Натриево-кальциевое стекло , также называемое натриево-кальциево-силикатным стеклом , является наиболее распространенным типом стекла , используемым для оконных стекол и стеклянных контейнеров (бутылок и банок) для напитков, продуктов питания и некоторых товаров. Некоторые стеклянные формы для выпечки изготавливаются из натриево-кальциевого стекла, в отличие от более распространенного боросиликатного стекла . [1] Натриево-кальциевое стекло составляет около 90% производимого стекла. [2] [3]
Процесс производства натриево-кальциевого стекла заключается в плавлении сырья , которым являются кремний , сода , известь (в форме (Ca(OH) 2 ), доломит (CaMg(CO3 ) 2 , который обеспечивает оксид магния) и оксид алюминия; вместе с небольшими количествами осветлителей (например, сульфат натрия ( Na2SO4 ), хлорид натрия ( NaCl ) и т . д.) в стекловаренной печи при температурах локально до 1675 °C. [4] Сода и известь служат флюсом, понижающим температуру плавления кремния (1580 C), а также заставляющим смесь размягчаться по мере ее нагревания, начиная с 700 C. Температура ограничивается только качеством материала конструкции печи и составом стекла. Относительно недорогие минералы, такие как трона , песок и полевой шпат, обычно используются вместо чистых химикатов. Зеленые и коричневые бутылки получают из сырья, содержащего оксид железа. Смесь сырья называется партией .
Натриево-кальциевое стекло технически делится на стекло, используемое для окон, называемое плоским стеклом , и стекло для контейнеров, называемое тарным стеклом . Эти два типа отличаются по применению, способу производства ( флоат-процесс для окон, выдувка и прессование для контейнеров) и химическому составу. Плоское стекло имеет более высокое содержание оксида магния и оксида натрия , чем тарное стекло, и более низкое содержание кремнезема, оксида кальция и оксида алюминия . [5] Из-за более низкого содержания высокорастворимых в воде ионов (натрия и магния) в тарном стекле происходит его немного более высокая химическая стойкость к воде, которая требуется особенно для хранения напитков и продуктов питания.
Натриево-кальциевое стекло является относительно недорогим, химически стабильным, достаточно твердым и чрезвычайно обрабатываемым. Поскольку его можно многократно размягчать и переплавлять, оно 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 , будучи способным выдерживать погружение в воду докрасна, его высокая температура плавления (1723 °C ) и вязкость затрудняют работу с ним. [7] Поэтому для упрощения обработки добавляют другие вещества. Одним из них является «сода» или оксид натрия (Na 2 O), который добавляется в виде карбоната натрия или родственных прекурсоров. Сода снижает температуру стеклования. Однако сода делает стекло водорастворимым , что обычно нежелательно. Для обеспечения лучшей химической стойкости также добавляют « известь ». Это оксид кальция (CaO), обычно получаемый из известняка . Кроме того, оксид магния (MgO) и глинозем, который является оксидом алюминия (Al 2 O 3 ), способствуют прочности. Полученное стекло содержит около 70–74% кремнезема по весу.
Натриево-кальциевое стекло претерпевает устойчивое увеличение вязкости с понижением температуры, что позволяет проводить операции с постоянно увеличивающейся точностью. Стекло легко формуется в предметы, когда его вязкость составляет 10 4 пуаз , что обычно достигается при температуре около 900 °C. Стекло размягчается и претерпевает устойчивую деформацию, когда вязкость составляет менее 10 8 пуаз, около 700 °C. Хотя натриево-кальциевое стекло, по-видимому, закалено, его тем не менее можно отжечь для снятия внутренних напряжений примерно за 15 минут при 10 14 пуаз, около 500 °C. Зависимость между вязкостью и температурой в значительной степени логарифмическая, с уравнением Аррениуса, сильно зависящим от состава стекла, но энергия активации увеличивается при более высоких температурах. [8]
В следующей таблице перечислены некоторые физические свойства натриево-кальциевых 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 стекол (см. расчет свойств стекла ) из-за отсутствия экспериментальных данных.