Натриево-известковое стекло , также называемое натриево-известково-силикатным стеклом , является наиболее распространенным типом стекла , используемым для изготовления оконных стекол и стеклянной тары (бутылок и банок) для напитков, продуктов питания и некоторых товаров. Некоторые стеклянные формы для выпечки изготавливаются из натриево-известкового стекла, в отличие от более распространенного боросиликатного стекла . [1] Натриево-известковое стекло составляет около 90% производимого стекла. [2] [3]
Процесс производства натриево-известкового стекла заключается в плавлении сырья , которым являются кремнезем, сода, известь (в виде (Ca(OH) 2 ), доломит (CaMg(CO 3 ) 2 ), дающая оксид магния. ) и оксида алюминия вместе с небольшими количествами оклеивающих веществ (например, сульфатом натрия (Na 2 SO 4 ), хлоридом натрия (NaCl) и др.) в стекловаренной печи при температуре локально до 1675 °С [4] . Температура ограничивается только качеством материала конструкции печи и составом стекла.Вместо чистых химикатов обычно используются относительно недорогие минералы, такие как трона , песок и полевой шпат.Зеленые и коричневые бутылки получают из сырья, содержащего оксид железа. Смесь сырья называется партией .
Натриево-известковое стекло технически делится на стекло, используемое для окон, называемое плоским стеклом , и стекло для контейнеров, называемое тарным стеклом . Эти два типа различаются применением, методом производства ( флоат-процесс для окон, выдувание и прессование для контейнеров) и химическим составом. Листовое стекло имеет более высокое содержание оксида магния и оксида натрия , чем тарное стекло, и более низкое содержание кремнезема, оксида кальция и оксида алюминия . [5] Более низкое содержание хорошо растворимых в воде ионов (натрия и магния) в тарном стекле приводит к его несколько более высокой химической стойкости к воде, что особенно необходимо для хранения напитков и продуктов питания.
Натриево-известковое стекло относительно недорогое, химически стабильное, достаточно твердое и чрезвычайно работоспособное. Поскольку его можно многократно размягчать и переплавлять, он идеально подходит для переработки стекла . [6] Его используют вместо химически чистого кремнезема (SiO 2 ), также известного как плавленый кварц . В то время как чистый кремнезем обладает превосходной устойчивостью к тепловому удару и способен выдерживать погружение в воду, пока он раскален докрасна, его высокая температура плавления (1723 °C ) и вязкость затрудняют работу с ним. [7] Поэтому для упрощения обработки добавляются другие вещества. Одним из них является «сода» или оксид натрия (Na 2 O), который добавляют в форме карбоната натрия или родственных предшественников. Сода снижает температуру стеклования. Однако сода делает стекло водорастворимым , что обычно нежелательно. Чтобы обеспечить лучшую химическую стойкость, также добавляют известь . Это оксид кальция (CaO), обычно получаемый из известняка . Кроме того, долговечности способствуют оксид магния (MgO) и оксид алюминия (Al 2 O 3 ). Полученное стекло содержит от 70 до 74% кремнезема по весу.
Вязкость натриево-известкового стекла постоянно увеличивается с понижением температуры, что позволяет выполнять операции с постоянно возрастающей точностью. Стекло легко формуется в предметы, если оно имеет вязкость 10 4 пуаз , обычно достигаемую при температуре около 900 °C. Стекло размягчается и подвергается устойчивой деформации, когда вязкость менее 10 8 пуаз, около 700 °C. Несмотря на кажущуюся закалку, натриево-известковое стекло, тем не менее, можно отжигать для снятия внутренних напряжений в течение примерно 15 минут при 10 14 пуаз, около 500 °C. Зависимость между вязкостью и температурой в значительной степени логарифмическая, причем уравнение Аррениуса сильно зависит от состава стекла, но энергия активации увеличивается при более высоких температурах. [8]
В следующей таблице перечислены некоторые физические свойства натриево-известковых стекол. Если не указано иное, составы стекол и многие экспериментально определенные свойства взяты из одного большого исследования. [5] Значения, выделенные курсивом , были интерполированы из аналогичных составов стекла (см. расчет свойств стекла ) из-за отсутствия экспериментальных данных.