По природе главного стеклообразующего оксида стекло может быть силикатное (стеклообразователь Si02), фосфатное ( Р 205 ) , боратное (В203), смешанное и др.
Для изготовления посуды и художественно-декоративных изделий применяются с и л и к а т н ы е с т е к л а , которые по особенностям состава подразделяются на два вида: бессвинцовые (обыкновенные) и свинцовые (хрустальные).
Основными видами обыкновенных стекол (в зависимости от названия главного стеклообразующего оксида) являются известково-натриевое, известково-калиевое, известково-натриево-калиевое.
Хрустальные стекла (в зависимости от содержания оксида свинца) вырабатывают трех видов: тяжелый хрусталь (свыше 30 % РЬО ), легкий хрусталь (до 25 % РЬО) и полухрусталь (до 13 % РЬО).
Ф о с ф а т н ы е и б о р а т н ы е с т е к л а используют главным образом в технических и специальных целях.
С м е ш а н н ы е с т е к л а , например боросиликатные, применяются для получения термически устойчивых изделий (кухонная посуда), в оптике и для других целей.
Одной из разновидностей специальных стекол является ситалл - новый класс материалов, полученный направленной кристаллизацией стекол специальных составов и обладающий рядом специфических свойств.
Все свойства стекла можно подразделить на две группы: физико-механические и химические.
Основными показателями ф и з и к о - м е х а н и ч е ск и х с в о й с т в стекол являются их плотность, прочность, хрупкость, твердость, теплопроводность, тепловое расширение, термическая стойкость, прозрачность.
Плотность зависит от состава, температуры и «теплового Прошлого» стекла. С повышением температуры плотность стекла уменьшается, а медленное его охлаждение увеличивает данный показатель. Самой высокой плотностью обладают хрустальные стекла - (3-6) • 10_ 3 кг/м3 , самой низкой - боросиликатные - 2,38 • 10~3 кг/м3 ; обыкновенные стекла занимают промежуточное положение — (2,4-2,5)-Ю-3 кг/м3 .
Прочность определяет назначение изделий, однако при различных типах деформации стекло ведет себя по-разному. Например, обладая высокой прочностью при сжатии и значительно меньшей при растяжении и изгибе, оно может обладать наиболее низкой ударопрочностью. Прочность на сжатие большинства посудных стекол находится на уровне чугуна и составляет 5-20 МПа. Прочность стекол при растяжении и изгибе в 15-20 раз меньше, чем при сжатии, что объясняется состоянием поверхности (наличие микротрещин, царапин, инородных включений и т. п.).
В настоящее время в отечественной и мировой практике широко используют методы упрочнения стекол с помощью травления (обработка плавиковой кислотой), огневой полировки, закаливания (нагревание по специальному графику до заданной температуры с последующим резким охлаждением), ионного обмена (выдерживание в растворе сернокислой соли щелочных металлов).
Хрупкость оценивается по ударной прочности, т. е. суммарной серии ударов до разрушения изделия, и зависит от формы, размеров, термической обработки образцов. Оксиды бора, алюминия, магния снижают хрупкость изделий из стекла.
Твердость определяет пригодность изделий к различным условиям обработки, а также их назначение. Высокой твердостью обладают кварцевые, боросиликатные и ситалловые стекла, пониженной — хрустальные.
Стекла, имеющие низкую теплопроводность, термически менее устойчивы. Сказанное относится прежде всего к толстостенным изделиям и изделиям из хрустального стекла. Наибольшей теплопроводностью обладают кварцевые, боросиликатные и ситалловые стекла.
Тепловое расширение определяет термическую стойкость стекол и особенности декорирования, назначение изделий. Оксиды кремния, алюминия, бора, титана уменьшают коэффициент термического расширения, а оксиды калия, натрия, лития, наоборот, повышают его, тем самым снижая термическую стойкость изделий.
В процессе эксплуатации стекло постоянно испытывает резкие перепады температур. Способность противостоять этим воздействиям характеризует показатель термической стойкости. Термостойкость обычных посудных стекол колеблется в пределах 20-150 °С, в то время как посуда из кварцевого стекла выдерживает перепады температур от 20 до 900 °С, из жаростойкого боросиликатного стекла - в пределах 20—600 °С, ситалловая — свыше 600 °С.
Прозрачность. Данное свойство стекла характеризуется способностью пропускать световые лучи видимой части спектра. Самые прозрачные оптические стекла пропускают более 91 % светового потока, у обыкновенных стекол этот показатель значительно ниже.
Х и м и ч е с к и е с в о й с т в а стекол характеризуются прежде всего их химической устойчивостью, т. е. способностью противостоять разрушающему действию химических реагентов (щелочей, кислот, влаги, солей и др.).
Химическая стойкость посудных стекол определяется 3-4-м классом из пяти принятых. К первому классу с наибольшей химической устойчивостью относят специальные стекла. В их состав для повышения данного показателя вводят редкоземельные элементы (лантан, цирконий, литий), на поверхность наносят кремнийорганические пленки и др.
Ознакомившись с основными показателями свойств, можно отметить следующие отличительные черты наиболее распространенных видов посудных стекол.
Обыкновенные стекла - наиболее легкие, хрупкие, достаточно твердые и термостойкие, имеют средние показатели оптических свойств (пропускание, поглощение, преломление и отражение света), высокую химическую стойкость.
Хрустальные стекла значительно плотнее, а следовательно, тяжелее, мягче обыкновенных, термически и химически менее устойчивы, однако по оптическим свойствам они значительно превосходят обыкновенные.
Боросиликатные стекла по плотности и массе занимают промежуточное положение: из-за зеленоватого оттенка по оптическим свойствам значительно уступают первым двум, однако превосходят их по твердости, термической и химической устойчивости.
Ситаллы по многим показателям свойств схожи с боро-силикатными стеклами, однако более термически, механически и химически устойчивы. По сравнению с обыкновенными стеклами они в 4-10 раз прочнее, способны выдерживать перепады температуры до 1000 °С. Ситаллы имеют бело-молочный цвет, поэтому прозрачность, лучепреломление и другие оптические свойства у них ниже.
Стеклянные изделия в соответствии с назначением подразделяют на три класса: бытовые, архитектурно-строительные и технические.
К бытовым стеклянным изделиям относят посуду, художественно-декоративные изделия для украшения интерьера, ламповые изделия, зеркала.
Классифицируют стекло по происхождению, химическому составу, основным свойствам и назначению.
Для изготовления бытовой посуды и декоративных изделий используют оксидные стекла, в которых основными стеклообразователями являются оксиды кремния, бора, алюминия и др.
Стекла, в которых основным стеклообразователем является оксид кремния - SiO2, называют силикатными, стекла, где основными стеклообразователями служат оксиды бора и кремния, - боросиликатными, а стекла с основными стеклообразователями в виде оксидов алюминия, бора и кремния - алюмоборосиликатными. Эти оксиды образуют основу структуры стекла и определяют его важнейшие свойства.
Помимо названных кислотных оксидов в состав стекла входят оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов. Из щелочных оксидов используют оксиды натрия - Nа2О, оксиды калия - К2О, оксиды лития - Li2О; из щелочно-земельных - оксиды кальция - СаО, оксиды магния - МgО, оксиды цинка - ZnО, оксиды бария - ВаО, оксиды свинца - РbО.
Каждый оксид приносит присущие ему свойства. Поэтому многие свойства стекла зависят от его химического состава.
Согласно ГОСТ 24315—80 стекло для бытовой посуды и декоративных изделий подразделяют на следующие виды: натрий – кальций - силикатное, специальное бытовое, хрустальное (содержит не менее 10% оксидов свинца, бария, цинка), малосвинцовый хрусталь (18-24% РbО), свинцовый хрусталь (24-30% РbО), высокосвинцовый хрусталь (30% и более РbО), бариевый хрусталь (не менее 18% ВаО). К специальному бытовому стеклу относят жаростойкое боросиликатное и алюмоборосиликатное стекло.
Для изготовления кухонной посуды применяют также ситаллы. Это непрозрачные белого цвета стеклокристаллические материалы высокой термостойкости. Их изготовляют путем направленной кристаллизации литий-алюмосиликатного стекла в процессе специальной термической обработки.
Оксиды кальция, магния, цинка увеличивают химическую устойчивость и термостойкость изделий. Оксиды бария, свинца и цинка повышают плотность, оптические свойства и поэтому применяются в производстве хрусталя. В производстве стекла широко используют горные щелочесодержащие породы, отходы горно-обогатительных комбинатов, цветной металлургии, доменные шлаки, в больших количествах — стекольный бой.
Вспомогательные материалы облегчают и ускоряют варку стекла, окрашивают и заглушают его. По назначению их подразделяют на осветлители, обесцвечиватели, глушители, красители, восстановители и окислители. Осветлители способствуют удалению из стекломассы газов, образующихся при разложении сырьевых материалов. Обесцвечиватели погашают или ослабляют нежелательные цветные оттенки. Глушители (фториды и фосфаты) уменьшают прозрачность и обусловливают белую окраску стекла.
Красители придают стеклу нужный цвет. В качестве красителей используют оксиды или сульфиды тяжелых металлов. Окрашивание может происходить также за счет выделения в стекле коллоидных частиц свободных металлов (меди, золота, сурьмы).
В синий цвет стекло окрашивают закисью кобальта, в голубой – окисью меди, в зеленый - окисью хрома или ванадия, в фиолетовый – перекисью марганца, а розовый - селеном, в сиреневый - окисью неодима, в желтый - окисью церия, сернистым кадмием и др. Особо выделяют красные стекла - рубины: селеновый, медный, золотой.