Соединения из матового стекла используются в лабораториях для быстрого и легкого соединения герметичных приборов из взаимозаменяемых общедоступных частей. Например, круглодонную колбу , конденсатор Либиха и масляный барботер с притертыми соединениями можно быстро соединить вместе для кипячения реакционной смеси. Это значительное улучшение по сравнению со старыми методами изготовления стеклянной посуды на заказ, которые требовали много времени и денег, или с использованием менее химически стойких и термостойких пробок или резиновых пробок и стеклянных трубок в качестве соединений, подготовка которых также требовала времени. .
Один из соединяемых изделий из стекла будет иметь внутренний (или охватываемый) стык с поверхностью матового стекла, обращенной наружу, а другой будет иметь внешний (или охватывающий) стык соответствующего конуса с поверхностью матового стекла , обращенной внутрь. Для соединения полых внутренних пространств деталей стеклянной посуды швы матового стекла делают полыми внутри и открытыми на концах, за исключением пробок.
Грубые версии конически сужающихся соединений матового стекла изготавливаются уже довольно давно [1] , особенно для пробок для стеклянных бутылок и реторт . [2] Соединения сырого стекла все еще можно было обеспечить хорошей герметизацией, притирая две части стыка друг к другу, но это приводило к различиям между стыками, и они не могли хорошо герметизироваться, если соединить их с другим стыком. [1] В наши дни стыки шлифованного стекла можно точно отшлифовать до воспроизводимой конусности или формы, а соединения одной и той же спецификации полностью взаимозаменяемы.
Довольно часто используются два основных типа соединений матового стекла: соединения слегка конической формы и шаровые соединения (иногда называемые сферическими соединениями).
Соединения матового стекла конической формы обычно имеют конус 1:10 и часто маркируются символом ST , состоящим из заглавной буквы T, наложенной на заглавную букву S, что означает «стандартный конус» . За этим символом следует число, косая черта и еще одно число. Первое число представляет внешний диаметр (НД) в миллиметрах в самом широком месте внутреннего (охватываемого) соединения. Второе число представляет длину шва матового стекла в миллиметрах. [3] На международном уровне используются размеры ISO [4] : 14/23, 19/26 и 24/29, которые очень распространены в исследовательских лабораториях, причем наиболее распространен 24/29. В США используются размеры ASTM [5] (равные ныне устаревшему Коммерческому стандарту 21), причем распространенные размеры составляют 14/20, 19/22, 24/40 и, в некоторой степени, 29/42. В США наиболее распространен вариант 24/40.
В шаровых соединениях (также известных как сферические соединения) внутреннее соединение представляет собой шар, а внешнее соединение представляет собой раструб, причем оба имеют отверстия, ведущие внутрь соответствующих концов трубок, к которым они привариваются. Шаровой наконечник представляет собой полусферу с матовой поверхностью снаружи, которая входит в гнездо, где матовая поверхность находится внутри. Этот тип соединения свободно разъединяется и должен скрепляться зажимом. Шаровые шарниры маркируются кодом размера, состоящим из цифры, косой черты и еще одной цифры. Первое число представляет собой внешний диаметр шара в миллиметрах у его основания или внутренний диаметр в миллиметрах на кончике гнезда, в обоих случаях диаметры максимальны в соединениях.
Второе число представляет собой внутренний диаметр отверстия в середине шара или гнезда, что соответствует внутреннему диаметру трубки, приваренной к соединению. [3]
Если стандартные угловые конические фитинги, изготовленные из стеклянной посуды, не установлены идеально, стекло становится чрезвычайно жестким и хрупким, что в некоторых случаях представляет риск разрушения. Метод соединения шаром и гнездом обеспечивает некоторую гибкость в углах сочленения соединяемых частей, что может быть особенно важно для тяжелых колб или длинных кусков стеклянной посуды, которую в противном случае было бы трудно поддерживать и которая потенциально могла бы сломаться при изгибающих нагрузках. Типичным примером этого является колба-сборник на роторном испарителе , вес которой значительно увеличивается по мере ее наполнения. Шарик и гнездо позволяют опоке устанавливаться по вертикали без приложения изгибающей нагрузки на соединение. Такой патрубок также можно использовать в более крупной, но более типичной дистилляционной установке в головке и перед конденсатором. Это позволяет легче поддерживать большой пролет конденсатора, неидеальный угол приемного изгиба и наполняющую колбу, поскольку их угол с перегонной головкой имеет несколько степеней свободы позиционирования.
Их также можно встретить в качестве горлышек на колбах опытного производства, где присутствуют большие объемы и массы, а также на некоторых линиях Schlenk , где длинные пролеты тонкого стекла выигрывают от небольшой гибкости между частями. Как правило, при рассмотрении стеклянной посуды меньшего размера количество шариков и гнезд намного превосходит стандартные конусы.
Для плоских соединений край трубы шлифуется перпендикулярно трубе и прижимается к такой же плоской поверхности, при этом сопрягающее усилие прикладывается внешним зажимом. Край соединения расширяется, иногда образуя широкий фланец, чтобы обеспечить большую поверхность для герметизации соединения. Помимо соединений с использованием прокладки или уплотнительного кольца , это единственный тип соединения по матовому стеклу, используемый для очень больших диаметров, поскольку при таких масштабах конические соединения становятся непрактичными в изготовлении и склонны к заеданию. Плоские соединения чаще всего встречаются на больших колонках и реакционных сосудах, хотя они используются и в некоторых небольших устройствах, таких как колбы со съемными крышками. В стеклянных вакуумных эксикаторах для герметизации широких крышек используется плоское соединение матового стекла.
На трубчатых концах стеклянных изделий возможны круглые слегка спиральные резьбовые соединения. Такая стеклянная резьба может быть обращена внутрь или наружу. При использовании стеклянная резьба ввинчивается в материал, не имеющий стеклянной резьбы, например пластик, или на него. Стеклянные флаконы обычно имеют стеклянные отверстия с внешней резьбой, на которые можно навинчивать крышки. Бутылки и банки, в которых продаются, транспортируются и хранятся химикаты, обычно имеют резьбовые отверстия, обращенные наружу, и соответствующие нестеклянные колпачки или крышки.
Лабораторная посуда , такая как колбы Бюхнера и конденсаторы Либиха, может иметь трубчатые стеклянные наконечники, служащие соединителями для шлангов, с несколькими ребристыми зазубринами для шланга по диаметру возле кончика. Это сделано для того, чтобы на наконечниках можно было установить конец резиновой или пластиковой трубки для подключения стеклянной посуды к другой системе, такой как вакуум, водоснабжение или канализация. На конец гибкой трубки, окружающей наконечник соединителя, можно надеть специальный зажим, чтобы предотвратить соскальзывание шланга с соединителя.
Ряд брендов, в том числе Quickfit , начали использовать резьбовые соединения для заусенцев шлангов. Это позволяет отвинтить зазубрину от стеклянной посуды, надеть шланг и снова собрать конструкцию. Это помогает избежать случайного разбивания стекла и потенциального нанесения серьезного вреда химику, что иногда случается, когда шланги надеваются прямо на стекло.
Как для стандартных конических, так и для шаровых соединений внутренние и внешние соединения с одинаковыми номерами выполнены так, чтобы подходить друг другу. Если размеры соединений различаются, могут быть доступны (или изготовлены) переходники для матового стекла , которые можно разместить между ними и соединить. Вокруг соединений можно разместить специальные зажимы или зажимы, чтобы удерживать их на месте.
Круглодонные колбы часто имеют одно или несколько конических конических отверстий из матового стекла или горлышек . Условно эти соединения на горловинах опоок являются наружными. Другие адаптеры, такие как дистилляционные головки и вакуумные адаптеры, имеют соединения, соответствующие этому соглашению. Если на колбе или другом контейнере есть дополнительный внешний шов из матового стекла, который необходимо закрыть для проведения эксперимента, для этой цели часто используются конические конические внутренние пробки из матового стекла. В некоторых случаях небольшие крючкообразные стеклянные выступы могут быть приварены к остальной части стеклянного изделия рядом со стыком, чтобы можно было прикрепить концевую петлю небольшой пружины, поэтому пружина помогает временно удерживать соединения вместе. Все более широкое распространение получило использование специального конического конического фитинга очень маленького размера для стеклянных, пластиковых или металлических деталей, называемого фитингом или адаптером Люэра . Первоначально фитинги Люэра использовались для соединения наконечника иглы со шприцем . Там, где использование молотого стекла представляет проблему, например, при производстве или перегонке диазометана ( который может взорваться при контакте с более шероховатыми поверхностями), можно использовать оборудование с гладкими стеклянными соединениями.
Чтобы предотвратить разделение соединения во время процесса реакции, для скрепления двух сторон можно использовать различные типы пластиковых или металлических зажимов или пружин. Они доступны в различных материалах для различных температур и химических сред.
Запатентованные в 1984 году Германом Кеком [6] пластиковые зажимы для суставов обычно изготавливаются из полиацеталя и окрашиваются в зависимости от размеров суставов . Полиацеталь плавится при достаточно низкой температуре (около 175 °C) и начинает размягчаться около 140 °C. Поскольку рекомендуется температура стеклянной посуды до 250 °C, необходимо следить за тем, чтобы зажимы из этого материала не использовались для скрепления стекла, которое может сильно нагреться. Типичными проблемными областями являются колба над тарелкой (которая может упасть с конца колонны при нагревании) и соединение конденсатора с перегонной головкой (которая нагревается до высоких температур и может привести к падению конденсатора). Таким образом, в этих точках следует использовать разные зажимы или закрепить стеклянную посуду так, чтобы эти элементы не могли разъединиться или не нуждались в зажимах. У полиацеталевых зажимов есть еще одна проблема: материал сильно подвержен воздействию агрессивных газов. Этот эффект может быть настолько значительным, что зажим развалится за считанные минуты под воздействием незначительного количества жидкости, просачивающейся через смазанные и отшлифованные конусы. Важно отметить, что этот режим отказа возникает внезапно и без предупреждения.
Иногда используются соединительные зажимы из ПТФЭ, поскольку его рекомендуемый температурный пик соответствует температуре большинства практических химических работ. Его высокая инертность также делает его невосприимчивым к разложению в присутствии агрессивных газов. Однако он дорог и начнет производить перфторизобутилен, если нагреть его выше указанной температуры. Необходимо принять меры предосторожности, чтобы избежать этого, учитывая уровень риска, который представляет результат. То же самое относится и к использованию Krytox и химически стойких масел и смазок Molykote (загущенный ПТФЭ, на основе фтора) для уплотнений стеклянной посуды . Последний вариант — соединительный зажим из высококачественной нержавеющей стали . Естественно, он выдерживает весь температурный диапазон боросиликатного стекла и достаточно инертен. Низкие сорта нержавеющей стали по-прежнему быстро разрушаются в присутствии агрессивных газов, а сами зажимы зачастую столь же дороги, как и ПТФЭ.
Некоторые стеклянные изделия имеют зазубрины (рога дьявола, шлем викинга), торчащие по бокам конусов. Для скрепления соединений в них используются небольшие пружины из нержавеющей стали. Использование пружин полезно при работе с положительным давлением, поскольку они прикладывают достаточную силу для срабатывания стекла, но открывают конус, если произойдет неожиданное отклонение. Этот метод считается довольно старомодным, но до сих пор используется для изготовления самой известной и высококачественной стеклянной посуды.
В ситуациях, когда простая пружина металлической проволоки или пластика недостаточно сильна или неудобна по другим причинам, для скрепления соединений можно использовать винты. Пластиковые манжеты [7] часто используются в микрооборудовании.
На соединяемые матовые поверхности обычно наносится тонкий слой ПТФЭ или смазки , а внутреннее соединение вставляется во внешнее соединение так, чтобы матовые поверхности каждого из них находились рядом друг с другом. Это помогает обеспечить хорошее уплотнение и предотвращает заедание соединения, что позволяет легко разбирать детали. Хотя силиконовая смазка , используемая в качестве герметика и смазки для соединения соединений матового стекла, обычно считается химически инертной, некоторые соединения образовались в результате непреднамеренных реакций с силиконами. [8] [9]
Иногда конические соединения матового стекла могут сцепляться друг с другом, не позволяя пользователю поворачивать их. Это называется зависанием или блокировкой и может произойти по разным причинам:
Замерзшие соединения можно удалить, вводя растворитель в соединение, покачивая стопор, нагревая наружное соединение [11] [12] или охлаждая внутренний стопор. Последние два метода используют свойство теплового расширения для создания небольшого пространства между двумя поверхностями. Существуют также специализированные стеклодувные инструменты для разморозки шва. [12]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )