Современные технологии переработки стеклобоя

Стекло может быть получено путём охлаждения расплавов без  кристаллизации. Практически любое  вещество из расплавленного состояния  может быть переведено в стеклообразное состояние. Некоторые расплавы (как  то — отдельных стеклообразующих веществ) не требуют для этого быстрого охлаждения. Однако некоторые вещества (такие как металлосодержащие расплавы) требуют очень быстрого охлаждения, чтобы избежать кристаллизации. Так, для получения металлических стёкол необходимы скорости охлаждения 105—106 К/с. Стекло может быть получено также путём аморфизации кристаллических веществ, например бомбардировкой пучком ионов, или при осаждении паров на охлаждаемые подложки.

Тогда как значение свойства жидкости (и стабильной, и метастабильной) обусловлено лишь её составом, температурой и давлением, значение свойства неравновесной  жидкости или стеклообразного вещества зависит ещё и от структурного состояния. В данном случае заманчиво описывать структуру произвольной жидкости единым параметром. Вследствие того весьма широкое применение у специалистов в области стекла получил предложенный А. Тулом  способ описания структурного состояния стеклообразного вещества посредством характеристики так называемой структурной температуры Tf (fictive temperature), то есть такой, при которой исследуемое стекло с заданной структурой находится в равновесном состоянии[5]. Впоследствии выявилась практическая невозможность описания стеклообразного состояния одной величиной структурной температуры и необходимость применения целого спектра таких температур  . В настоящее время наряду с релаксационной трактовкой стеклование аморфных веществ объясняется формированием при охлаждении достаточного количества межатомных связей, придающего веществу твердотельные свойства, причем выявлено не только изменение Хаусдорфовой размерности системы связей от фрактальной к трехмерной , но также формирование фрактальных структур при стекловании [2].

Вязкость аморфных веществ — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества. Обычно расплавы стеклообразующих веществ имеют высокую вязкость по сравнению с расплавами нестеклообразующих веществ.

Стёкла, в частности благодаря  полимерному строению обладают способностью к гетерогенности. Полимерность стёкол в стеклообразном состоянии придаёт им индивидуальные качества, определяющие, в зависимости от характера этих структурных образований, степень прозрачности и других свойств стёкол. Присутствие в составе стекла соединений того или иного химического элемента, оксида металла, может влиять его окраску, степень электропроводности, и другие физические и химические свойства.[5]

2.1. Строение и свойства стекла

Свойства стекла определяются прежде всего, составом входящих в него оксидов. Главными стеклообразующими оксидами являются оксиды кремния, фосфора и бора, в соответствии с чем стекла называют силикатными, фосфатными или боратными.[5]. Подавляющее большинство промышленных стекол является силикатными. Фосфатные стекольные расплавы применяют в основном для производства оптических, электровакуумных стекол, боратные – для специальных видов стекол (рентгенопрозрачных, реакторных и др.). Смешанные боросиликатные стекла применяют для изготовления оптических и термически устойчивых стеклоизделий.

Химический состав стекол в значительной степени влияет на их свойства. Строительное стекло содержит 71,5 – 72,5 % SiO2, 1,5 – 2 % Al2O3, 13 – 15 % Na2O, 6,5 – 9 % CaO, 3,8 – 4,3 % MgO и незначительное количество других оксидов (Fe2O3, K2O, SO3). Увеличение содержания оксидов Al2O3, CaO, ZnO, B2O3, BaO повышает прочность, твердость, модуль упругости стекла и снижает его хрупкость. Повышенное содержание SiO2,Al2O3, B2O3, Fe2O3 увеличивает теплопроводность. Оксиды щелочных металлов, а так же CaO, BaO повышают температурный коэффициент линейного расширения, а SiO2, Al2O3, ZnO, B2O3, ZrO2 уменьшают его. Введение в состав стекла оксида свинца взамен части SiO2 и Na2O вместо K2O приводит к повышению блеска и световой игры, что позволяет получать хрустальные изделия. Добавки фторидов и пятиокиси фосфора уменьшают светопрозрачность стекол, позволяют получать «глушенные», непрозрачные стеклоизделия[6]. Таким образом, варьирование химического состава стекол позволяет изменить их свойства в нужном направлении в соответствии с областью их использования.

Стекло как строительный материал обладает целым рядом ценных качеств, не свойственных другим материалам, и прежде всего, светопрозрачностью при высокой плотности и прочности, в связи с чем оно является незаменимым материалом для светопроемов[4].

Плотность обычного строительного  стекла составляет 2,5 т/м3. С увеличением  содержания оксидов металлов с низкой молекулярной массой (B2O3, LiO2) плотность  стекла понижается до 2,2 т/м3, с увеличением  содержания оксидов тяжелых металлов (свинца, висмута и др.) плотность  повышается до 6 т/м3 и более.

Прочность при сжатии стекла достигает 700 – 1000 МПа, прочность при  растяжении значительно ниже – 30 – 80 МПа. Прочностные показатели изделий  из стекла зависят не только от состава, но и от целого ряда других факторов: способа получения, режима тепловой обработки, состояния поверхности, размеров изделия. Низкая прочность  стекла при растяжении и изгибе обусловлена  наличием на его поверхности микротрещин, микронеоднородностей и других дефектов. Теоретическая прочность стекла при растяжении, рассчитанная различными способами, достигает 10000 МПа.[7].

Для повышения прочности  стекол применяют различные технологические  приемы: повышение температуры отжига, закалку, травление и комбинированные  методы, покрытие поверхности различными пленками, микрокристаллизация, армирование, триплексование и др. При травлении стекла плавиковой кислотой происходит растворение поверхностного слоя и удаление наиболее опасных дефектов, в результате чего прочность стекла повышается в 3 – 4 раза и более. Закаливание отожженных стекол увеличивает прочность в 4 – 5 раз. Комбинированные способы закалки и травления позволяют значительно повысить прочность стекла (до 800 – 900 МПа). Упрочнение стекла после травления путем нанесения силиконовой пленки приводит к повышению прочности стекла в 5 – 10 раз.

Термохимический способ упрочнения стекол заключается в закалке  с последующей обработкой кремнийорганической  жидкостью, что позволяет получить закаленное стекло с защитной кремнекислородной  пленкой и прочностью при изгибе до 550 – 570 МПа.

На прочность стекла при  растяжении и изгибе в значительной мере влияет размер изделия. Так, прочность  на растяжение стеклянного волокна  диаметром 10-3 мм достигает 200 – 500 МПа, что значительно выше показателей  для массивного стекла. Воздействие  длительных нагрузок снижает прочность  стекла примерно в 3 раза, после чего значение этого показателя стабилизируется. Наступает так называемое явление  усталости стекла, которое обусловлено  влиянием окружающей среды, и прежде всего воды. Прочность стекла изменяется с изменением температуры. Стекло имеет  минимальную прочность при +2000С, максимальную при – 2000С и +5000С. Увеличение прочности при понижении температуры  объясняют уменьшением действия поверхностно-активных веществ (влаги), а при высоких температурах (до 5000С) возможностью появления пластических деформаций.

Модуль упругости стекол лежит в пределах 45000 – 98000 МПа. Отношение  модуля упругости к прочности  при растяжении (Е/Rp) – так называемый показатель хрупкости стекла – достигает 1300 – 1500 (у стали он составляет 400 – 450, у резины – 0,4 – 0,6). Чем больше показатель хрупкости материала, тем при меньшей деформации напряжение в материале достигает предела прочности[8].

Стекла являются типично  хрупкими материалами. Они практически  не испытывают пластической деформации и разрушаются, как только напряжение достигает предела упругой деформации. Хрупкость стекла – величина обратная ударной прочности. Ударная прочность  при изгибе обычного стекла составляет 0,2 МПа, закаленного – 1 – 1,5 МПа. Хрупкость  можно снизить увеличением содержания в стекле оксидов B2O3, Al2O3, MgO, а так же закалкой стекол, травлением кислотой и другими способами его упрочнения. Твердость обычных силикатных стекол составляет 5 – 7 по шкале Мооса. Кварцевое стекло и борсодержащие малощелочные стекла имеют большую твердость.[7].

Теплоемкость промышленных стекол колеблется в пределах 0,3 – 1,1 кДж/(кг*0С), увеличиваясь с повышением температуры и содержания оксидов легких металлов.

Температурный коэффициент  линейного расширения обычных строительных стекол сравнительно невысок, он лежит  в пределах (9 – 15)*10-6 0С-1, увеличиваясь с повышением содержания в стекле щелочных металлов. Наименьший температурный коэффициент линейного расширения у кварцевого стекла: 5*10-7 0С-1.

Термостойкость стекол определяется совокупностью термических свойств (теплоемкостью, теплопроводностью, температурным  коэффициентом линейного расширения), а так же размерами и формой изделия. Кварцевые и боросиликатные стекла имеют наибольшую термостойкость. Тонкостенные изделия более термостойки, чем толстостенные.

Электрические свойства стекла оцениваются объемной и поверхностной  электропроводностью. Электропроводность определяет возможность применения стекол в качестве изоляторов и учитывается  при расчете режимов работы стекловарных электропечей. При нормальной температуре  объемная электрическая проводимость стекол мала. С возрастанием температуры  она повышается. Увеличение содержания в составе щелочных оксидов, особенно оксида лития, повышает электропроводность стекол[2]. Закалка стекол приводит к увеличению их электропроводности, кристаллизация – к ее уменьшению.

Стекло обладает просто уникальными  оптическими свойствами: светопропусканием (прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием. Светопропускание стекла достигает 92%. Оно находится в  прямой зависимости от его отражающей и поглощающей способности. Показатель преломления для обычных строительных стекол составляет 1,46 – 1,51. Он определяет светопропускание стекол при разных углах падения света. При изменении  угла падения света с 00 (перпендикулярно  плоскости стекла) до 750 светопропускание уменьшается с 92 до 50%. Коэффициент  отражения может быть снижен или  увеличен путем нанесения на поверхность  стекла специальных прозрачных пленок определенной толщины и с меньшим  или большим показателем преломления, избирательно отражающих лучи с определенной длиной волны.

Поглощающая способность  стекла в значительной степени зависит  от его химического состава, увеличиваясь с повышением содержания оксидов  тяжелых металлов, и от толщины  изделий. Многие специальные виды стекол (например, солнцезащитные) отличаются значительным светопоглощением – до 40%.

Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть  спектра и незначительную часть  ультрафиолетовых и инфракрасных лучей.

Поглощение ультрафиолетовой области спектра достигается  увеличением содержания в стекле оксидов титана, свинца, хрома, сурьмы, трехвалентного железа и сульфидов  тяжелых металлов. Поглощение инфракрасной области спектра достигается  при окраске стекла Fe2+ и Cr2+. Кварцевые  стекла хорошо пропускают коротковолновую  инфракрасную и ультрафиолетовую области спектра, а сернистомышьяковые стекла – длинноволновые инфракрасные излучения. Для пропускания ультрафиолетовых лучей содержание оксидов железа, титана, хрома в стекольной шихте должно быть минимальным. Стекла, пропускающие рентгеновские лучи, содержат оксиды легких металлов – L2O, BeO, B2O3. Таким образом, изменяя химический состав стекол и применяя различные технологические приемы, можно получить специальные виды стекол с солнце- и теплозащитными свойствами, предопределяющими теплотехнические и светотехнические показатели светопрозрачных ограждений.

Химическая устойчивость стекол характеризует их сопротивляемость разрушающему действию водных растворов, атмосферных воздействий и других агрессивных сред. Силикатные стекла отличаются высокой стойкостью к  большинству химических реагентов, за исключением плавиковой и фосфорной  кислот[2]. Химическая устойчивость силикатных стекол объясняется образованием при воздействии воды, кислот и солей защитного нерастворимого поверхностного слоя из гелеобразной кремнекислоты – продукта разложения силикатов.

2.2. Виды стекол

В зависимости от основного  используемого стеклообразующего  вещества, стекла бывают оксидными (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные), фторидными, сульфидными и т. д.[10].

СТЕКЛО  ОПТИЧЕСКОЕ — прозрачное стекло любого химического состава, обладающее высокой стептнью однородности. Содержат 46,4% РЬО, 47,0% Si0 и другие оксиды; кроны — 72% SiO  щелочные и другие оксиды.

Оптическое стекло применяется  для изготовления линз, призм, кювет  и др. Стекло для оптических приборов изготовлялось уже в 18 веке, однако возникновения собственно производства оптического стекла относится к началу 19 века, когда швейцарским учёным П. Гинаном был изобретён способ механического размешивания стекломассы во время варки и охлаждения — круговым движением глиняного стержня, вертикально погруженного в стекло. Этот приём, сохранившийся до настоящего времени, позволил получить стекло высокой степени однородности. Производство оптического стекла получило дальнейшее развитие благодаря совместным работам немецких учёных Э. Аббе и Ф. О. Шотта, в результате которых в 1886 возник известный стекольный завод товарищества Шотт в Иене (Германия), впервые выпустивший огромное многообразие современных оптическиъх стекол. До 1914 производство оптического стекла существовало только в Англии, Франции и Германии. В России начало производства оптического стекла относится к 1916. Оно достигло большого развития только после Великой Октябрьской социалистической революции благодаря работам советских учёных Д. С. Рождественского, И. В. Гребенщикова, Г. Ю. Жуковского, Н. Н. Качалова и др.[5].