Міцне і безпечне скло

Міцне і безпечне скло

Ілля Леенсон,
кандидат хімічних наук,
хімічний факультет МГУ ім. М. В. Ломоносова
"Наука і життя" №3 2017

Фото Наталії Домріной

Скло – один з найпоширеніших матеріалів, які оточують людину. І в той же час ми його найчастіше не помічаємо – і коли дивимося у вікно, і коли розглядаємо вітрини магазинів, і коли виглядаємо в дзеркало. А все тому, що чисте скло прозоро.

Скло з'явилося багато тисяч років тому, і ніхто не знає, хто і як його винайшов. Римський письменник і вчений Пліній Старший, який жив в I столітті, розповідає, що якось фінікійські купці розвели вогонь під посудину, щоб в дорозі зварити їжу. Осередок вони влаштували, через брак каменів, зі шматків соди, яка на спеку розплавилася і утворила з піском і іншими складовими частинами грунту перше рукотворне скло. Ймовірно, ця розповідь – вигадка. Хоча б тому, що для розплавлення соди потрібна дуже висока температура, яку звичайний багаття не дає. Швидше за все, скло винайшли представники однієї з найдавніших професій – гончарі. При випалюванні глиняні судини, цеглу нерідко тріскалися. Тому їх намагалися попередньо обмазувати різними складами.Одна з сумішей виявилася вдалою: готовий виріб покрилося тонкою блискучою емаллю. Це і було перше скло – непрозоре і каламутне. Але для гончарних виробів це не було недоліком. Згодом із суміші соди, піску і вапняку (або крейди) стали варити скло, з якого робили прикраси, флакончики для пахощів. Вводячи в скло різні добавки, навчилися фарбувати його в різні кольори.

Найважче було отримати безбарвне прозоре віконне скло. Його не було навіть у королів та імператорів середньовічної Європи. Вікна будівель представляли собою вузькі щілини або невеликі отвори, які в негоду закривали віконницями або завішували шкірами, полотнами, або натягували бичачий міхур. Найбагатші люди могли дозволити собі вставити в вікна прозорі пластинки слюди. В Європі слюду добували в Карелії. Великі пластинки слюди траплялися рідко і тому коштували дуже дорого. Лише в XIV столітті в будинках найбагатших людей з'явилося віконне скло (в будівлях церков його стали використовувати раніше – приблизно в X столітті). Для вироблення хорошого скла насамперед потрібен був дуже чистий білий пісок, а він зустрічається нечасто.Звичайний пісок, що містить домішки заліза, забарвлює скло в зелений колір. Тому колись все шибки були зеленими. І чим більше в піску заліза, ніж пісок темніше, тим менш прозорим буде скло. Зараз з такого скла роблять пляшки.

Промисловість випускає безліч найрізноманітніших сортів скла: електровакуумне, світлотехнічне, оптичне, хіміко-лабораторне, термометрична, медичне, тарне, кришталеве … До їх складу можуть, крім обов'язкового оксиду кремнію, входити оксиди різних елементів – алюмінію, кальцію, магнію, барію, натрію , калію, заліза, бору, цинку і навіть миш'яку (наприклад, в молочному світлотехнічному склі).

Всі знають, що основний недолік багатьох стекол – їх крихкість. Величезна маса скляних виробів щодня перетворюється в скляний бій. Крім економічних збитків, розбите скло становить небезпеку, так як свіжий скол скла дуже гострий. Недарма тільки що надламану пластинку скла можна використовувати в якості ріжучого інструменту в мікротому – приладі, який робить найтонші зрізи біопрепаратів для біологічних досліджень.Але виявляється, скло можна зробити не тільки дуже міцним, але і не дає гострих осколків.

Ця історія почалася давно – в XVII столітті. Англійський принц Руперт (повний титул – пфальцграф Рейнський, герцог Баварський) мав всі шанси зробити блискучу військову кар'єру. Але, залишивши військову службу, він присвятив останні роки свого життя мистецтву і науці. Одне з його відкриттів – загартоване скло. Що ж це таке?

Всі знають, що буває, коли в графин або гранований стакан з товстого скла наливають окріп: скло лопається. Це відбувається тому, що скло – дуже поганий провідник тепла; воно прогрівається в сотні разів повільніше, ніж, наприклад, мідь. Тому коли внутрішня частина склянки вже гаряча, зовнішні його шари ще холодні. В результаті теплового розширення зовнішня частина виробу відчуває величезні навантаження, які воно часто не витримує. Щоб товстостінні скляні вироби не руйнувалися, їх слід нагрівати (і охолоджувати) повільно. Тим більше це відноситься до виготовлення різних скляних виробів: після формування з напіврідкої скляної маси їх охолоджують до кімнатної температури дуже повільно.Робиться це в спеціальних печах, в яких температура знижується протягом багатьох годин. Ця процедура називається відпалом, а отримане таким чином виріб – відпаленого.

У погано відпаленого склі залишаються внутрішні напруги, які ніяк не змінюють його зовнішній вигляд (їх видно тільки в поляризованому світлі), але сильно погіршують механічні властивості. Ці напруги часто концентруються на краях, потовщених частинах виробів. У листовому склі вони можуть слідувати один за іншим, утворюючи як би ланцюжок. Таке скло дуже важко відрізати по прямій лінії: нерівномірно розподілені напруги відводять тріщину в сторону від нанесеної алмазом подряпини.

Але відпалювати скло – тільки півсправи. Поверхня навіть добре відпаленого скла, як правило, ослаблена великою кількістю дрібних тріщинок, подряпин, які можуть бути не видно неозброєним оком. Особливо небезпечні мікротріщини на краях скляних виробів. Саме з них і починається руйнування. Під навантаженням на кінцях тріщин концентруються дуже великі напруги; тріщина збільшується і, в кінцевому рахунку, прорізає весь виріб – воно розколюється на частини.Якщо будь-яким способом "залікувати" поверхню скла, зробити її дуже рівною і гладкою, то таке скло стане набагато міцніше. Зробити це можна, наприклад, хімічним травленням поверхні. Якщо звичайне віконне скло опустити на кілька хвилин в суміш фтороводородной (плавиковою) і сірчаної кислот, то з його поверхні буде стравлен шар товщиною до 0,1 мм. Оксид кремнію зі складу скла при цьому переходить в розчинну фторосілікат:

SiO2 · xH2O + 6HF → SiF62− + (2 + x) H2O + 2H+.

Щоб оброблене таким чином скло знов не покрилося тріщинами і подряпинками через попадання на нього пилу, а також для захисту від атмосферної вологи (вона теж знижує міцність скла), його поверхню після сушки покривають захисною плівкою з кремнійорганічних сполук. Частково "залікувати" тріщинки в тільки що купленому склянці можна і в домашніх умовах. Для цього його треба обережно нагріти в воді до її кипіння і продовжувати кип'ятіння ще хвилин десять. Такий стакан буде жити довше.

У промисловості для зміцнення скла його загартовують. Загартування здійснюють шляхом різкого охолодження гарячого скла. Подивимося, що буде, якщо розплавлене скло вилити в холодну воду. Якщо лити його потроху, окремими краплями, то вони не розтріскуються і після охолодження залишаються цілими.Якщо скло нагрівається до дуже високої температури (коли воно зовсім рідке), то при падінні в воду крапельки скла з досить великої висоти вона перетворюється майже в ідеальний кулька. Якщо ж кінчик скляної палички розплавити на звичайній пальнику, якою користуються склодуви, то утворюється досить в'язка крапля, яка ніби знехотя відривається від палички і при цьому тягне за собою скляну нитку. При попаданні в холодну воду така крапля приймає форму сльозинки з довгим хвостиком. При входженні в воду швидкість падіння краплі різко сповільнюється, тоді як її напіврідкий хвіст продовжує рухатися з колишньою швидкістю. В результаті хвостик у застиглої краплі виходить у вигляді змійки. Саме такі краплі отримав вперше принц Руперт, тому вони названі його ім'ям (інша назва – Батавской слізки).

Те, що слізки залишаються цілими, – далеко не найдивніше їх властивість. Вони виключно міцні: витримують сильні удари молотком по товстої грушоподібної частини. Але є у слізки ахіллесова п'ята: чи варто надломити її тонкий хвостик ближче до основи, як вся крапля з тріском розсипається на дрібні шматочки.Якщо проводити цей експеримент в темряві, то іноді видно світіння. Розсип слёзок може відбуватися з такою силою, що, якщо проводити досвід в склянці з водою, він розбивається, як при вибуху!

Щоб пояснити незвичайні властивості слёзок, розглянемо більш докладно процес їх утворення. При охолодженні краплі виникають сили, які тягнуть зовнішній шар всередину, створюючи в ньому напруги стиснення, а внутрішнє ядро ​​- назовні, створюючи в ньому напруги розтягнення. Відпал (тривалий нагрівання при 100 ° C) призводить до зняття напружень, так як при підвищених температурах частки скла набувають рухливість і переходять на свої "зручні" місця.

Описані властивості "рупертових сліз" притаманні в більшій чи меншій мірі всім скляних виробів, які не пройшли отжиг. Таке скло називається загартованим. Болонські склодуви, наприклад, виготовляли круглі судини з товстим дном, які швидко охолоджували на повітрі. Ці судини (їх називали болонськими склянками) витримували сильні удари без руйнування. Але вже незначні пошкодження внутрішньої їх частини, наприклад подряпини, приводили до розриву судини на частини.

Висока міцність загартованого скла широко використовується на практиці. Якщо напруги створюються в склі направлено і рівномірно, то вони в значній мірі зміцнюють його. Щоб зрозуміти, чому це можливо, розглянемо лист швидко охолодженого по обидва боки скла.

Розподіл напружень у склі при згинального навантаження: а – напруга в листі загартованого скла без навантаження;б – напруга в відпаленого склі; в – напруга в загартованому склі під навантаженням

Як і в випадку кульки, зовнішні шари такого скла будуть відчувати сильне стиснення, яке в міру просування всередину листа спочатку зменшується, а потім переходить в напруження розтягу – воно максимально в центрі, як це показано на малюнку. Розподіл напружень в нижній половині листа дзеркально повторює картину в верхній частині.

Розглянемо тепер, як буде вести себе під навантаженням звичайне скло. Покладемо лист скла на дві опори і натиснемо зверху. Верхня вигнута частина скла буде відчувати стиснення, а нижня частина – розтягнення. Очевидно, що максимальні навантаження припадають на самі зовнішні шари – а вони як раз і найслабші – з причин, про які йшлося вище.При цьому скло почне руйнуватися знизу, так як стиснення воно витримує в десять разів краще, ніж розтягнення, як, втім, і інші матеріали.

Проробимо ту ж операцію з загартованим склом. Тут додається механічне навантаження призведе до напруг, які будуть накладатися на вже наявні в склі. Здавалося б, це повинно тільки погіршити справу. Дійсно, у верхній частині скла сумарне напруга стиснення ще більш зросте. Але далі складання напруг приведе до того, що найбільш небезпечні напруги розтягнення будуть максимальними десь всередині листа, тоді як поблизу нижньої поверхні напруги можуть виявитися дуже малими. Отже, під впливом згинального зусилля загартоване скло відчуває в порівнянні з відпаленого склом більше стиснення у верхньому шарі і менше розтягнення в нижньому шарі. В результаті на лист загартованого скла, що лежить на двох опорах, можуть встати кілька людей – лист прогнеться в 4-5 разів сильніше, ніж звичайне скло, але не зламається! Загартоване скло значно перевершує звичайне і по термічних навантажень – воно витримує перепади температур до 270 ° C,тоді як звичайне розтріскується вже при швидкій зміні температури на 70 ° C.

Досліди з отримання промислового загартованого скла почали проводити в останній чверті XIX століття. Винахідником особливого "твердого скла" вважається італієць де ла Басті. Скляні вироби, нагріті до червоного розжарювання, але не втратили своєї форми, він занурював у ванну з сумішшю розплавленого жиру і рослинного масла, змішаних в певній пропорції. Таку суміш можна було нагріти до потрібної температури (зазвичай від 150 до 300 ° C) і таким чином регулювати швидкість охолодження в залежності від складу скла, форми виробу і його розмірів. Випробовувалися і інші способи загартування – в розплавленому парафіні при 200 ° C, перегрітою водяною парою, охолодження листового скла здавленням між холодними металевими (або металевої та глиняної) пластинами. Такі досліди, зокрема, проводив німець Ф. О. Шотт, який в 1886 році заснував знаменитий скляний завод (шоттовское скло і понині відоме у всьому світі, з нього роблять і лабораторний посуд високої якості). Відрізнити загартоване скло від простого можна по його оптичними властивостями: загартоване скло має подвійне променезаломлення і в поляризованому світлі здаватиметься забарвленим.

В даний час загартоване скло виробляють у великій кількості. Для гарту листового скла його нагрівають до 600-650 ° C і потім швидко охолоджують шляхом рівномірного обдування повітрям на спеціальній обдувочной решітці. Таке скло за своїми термічним і механічним властивостям значно перевершує звичайне. Наприклад, листове відпаленого скло товщиною 5-6 мм витримує без руйнування удар сталевої кулі масою 800 г при його падінні з висоти не більше 15 см. Якщо ж це скло загартувати, то воно вже зможе витримати без руйнування удар аналогічного кулі при його падінні з висоти 120 см! Міцність на вигин у загартованого скла теж в 4-5 разів вище, ніж у звичайного. Таке "небитке" скло застосовують для засклення вагонів, автомобілів, літаків і т. Д. Головна його особливість у тому, що при аварії воно не дає великих шматків з дуже гострими краями, які виключно небезпечні, а розсипається на невеликі (приблизно 3-5 мм) шматочки округлої форми без гострих країв. Для ще більшої безпеки передні стекла автомобілів роблять з так званого триплекса: комбінації з двох листів звичайного або загартованого скла, склеєних прозорим і пружним шаром синтетичного полімеру. При ударі осколки такого скла залишаються на місці, так як утримуються полімером.

Фрагмент з книги: Леенсон І. А. Хімія в технологіях індустріального суспільства. – Долгопрудний: ВД "Інтелект", 2011 року.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

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