­скают всю видимую часть спектра (до 88…92 %) и практически не пропускает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Показатель пре­ломления строительного стекла (п = 1,50…1,52) определяет силу отра­женного света и светопропускание стекла при разных углах падения света. При изменении угла падения света с 0 до 75° светопропускание стекла уменьшается с 90 до 50 %.

Теплопроводность различных видов стекла мало зависит от их состава и составляет 0,6…0,8 Вт/(м•К), что почти в 10 раз ниже, чем у аналогичных кристаллических минералов. Например, теплопроводность кристалла кварца — 7,2 Вт/(м•К).

Коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) стек­ла относительно невелик (для обычного стекла 9•10-6 К-1). Но из-за низкой теплопроводности и высокого модуля упругости напряжения, развивающиеся в стекле при резком одностороннем нагреве (или охлаждении), могут достигать значений, приводящих к разрушению стекла. Это объясняет относительно малую термостойкость (способ­ность выдерживать резкие перепады температур) обычного стекла. Она составляет 70…90° С.

Звукоизолирующая способность стекла довольно высока. Стекло толщиной 1 см по звукоизоляции приблизительно соответствует кир­пичной стене в полкирпича — 12 см.

Химическая стойкость силикатного стекла — одно из самых уни­кальных его свойств. Стекло хорошо противостоит действию воды, щелочей и кислот (за исключением плавиковой и фосфорной). Объ­ясняется это тем, что при действии воды и водных растворов из наружного слоя стекла вымываются ионы Na+ и Са++ и образуется химически стойкая пленка, обогащенная SiO2. Эта пленка защищает стекло от дальнейшего разрушения.

Свойства стекол

Область применения стекол определяется их свойствами. Так, для листовых строительных стекол важны прочность на сжатие и растяжение, термические свойства, химическая устойчивость, светопрозрачность. Ниже рассмотрены важнейшие свойства стекла, характеризующие его в твердом состоянии.

Плотность. Плотностью называется отношение массы тела к его объему. Определяется она по формуле p = m/V, где р — плотность; г/см3; m — масса, г; V — объем, см3.

Стекло имеет плотность от 2,2 до 7,5 г/см3. Она определяется химическим составом. В состав тяжелых стекол (флинтов) входит много свинца, в состав легких — окислы элементов с малой атомной массой — лития, бериллия, бора. Большинство промышленных строительных стекол (оконное, полированное, профильное) имеет плотность 2,5-2,7 г/см3 в частности оконное — стекло 2,55 г/см3. Плотность стекол в некоторой степени зависит и от температуры. Так, с повышением температуры плотность стекол уменьшается.

Прочность. Прочностью называется способность материала сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Прочность характеризуется пределом прочности. В зависимости от направления действия нагрузки определяют предел прочности при сжатии, растяжении, изгибе и т. д.

Предел прочности стекол при сжатии R (кгс/мм2, Па) измеряют величиной разрушающей силы F (кгс), действующей на поперечное сечение S (мм2) образца перпендикулярно действующей силе: R = F/S.

Предел прочности на сжатие для различных видов стекла колеблется от 50 до 200 кгс/мм2, например прочность оконного стекла 90-100 кгс/мм2. Для сравнения можно указать, что прочность на сжатие чугуна 60-120, стали 200 кгс/мм2.

На прочность стекла оказывает влияние его химический состав. Так, окислы СаО и B2O3 значительно повышают прочность, РbО и Al2O3 в меньшей степени, MgO, ZnO и Fe2O3 почти не изменяют ее.

Предел прочности при растяжении определяют по формуле R = P/S, где R — предел прочности при растяжении, кгс/мм2 (Па); Р — средняя величина разрушающего усилия, кгс; S -площадь шейки образца в момент разрыва, мм2.

Из механических свойств стекол прочность на растяжение является одним из важнейших. Объясняется это тем, что стекло работает на растяжение хуже, чем на сжатие. Обычно прочность стекла на растяжение составляет 3,5-10 кгс/мм2, т. е. в 15-20 раз меньше, чем на сжатие.

Прочность стекла на растяжение зависит от состояния поверхности стекла. Наличие на ней каких-либо повреждений (трещин, царапин) снижает прочность стекла в 4-5 раз. Поэтому для сохранения заданной прочности стекла необходимо оберегать его поверхность от повреждений, например покрывать кремний органическими пленками. Химический состав влияет на прочность стекла при растяжении примерно так же, как и на прочность при сжатии.

Твердость. Твердость — это способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. От твердости зависит продолжительность всех видов механической обработки (в производстве полированного автомобильного и технического стекла).

К твердым сортам относят боросиликатные малощелочные стекла с содержанием B2O3 до 10-12%, твердость которых по шкале Мооса равна 7. Стекла с большим содержанием щелочных окислов имеют меньшую твердость. Наиболее мягкие — многосвинцовые силикатные стекла, твердость которых по шкале Мооса равна 5-6.

Хрупкость. Хрупкость стекол определяется способностью противостоять удару. Большая хрупкость стекол ограничивает их применение. В лабораторных условиях вместо хрупкости определяют микрохрупкость стекла, которая измеряется числом микротрещин, образовавшихся на поверхности стекла при вдавливании в него алмазной пирамидки.

На хрупкость, стекол влияют однородность, конфигурация и толщина изделий: чем меньше посторонних включений в стекле, чем более оно однородно, тем выше его хрупкость. Хрупкость стекол практически не зависит от состава. При увеличении в составе стекол B2O3, SiO2, Al2O3, ZrO2, MgO хрупкость незначительно понижается.

Справочник строителя | Свойства стекол

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Плотность — масса вещества в единице объема, кг/м3: d = М/V. Плотность стекла зависит от его химического состава. Среди силикатных стекол минимальную плотность имеет кварцевое стекло — 2200 кг/м3. Плотность боросиликатных стекол меньше плотности кварцевого стекла; плотность стекол, содержащих оксиды Рb, Вi, Та и др., достигает 7500 кг/м3. Плотность обычных натрий-кальций-силикатных стекол, в том числе оконных, колеблется в пределах 2500…2600 кг/м3. При повышении температуры от 20 до 1300°С плотность большинства стекол уменьшается на 6… 12%, т.е. в среднем на каждые 100°С плотность уменьшается на 15 кг/м3.

Упругость — свойство материалов восстанавливать форму и объем после прекращения действия деформирующих сил. Коэффициент пропорциональности между напряжениями и деформациями называется модулем упругости. Упругость стекол в зависимости от их химического состава изменяется в пределах 48·103…12·104 МПа. Упругость кварцевого стекла — 71,4 ГПа. Модуль упругости, как и некоторые другие свойства стекол, можно определить, пользуясь принципом аддитивности — суммированием значений свойств образующих компонентов (оксидов) пропорционально их содержанию:

р = a1X1 + a1X2 + a3X3…anXn ,

где р — искомое свойство;

а1…аn — содержание оксидов в стекле, %; Х1…Хn — удельный (парциальный) фактор некоторого свойства для соответствующего оксида в стекле.

Увеличивают упругость стекол СаО, В2О3, Аl2O3, МgO при введении вместо SiO2 (частично). Щелочные оксиды снижают модуль упругости, так как прочность связей Ме-O значительно ниже прочности связи Si-О.

Механическая прочность характеризует свойство материалов сопротивляться разрушению при воздействии внешних нагрузок. Мерой прочности является предел прочности — максимальное напряжение, вызывающее разрушение материала под действием статической нагрузки или удара. Различают пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе, кручении и т.д.

Предел прочности обычных отожженных стекол при сжатии составляет 500…2000 МПа (оконного стекла 900…1000 МПа).

Предел прочности при растяжении и изгибе. При поперечном изгибе в стекле со стороны действия силы возникают напряжения сжатия, а с противоположной — напряжения растяжения. Поэтому предел прочности стекла при изгибе измеряют пределом прочности при растяжении. Стекло работает на растяжение значительно хуже, чем на сжатие. Теоретическая прочность стекла, т.е. прочность связей в его структурной сетке, является высокой и составляет примерно 10 000 МПа. Однако фактическая прочность стекла при растяжении гораздо ниже и колеблется в пределах 35… 100 МПа. Таким образом, предел прочности при растяжении в 15…20 раз меньше, чем при сжатии.

Прочность закаленного стекла при прочих равных условиях в 3…4 раза больше прочности отожженного. Значительно повышает прочность стекол обработка их поверхности химическими реагентами с целью удаления дефектов поверхности (мельчайших трещин, царапин и т.д.).

Твердость стекла зависит от химического состава. Стекла имеют различную твердость в пределах 4000…10000 МПа или по шкале Мооса она составляет 6…7, что находится между твердостью апатита и кварца. Наиболее твердыми являются кварцевое и малощелочное боросиликатное стекло (до 10…12% В2O3). С увеличением содержания щелочных оксидов твердость стекол снижается. Наиболее мягкие многосвинцовые стекла.

Хрупкость. В области низких температур (ниже tg — температуры стеклования) стекло наряду с алмазом и кварцем относится к идеально хрупким материалом, т.е. способно разрушаться под действием механических напряжений без заметной пластической деформации. Поскольку хрупкость четче всего проявляется при ударе, ее характеризуют прочностью на удар, которую определяют работой удара, отнесенной к единице объема разрушаемого образца, называемой удельной ударной вязкостью. Прочность стекла на удар зависит от многих факторов. Введение В203 (до 12%) повышает прочность на удар почти вдвое, введение МgO, Fе2О3, увеличение содержания SiO2 — на 5…20%. Для силикатных стекол ударная вязкость составляет 1,5…2 кН/м, что на 2 порядка ниже, чем у металлов.

Поделитесь ссылкой в социальных сетях

Плотность и механические свойства стекол

Плотность — отношение массы тела к его объему ρ = m/V, кг/м3.

Плотность технических стекол в зависимости от их химического состава колеблется в довольно широких пределах: 220…6300 кг/м3. Плотность стекол, применяемых для изготовления сортовой посуды и декоративных изделий из стекла, кг/м3: бесцветных и цветных натрий-кальций-силикатных — 2490…2520, свинцовых хрусталей — 2400…3200, бариевых хрусталей -2700…2900.

Плотность стекол уменьшается с повышением температуры (например, от 20 до 1300 °С — на 6… 12 %). Плотность отожженных стекол больше, чем закаленных. Это связано с тем, что закаленное стекло имеет более «рыхлую» структуру, так как при закалке в стекле «замораживается» высокотемпературная структура. При отжиге структура «уплотняется». Плотность хорошо и плохо отожженных стекол различается на 20…30 кг/м3.

Плотность стекол изменяется в зависимости от химического состава. Например, значительно повышают плотность оксиды тяжелых металлов PbO, ВаО, ZnO, в меньшей степени — СаО и MgO. Эта зависимость используется для контроля химического состава стекла, особенно при механизированном производстве изделий.

Степень постоянства плотности и, следовательно, химического состава стекла в различных точках образца или изделий характеризует однородность стекла. Однородность определяют чаще всего методом разделения порошка стекла по плотности и оценивают температурным интервалом между началом и концом всплывания частиц стеклянного порошка в жидкости при центрифугировании: чем меньше этот интервал, тем выше однородность стекла. Для сортовых и художественных стекол однородность характеризуется интервалом до 3°С.

Упругость — способность тела возвращаться к своей первоначальной форме после устранения усилий, вызвавших деформацию тела.

Упругость характеризуется модулем упругости. Модуль упругости — величина, равная отношению напряжения к вызванной им упругой относительной деформации. Различают модуль упругости при осевом растяжении — сжатии (модуль Юнга, или модуль нормальной упругости) и модуль сдвига, характеризующий сопротивление тела сдвигу или сколу и равный отношению касательного напряжения к углу сдвига.

В зависимости от химического состава модуль нормальной упругости стекол колеблется в пределах 4,8·104…8,3·104, модуль сдвига -2·104-4,5·104 МПа. Модули упругости и сдвига несколько повышаются при замене SiO2 на СаО, B2O3, Al2O3, MgO, ВаО, ZnO, PbO.

Твердость — сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела — наконечника (индентора). В большинстве случаев твердость оценивают по размерам отпечатка, оставшегося на поверхности материала. Твердость различных стекол 400… 1200 МПа.

Твердость стекла зависит от его химического состава: наиболее мягкие — многосвинцовые силикатные стекла, наиболее твердые — кварцевые, а также некоторые боросиликатные стекла с содержанием B2O3 до 12 %.

Повышенная твердость стекла затрудняет его механическую обработку. Для снижения твердости в состав стекла вводят щелочные оксиды и оксиды свинца.

Хрупкость — способность твердых тел разрушаться при механических воздействиях без заметной пластической деформации.

Хрупкость материала при ударных нагрузках называется ударной хрупкостью.

Хрупкость зависит от структурного состояния материала и условий испытаний: при увеличении скорости нагружения, понижении температуры, повышении степени концентрации напряжений и запаса упругой энергии хрупкость увеличивается.

Хрупкое разрушение стекла обычно начинается с поверхности вследствие образования и роста микротрещин. Хрупкость стекла зависит от состояния поверхности, толщины образца, степени отжига и химического состава. Из компонентов стекла в наибольшей степени уменьшает хрупкость B2O3, увеличение содержания в стекле SiO2, Al2O3, MgO уменьшает хрупкость на 5…20 %, влияние остальных оксидов на хрупкость стекла незначительно.

Прочность — свойство материалов, не разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия (нагрузки, температурные, магнитные, электрические поля, неравномерное протекание физико-химических процессов в разных частях тела и т. п.).

В зависимости от разрушающих усилий различают прочность на разрыв, сжатие, изгиб, удар. Стекло обладает сравнительно высокой прочностью на сжатие и низкой — на удар.

Прочность стекла зависит от состояния его поверхности, химического состава, степени отжига, однородности, размера испытываемых образцов, окружающей среды и температуры.

Предел прочности массивного стекла, МПа: при разрыве или изгибе в зависимости от состава и состояния поверхности -25, сжатии — 500…800, ударном изгибе — 15…20. В то же время теоретическая прочность стекол намного превышает эти значения. Основная причина такого расхождения — трещины, царапины, неоднородности, при этом решающее влияние оказывает состояние поверхности стекла.

Такие оксиды, как SiO2, Al2O3, B2O3, MgO, ВаО, TiO2, увеличивают прочность, щелочные оксиды, PbO — уменьшают.

Температурная зависимость прочности стекла имеет сложный характер вследствие физико-химического воздействия атмосферной влаги. Минимальная прочность стекла — в интервале 150…200°С. Увеличение прочности стекла при более высоких температурах вызвано уменьшением поверхностного поглощения влаги и уменьшением опасных перенапряжений у микротрещин.

К способам повышения прочности изделий относятся воздушная закалка, ионообменное упрочнение в расплавах солей, нанесение поверхностных покрытий.

СВОЙСТВА ТВЕРДОГО СТЕКЛА. Ч.2

Плотность.

Плотность — это отношение массы тела к его объему, которое определяется в кг/м3. На плотность стекол влияет их химический состав. Оксиды тяжелых металлов существенно повышают плотность. Так большое количество свинца входит в состав тяжелых стекол — флинтов, а в составе легких стекол находятся оксиды веществ с малым атомным весом — бора, лития, бериллия и пр. Плотность различных видов стекла можно проследить в следующей таблице:

Плотность стекла также зависит от температуры: при повышении температуры увеличивается удельный объем, а плотность уменьшается. Например, плотность упрочненного (отожженного) стекла выше, чем закаленного. Причина в том, что закаленное стекло имеет более рыхлое строение, так как в процессе закалки в стекле застывает высокотемпературная структура. При отжиге стекла структура получается более плотной.

Физические свойства: прочность.

Прочность понимается как свойство материалов без разрушений воспринимать различные нагрузки и воздействия. Для характеристики прочности применяют понятие предела прочности. В зависимости от усилий различают несколько основных видов прочности:

Все эти виды сильно отличаются друг от друга: у стекла довольно высокая прочность на сжатие и сравнительно низкая на удар. Предел прочности на сжатие обычного стекла составляет от 500 до 2000 МПа (оконного стекла примерно 1000 МПа). Его же предел прочности на растяжение значительно меньше, поэтому предел прочности стекла при изгибе определяют пределом прочности при растяжении. Этот показатель составляет 35 -100 МПа. В процессе закалки стекла его прочность можно повысить в 3-4 раза. Есть несколько способов увеличения прочности стекла:

То есть на прочность стекла не в последнюю очередь влияет состояние его поверхности: если имеются царапины, трещины, сколы и другие повреждения, то прочность снижается в 4-5 раз. Также необходимо учитывать химический состав, гомогенность, размер, степень отжига, температуру и состояние окружающей среды. При более высоких температурах прочность стекла увеличивается в связи с тем, что поверхность поглощает меньше влаги, и уменьшаются перенапряжения стекла у микротрещин.

Физические свойства: хрупкость.

Очень часто при некоторых нагрузках происходит небольшое превышение предела прочности материала, и он внезапно разрушается. Такое свойство называется хрупкостью. Хрупкость стекла обусловлена его прочностью на удар. Хрупкость сопряжена с ударной вязкостью. Ударная вязкость — способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения при воздействии ударной нагрузки. При ударных нагрузках возникает более высокая скорость выделения энергии, чем от усилий на сжатие, растяжение или изгиб. То есть ударная вязкость определяет способность материала к быстрому поглощению энергии. Хрупкость стекла зависит от различных факторов:

В основном разрушение стекла происходит с поверхности из-за возникновения и роста микротрещин. Наиболее хрупко гомогенное стекло с незначительным количеством посторонних включений.

Физические свойства: твердость.

Твердость — это способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала. На твердость стекла решающее влияние оказывает его химический состав. По шкале Мооса твердость стекла находится между показателями апатита и кварца и составляет 6-7 единиц. К самым твердым относятся кварцевые стекла и некоторые виды боросиликатного стекла, к наиболее мягким принадлежат силикатные стекла, содержащие большое количество свинца. При механической обработке повышенная твердость стекла вызывает значительные затруднения. Для улучшения условий и результатов обработки в состав стекла вводят оксиды щелочей и свинца. В целом твердость стекла характеризуется его микротвердостью, которая определяется с помощью специальных приборов при вдавливании под нагрузкой в стекло алмазной пирамиды. Чем выше твердость стекла, тем меньше размер отпечатка пирамиды в нем.

Для получения более подробной информации о свойствах современного стекла смотрите наше видео

Литература:

1. ОФС.1.2.1.2.0003.15 Тонкослойная хроматография // Государственная фармакопея, XIII изд.
2. Bangun H., Aulia F., Arianto A., Nainggolan M. Preparation of mucoadhesive gastroretentive drug delivery system of alginate beads containing turmeric extract and anti-gastric ulcer activity. Asian Journal of Pharmaceutical and Clinical Research. 2019; 12(1):316–320. DOI: 10.22159/ajpcr.2019.v12i1.29715.
3. https://www.glass-work.ru/auxpage_glass_properties.
4. https://www.stroitelstvo-new.ru/steklo/svojstva.shtml.
5. https://www.baurum.ru/_library/?cat=properties-glasses&id=3654.
6. https://www.stroitelstvo-new.ru/steklo/stekloduv/mechanical.shtml.
7. https://glassvita.ru/svojstva-tverdogo-stekla-2/.
8. М.П. Киселева, З.С. Шпрах, Л.М. Борисова и др. Доклиническое изучение противоопухолевой активности производного N-гликозида индолокарбазола ЛХС-1208. Сообщение I // Российский биотерапевтический журнал. 2015. № 2. С. 71-77.
9. Moustafine R. I., Bukhovets A. V., Sitenkov A. Y., Kemenova V. A., Rombaut P., Van den Mooter G. Eudragit® E PO as a complementary material for designing oral drug delivery systems with controlled release properties: comparative evaluation of new interpolyelectrolyte complexes with countercharged Eudragit® L 100 copolymers. Molecular Pharmaceutics. 2013; 10(7): 2630–2641. DOI: 10.1021/mp4000635.
10. Moustafine R. I., Bukhovets A. V., Sitenkov A. Y., Kemenova V. A., Rombaut P., Van den Mooter G. Eudragit® E PO as a complementary material for designing oral drug delivery systems with controlled release properties: comparative evaluation of new interpolyelectrolyte complexes with countercharged Eudragit® L 100 copolymers. Molecular Pharmaceutics. 2013; 10(7): 2630–2641. DOI: 10.1021/mp4000635.