Ювелирное обозрение

Теплоемкость. Удельная теплоемкость характеризуется количеством теплоты, необходимым для нагревания 1 г вещества на 1° С. Измеряется она в кал/г·град, ккал/кг·град (Дж/кг·К).

Стекла имеют удельную теплоёмкость от 0,08 до 0,25 кал/г·град в зависимости от химического состава. Окислы тяжелых элементов РbО, ВаО, как правило, понижают теплоемкость стекол, а окислы легких элементов типа Li₂0 повышают ее.

С повышением температуры теплоемкость стекла увеличивается, причем до температуры начала размягчения она увеличивается незначительно, а при пластичном состоянии начинает возрастать быстрее. Увеличение теплоемкости стекла с повышением температуры происходит и в расплавленно-жидком состоянии.

Теплопроводность. Теплопроводность веществ измеряется количеством тепла, переносимым через единицу площади поперечного сечения образца в единицу времени при разности температур, равной единице: , где Q — переносимое количество тепла, кал; λ,— коэффициент теплопроводности, кал/см·с·град или ккал/м·ч·град (вт/м·град); S — площадь, через которую происходит теплопередача, см 2 ; а — толщина образца, см; t — разность температур, °С; τ — время, с.

Стекло плохо проводит тепло. Коэффициент теплопроводности стекол 0,0017—0,032 кал/см·с·град, в частности для оконных стекол он равен 0,0023. Наибольший коэффициент теплопроводности имеет кварцевое стекло, поэтому при замене SiO₂ любыми другими окислами теплопроводность стекла понижается.

С повышением температуры теплопроводность стекол увеличивается. Так, при нагревании стекла до его температуры начала размягчения величина ее повышается примерно в два раза.

Температура начала размягчения. Температура начала размягчения стекла характеризует температуру, при которой стекло (стеклоизделие) начинает деформироваться. Она играет существенную роль при производстве стекла. Например, температуру отжига стекла принимают обычно на 20—30° С ниже температуры начала его размягчения, с тем чтобы изделие не деформировалось при тепловой обработке.

Температура начала размягчения стекла в основном определяется его химическим составом. Тугоплавкие окислы (размягчающиеся при высоких температурах), такие, как SiO₂, Al₂O₃, повышают температуру начала размягчения стекла, легкоплавкие окислы типа Na₂O, K₂O, Li₂0 понижают ее.

Наивысшей температурой начала размягчения обладает кварцевое стекло (1200—1500° С). Большинство обычных строительных стекол, в том числе и оконное, начинает размягчаться при 550— 700° С.

Тепловое (термическое) расширение. Твердые тела при нагревании увеличиваются в объеме. Увеличение линейных размеров тела при нагревании и есть тепловое линейное расширение. Для количественной характеристики линейного теплового расширения твердых тел служит коэффициент линейного теплового расширения а. Под коэффициентом линейного расширения понимают увеличение длины образца при нагревании его на 1° С, отнесенное к длине образца до нагревания, т. е.

α = (lt- lо)/ lо 10 -7 ,
где α — коэффициент линейного расширения, 1/град; lо— длина образца при температуре 0° С, см; lt — длина образца, нагретого до температуры t, ° С, см.

Иногда пользуются значениями коэффициента объемного расширения стекла, равным 3α.

Коэффициент линейного теплового расширения стекол колеблется от 5·10 -7 до 200·10 -7 . Самый низкий коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло — а = 5,8·10 -7 (соответственно коэффициент объемного расширения 3 α =17,4·10 -7 ). Оконное стекло имеет коэффициент линейного расширения 88·10 -7 (у металлов, как правило, 100·10 -7 ).

Величина а стекла в значительной степени зависит от его химического состава. Наиболее сильно на термическое расширение стекол влияют щелочные окислы: чем больше содержание их в стекле, тем больше а. Тугоплавкие окислы типа SiO₂, Al₂O₃, MgO, а также B₂O₃, как правило, понижают α.

Коэффициент термического расширения важно знать при спаивании (спекании или сваривании) разных стекол, при производстве сортовых или листовых накладных стекол. Коэффициенты теплового расширения совмещаемых стекол должны быть близкими по величине, в противном случае такое изделие разрушится по шву от возникших напряжений.

Термическая устойчивость. Термической устойчивостью (термостойкостью) называют способность стекла выдерживать, не разрушаясь, резкие изменения температуры. Термическая устойчивость играет существенную роль для стекол, которые используются в условиях резкой смены температуры.

Наибольшей термостойкостью обладает кварцевое стекло, оно выдерживает резкий перепад температур до 1000° С. Термостойкость оконных стекол составляет 80—90° С.

Термостойкость стекла зависит от упругости, прочности на растяжение, теплопроводности, теплоемкости и главным образом от коэффициента термического расширения: чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем ниже его термостойкость, и, наоборот, чем меньше коэффициент термического расширения, тем больше термостойкость.

Когда стекло охлаждается, его наружные слои стремятся уменьшиться в объеме. Этому препятствуют внутренние слои, остывающие медленно из-за малой теплопроводности стекла. Образующиеся напряжения между наружными и внутренними слоями приводят к разрушению стекла. Те же процессы протекают и при резком нагревании стекла. Разница заключается в том, что при охлаждении в стекле образуются напряжения растяжения, а при нагревании — напряжения сжатия. Следовательно, чем выше коэффициент термического расширения стекла, тем больше величина образующихся в стекле напряжений и тем меньше его термостойкость. Из этого также вытекает, что стекло лучше переносит резкое нагревание, чем охлаждение, так как при нагревании в нем образуются напряжения сжатия, а при охлаждении — растяжения. А стекло работает на сжатие в 15—20 раз лучше, чем на растяжение.

Химический состав стекла во многом определяет его термостойкость: окислы, повышающие коэффициент термического расширения стекла, понижают его термостойкость, и наоборот.

Строительное стекло как строительный материал отличается долговечностью, высокой стойкостью к воздействию влаги, солнечной радиации, перепаду температур, морозостойкостью, негорючестью и жесткостью.

Для изготовления строительного стекла основным сырьем служат: кварцевый песок, известняк, сода или сульфат натрия. Варка строительного силикатного стекла происходит в стекловаренных печах при температуре до 1500 °С.

Плотность обычного стекла – 2500 кг/куб. м. Основными оптическими показателями стекла являются: светопропускание (прозрачность), светопреломление, отражение, светорассеивание. Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Светопропускание снижается с увеличением толщины листа и с изменением угла падения света (так, при угле падения 75° светопропускание снижается до 50% против 92% при угле падения 0° – перпендикулярно плоскости стекла). Показатель преломления строительного стекла 1,46-1,53.

Стекло плохо сопротивляется удару, оно хрупкое: прочность при ударном изгибе составляет около 0,2 МПа. Стекло обладает высокой прочностью на сжатие – 700-1000 МПа и малой прочностью на растяжение – 35-85 МПа. Теплопроводность обычного стекла при температуре до 100°С составляет 0,4-0,82 Вт/(м°С).

Механическая обработка стекла: пиление – циркулярными пилами с алмазной набивкой, обтачивание – победитовыми резцами, резка – алмазом, шлифование, полирование. В пластичном состоянии при температуре 800-1000°С стекло поддается формованию. Его можно выдувать, вытягивать в листы, трубки, волокна, можно сваривать.

Виды строительного стекла

Оконное стекло – один из основных видов продукции стекольной промышленности, наиболее распространенный в строительстве вид листового прозрачного стекла. Представляет собой бесцветные прозрачные плоские листы, толщина которых по отношению к длине и ширине сравнительно невелика. Листовое оконное стекло выпускается толщиной 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм. Максимальный размер листов – 1660 х 2200 мм. Для производства оконного стекла используют стекло натриево-кальциево-силикатного состава. Получают оконное стекло методом вертикального вытягивания и термического формования на расплаве металла. Применяют для остекления световых проемов и дверей, фонарей верхнего света, теплиц, оранжерей и других прозрачных ограждающих конструкций. Отборное тянутое и полированное стекло используют для производства закаленного стекла, триплекса, зеркал и стеклопакетов.

Для изготовления зеркал используется полированное стекло марки М1. Качественные зеркала имеют титановое покрытие, которое позволяет получить эффект более четкого, несколько затемненного изображения. А использование окислов титана позволяет добиться различных оттенков зеркальной поверхности. Перед нанесением титанового слоя проводят обезжиривание поверхности стекла спиртом, что дает гарантию прочности покрытия.

Витринное стекло – крупногабаритные листы повышенной толщины бесцветного прозрачного полированного и неполированного стекла. Витринное стекло выпускается толщиной 5-12 мм. Размеры его достигают 3,3 х 4,5 м. Получают витринное стекло так же, как и оконное. Витринное стекло отличается высоким качеством поверхности. Применяется для остекления витрин, больших световых проемов, устройства перегородок, изготовления зеркал, стеклопакетов.

В наше время нелишне позаботиться о безопасности – своей и своих близких. Сертифицированное безопасное многослойное стекло защитит вас, ваш дом и офис от хулиганов и взломщиков, от удара монтировкой и огнестрельного оружия. Специальное огнестойкое стекло задержит распространение пламени при сохранении теплоизоляции на срок до 60 минут. Производителями окон предлагаются аргононаполненные стеклопакеты с прозрачным, зеркальным и теплоотражающим (низкоэмиссионным) стеклом в сочетании с триплексом, сталинитом и защитным стеклом.

Стекла, обладающие повышенной прочностью

В строительстве применяют также стекла, обладающие повышенной прочностью. К ним относятся закаленное и армированное.

При получении стекла с заранее заданными специальными свойствами в процессе производства в него добавляют различные окислы металлов или наносят на стекло покрытия в виде тонкой пленки металла, окисла, полимера или краски. Добавки и покрытия придают стеклу способность отражать свет или поглощать тепло, могут повысить теплопроводность или придать ему декоративные свойства.

Закаленное стекло (сталинит) – упрочненное стекло с безопасным характером разрушения и повышенной термостойкостью – получают путем нагрева стекла до температуры закалки (540-650°С) и последующего быстрого равномерного охлаждения. Этим добиваются однородного распределения внутренних напряжений в стекле.

Прочность при ударе и предел прочности при изгибе закаленного стекла в 3-4, иногда в 10-15 раз больше, чем обычного. Разрушается оно в виде мелких осколков с тупыми нережущими краями. Термостойкость – до 175°С. Применяется в строительстве (двери, перегородки, ограждения) и для остекления городского транспорта.

Армированное стекло – это листовое стекло, внутри которого параллельно поверхности помещена металлическая сетка из крученой или сварной отожженной, хромированной или никелированной стальной проволоки диаметром 4,5-6 мм с шестиугольными или квадратными ячейками. Будучи запрессованной в стекло, металлическая сетка служит каркасом, удерживающим мелкие осколки стекла при его повреждении, что делает армированное стекло безопасным в применении. Армированное стекло выпускают плоским либо волнистым толщиной 5,5-6 мм максимального формата 1500х2000 мм. Его применяют в устройстве фонарей верхнего света, перегородок с повышенными требованиями к безопасности и огнестойкости остекления, ограждений лестничных маршей, балконов. Волнистое армированное стекло используют в кровельных конструкциях.

Теплопоглощающее (теплозащитное) стекло по своему составу отличается от обычных стекол содержанием окислов железа, кобальта и никеля, благодаря чему приобретает слабый сине-зеленый оттенок. Теплопоглощающее стекло задерживает 70-75% инфракрасных лучей, то есть в 2-3 раза больше, чем обычное оконное стекло, оставаясь при этом прозрачным для видимого света. Интенсивное поглощение лучистой энергии приводит к сильному нагреванию и значительным температурным деформациям стекла. Поэтому при остеклении следует предусматривать достаточный зазор между рамой и стеклом. Применяется для остекления промышленных и гражданских зданий, сельхозтехники (тракторы, комбайны) и других объектов с целью уменьшения их нагрева от солнечного света или теплового излучения. При двойном остеклении такое стекло помещают с внешней стороны, чтобы оно охлаждалось наружным воздухом, а обычное стекло – изнутри.

Отражающее (теплозащитное) стекло используют для уменьшения нагрева солнечными лучами и регулирования освещенности. Эти свойства достигаются благодаря покрытию, наносимому на стекло в вакуумной камере и образующему с ним единое целое. Стекло выпускают двух типов: "под золото" и "под серебро". Стекло, покрытое хромом, имеет снаружи серебристый оттенок, причем в дневное время оно изнутри прозрачно. В сочетании с обычным стеклом может использоваться для стеклопакетов. В случае применения теплозащитного стекла в стеклопакетах его помещают снаружи, чтобы оно отражало солнечную радиацию, а простое стекло – внутри.

Электропроводящие прозрачные покрытия наносят на стекло в основном с целью его обогрева и предотвращения запотевания. Электропроводящая пленка (толщиной 0,5 мкм) может быть получена напылением солей металлического серебра и нагревом стекла до температуры 500-700°С. После покрытия пленки тонким слоем люминофора стекло можно использовать в качестве светящегося элемента (с голубым, зеленым, желтым свечением). Кроме того, в качестве источника тепла используют стеклопакеты с внутренним слоем из электропроводящего стекла.

Увеолевое стекло – это стекло с повышенной прозрачностью в ультрафиолетовой биологически безопасной области спектра (длина волн 380-240 нм). Изготавливают его на основе кварцевого, силикатного, боросиликатного, фосфатного стекла, не содержащего примесей соединений, поглощающих УФ-лучи (окислов железа, титана, хрома). Увеолевое стекло пропускает 25-75% ультрафиолетовых лучей.

Стекло, поглощающее радиоактивное излучение, получают из шихты специального состава. Для поглощения рентгеновских лучей используют оптические стекла с высоким содержанием свинца и бора. Чтобы улучшить защитное действие стекла, в шихту добавляют 0,25-1,5% окиси церия.

Защитные свойства стекла можно приближенно оценивать по его плотности. Например, тяжелое свинцовое стекло с отношением массы к объему 6200 кг/куб. м, содержащее 80% окиси свинца, по своей защитной способности в отношении излучения эквивалентно стали. Стекла, поглощающие медленные нейтроны, должны содержать один из следующих окислов: окись бора, окись лития, окись кадмия и некоторые другие. Стекло, не пропускающее радиоактивных излучений, применяют при сооружении атомных электростанций (например, при устройстве защитных смотровых окон) и предприятий по изготовлению изотопов.

Термостойкое стекло (боросиликатное) содержит окись рубидия, окись лития и др. Термостойкие стекла имеют коэффициент линейного расширения около 2-4х10-6 С-1, т.е. в 2-3 раза меньше, чем обычное стекло. Изделия из таких стекол выдерживают перепады температур до 200 °С. Их используют для изготовления термостойких деталей аппаратуры.

Стекло для облицовочных панелей в виде плоских конструктивных элементов располагают между рядами окон многоэтажного здания. На внутреннюю поверхность толстого полированного стекла наносят при нагревании непрозрачное покрытие из керамической эмали различных цветов, составляющей единое целое со стеклом. Покрытие защищается со стороны помещения тонким слоем алюминия, наносимым в вакууме.

Облицовочное стекло используют для достижения большей архитектурно-художественной выразительности зданий. Цветные плиты марблит изготавливают из непрозрачного ("глушеного") стекла с полированной наружной поверхностью. "Глушеное" стекло в свою очередь изготавливают на основе силикатного стекла, вводя в его состав добавки, вызывающие рассеивание света (фториды, фосфаты, хлориды, оксиды титана, циркония и других металлов).

Иногда текстура стекла имеет по-разному окрашенные зоны и прожилки, как у мрамора. Из отходов листового оконного стекла получают эмалированные плитки размером 150х150 и 150х75 мм.

Для облицовки наружных стеновых панелей из легкого и тяжелого бетона применяют ковровую стеклянную мозаику. Ее набирают из мелких квадратных плиток (около 20х20 мм), изготавливаемых путем переработки цветной "глушеной" стекломассы.

Декоративное стекло – строительный материал, обеспечивающий частичное рассеивание падающего на него света и обладающий высокими декоративными качествами, например, узорчатое, "Метелица" и цветное декоративное.

Узорчатое стекло имеет на одной или обеих поверхностях рельефный закономерно повторяющийся узор. Выпускается бесцветным и цветным толщиной 3-6 мм, максимальный размер листов 1600 х 2200 мм. Узор придает стеклу своеобразный декоративный эффект, создает частичное рассеивание света, ограничивает сквозную видимость.

Декоративное стекло "Метелица" производится термическим формованием. В этом виде стекла чередующиеся участки неопределенной формы с гладкой мелкоскладчатой поверхностью и резко выраженная разность толщины участков стекла создают оригинальный оптический эффект. Выпускается толщиной 3-8 мм, размером 1300х1500 мм. Может иметь зеркальное алюминиевое покрытие.

Декоративное цветное стекло может быть окрашенным в массе или накладным, состоящим из двух слоев, плотно соединенных при формовании: основного бесцветного и тонкого окрашенного. Цветное стекло может быть прозрачным и "глушеным". Бесцветное стекло может быть окрашено с помощью различных пленочных покрытий (металлических, оксидно-металлических, полимерных и других). Выпускается толщиной 3-4,5 мм, размером 1000 х 1000 мм. Листы стекла с пленочным покрытием, окрашенные электрохимическим способом, имеют светопропускание в видимой части спектра 15-20%, отражение до 35% (для бронзового цвета).

Декоративное стекло используют для окон, дверей, перегородок, а также мебели. Цветное стекло применяют для витражей, декоративного остекления.

Триплекс – безопасное безосколочное стекло с высокой тепло- и звукоизоляцией. Изготавливается при помощи закачивания между двумя стеклами оптически прозрачной полимерной композиции. Подобная технология позволяет сократить количество отходов при производстве, а также создать гибкое производство, ориентированное на потребности заказчика.

Толщина полимера между двумя стеклами в триплексе составляет 1-1,5 мм. Подобная комбинация позволяет получить стекло, которое, обладая повышенной прочностью, при ударе не разбивается. Может использоваться в автомобильной промышленности и строительстве (окна, двери, фасады, витрины).

Бронированное стекло имеет многослойную структуру, позволяющую выдерживать большие ударные нагрузки, в том числе ударную силу пули. Физические характеристики бронированного стекла определяются толщиной его стеклянных компонентов и их количеством. Может использоваться в кассах, банках, "зенитных фонарях" и т.п. В связи с развитием новых технологий в строительстве широкое распространение получили прозрачные ограждающие конструкции, фасады.

"Модель-3М" использует в работе несколько профильных систем: элитная группа – Reynaers (Бельгия), мидл-класс – "New Tec" (разработка Италии, производство России), дешевый вариант – Виднал ("Мосмек", Россия), раздвижные (балконные конструкции) – Provedal (Испания). Данный выбор позволяет учесть практически любые пожелания проектировщика.

Закаленное стекло используют в тех случаях, когда необходимо не только не увеличивать обзор и обеспечить доступ света, но и защитить находящееся за стеклом объекты, в том числе и людей. Такое стекло получается благодаря использованию системы термической обработки, так называемому закаливанию на финальной стадии производства материала. При закалке такого стекла, его нагревают до 600-800 °C, а затем быстро охлаждают, в результате чего получается механически и термически прочный материал.

Закаленное стекло примерно в пять-семь раз прочнее обычного стекла аналогичной толщины. Данное стекло разбивается на небольшие осколки с тупыми концами, поэтому в ходе несчастного случая довольно сложно получить серьезные травмы.

Закаленное стекло в процессе обработки приобретает три основные характеристики:

• Термостойкость;
• Повышенную механическую прочность;
• Высокую ударную вязкость.

Конкретные технические характеристики данного стекла приведены в таблице 1:

Общие технические характеристики

Средние показатели

удельная теплопроводность стекла

коэффициент упругости стекла при изгибе

66 000 – 73 500 мпа

прочность на растяжение при изгибе

масса на 1 мм толщины

0,00534 м 2 к/ вт

Применяют закаленное стекло для остекления различных объектов, требующих дополнительной защиты. Основными направлениями применения материала являются следующие объекты:

• Стеклянные офисные перегородки;
• Стеклянные ограждения;
• Двери из стекла различных видов;
• Душевые кабины и двери для саун.

Данный тип стекла имеет широкий спектр применения в интерьерах зданий, жилых домов, офисах, торговых залах и банках. Особенно широко закаленное стекло применяется для ограждения смотровых площадок, лестниц, балконов, защищая человека от падения и увеличивая обзор. Для защиты от кражи экспонатов в музее также используют закаленное стекло.

Этот вид стекла используется для изготовления раздвижных дверей, входных дверей в различных зданиях и помещениях. Кроме этого, такое стекло применяется в производстве дверей и перегородок для саун и душевых кабин и внутренних перегородок. Двери из закаленного стекла придают зданиям современный внешний вид, и они очень удобны и просты в использовании.

Готовое закаленное стекло нельзя подвергать дальнейшей обработке, разрезать или сверлить, а также подвергать химической обработке, так как это может привести к преждевременному разрушению материала. Такое стекло должно быть изготовлено изначально нужного размера с необходимыми отверстиями. При необходимости на таком стекле может выполняться и рисунок.

Такое стекло должно выдерживать падение мягкого тела массой примерно 45 кг. Обычно закаленное стекло подразделяется на классы защиты, которые зависят от высоты падения тела. Классы защиты приведены в таблице 2:

Класс защиты закаленного стекла

Высота падения тела

В зависимости от назначения объекта подбирают и закаленное стекло. Так на смотровых площадках устанавливают самое прочное стекло, высокого класса защиты. Для дверей или внутренних перегородок можно подбирать стекло класса защиты CM 1 и CM 2. Каждый лист стекла подвергают специальным испытаниям и тестируют по установленным стандартам. При этом лист стекла зажимают в горизонтальном или вертикальном положении и проводят специальные тесты.

В период эксплуатации закаленное стекло не допускается протирать тканью с абразивными химическими элементами. Температурный диапазон допустимых значений эксплуатации стекла достаточно широк – от минус 150 до плюс 300 °C. При необходимости использования стекла в других температурных диапазонах следует проводить дополнительные испытания стекла. Очень часто закаленное стекло используют в составе пуленепробиваемых, огнестойких и устойчивых к взрыву конструкциях.

Закаленное стекло пользуется огромным спросом для изготовления цельностеклянных конструкций и широко вошло в интерьеры современных зданий и квартир. При этом высокое качество и отличные характеристики закаленного стекла обусловлены строгим соблюдением технологии производства материала.