Кварцові скла: особливості виробництва, ГОСТ. Скло кварцове оптичне: застосування

Скло – один з найдавніших матеріалів, який широко застосовується у всіх сферах практичної діяльності людини завдяки набору корисних якостей і властивостей. За час існування (а це понад 5 тис. років) його хімічна формула залишилася практично тією ж, змінилися лише його якості.

Кварцове скло

Протягом довгих років людина прагнула створити скло все більш прозорим і стійким до різних руйнуючим факторів. В результаті такого цілеспрямованого вдосконалення з'явилися кварцові скла – абсолютно новий тип матеріалу з вражаючими свідомість характеристиками. Можливо, саме це скло визначить напрямок подальшого розвитку людства. Кварцове скло – це продукт плавлення чистого оксиду кремнію (SiO 2 ). На відміну від звичайного скла, цей матеріал знаходиться в аморфному стані, тобто не має точної температури плавлення і при нагріванні з твердого стану в рідке переходить поступово. Багато в чому завдяки саме цій властивості кварцове, або силікатне скло знайшло настільки широке застосування в промисловості.

Структура кварцового скла

Аморфність матеріалу пояснюється його структурою, основу якої складають кремнієво-кисневі тетраедри. Молекули SiO 2 «пов'язуються один з одним завдяки взаємному тяжінню атомів кисню. Разом вони утворюють тривимірні сітки, незважаючи на те, що строгого порядку у розташуванні молекул одна відносно одної немає. Саме тому кварцові скла мають властивості аморфних матеріалів. Силікатне скло, як і звичайне, отримують шляхом плавлення вихідного сировини. В якості такого може використовуватися чистий кремнезем – гірський кришталь, жильний кварц, кварцовий пісок, а також оксид кремнію, отриманий штучним шляхом.

Відмінності кварцового скла від звичайного

В залежності від обраного типу сировини визначають і деякі властивості кінцевого продукту. Так, для отримання кришталево чистого і прозорого матеріалу використовують гірський кришталь. Основною відмінністю від звичайного силікатного скла є висока температура плавлення – понад 1500 З про . При цьому оксид кремнію починає випускати інтенсивне світлове випромінювання у видимому спектрі, тобто починає світитися. Зважаючи аморфної структури сировини процес плавлення може тривати значний час. Розплавлений склад відрізняється високою в'язкістю, що не дозволяє його стапливать або переміщати. Це ускладнює виробництво кварцового скла з однаковою товщиною стінок.

Особливості виробництва

Зважаючи всіх перерахованих особливостей провадження силікатного скла можливо тільки на спеціалізованому обладнанні. У плавильнях повинна підтримуватися висока температура, а для створення скляних виробів необхідно підтримання струменя відкритого полум'я температурою 1800 З про і вище. Пред'являються спеціальні вимоги до виробничого приміщення – воно повинно бути стерильним. Незначна кількість чужорідних частинок неминуче призведе до того, що готові кварцові скла незабаром розтріскаються і втратять свої властивості. Особливими якостями повинні володіти і співробітники виробництва – склодуви. Їм доводиться мати справу з екстремально високими температурами – одна помилка під час роботи може призвести до серйозних травм, опіків.
Всі основні інструменти склодува виготовлені з жароміцних матеріалів – граніту, вольфраму, які, крім іншого, відрізняються великою вагою. Тому співробітники повинні бути фізично сильними і витривалими.

Властивості кварцового скла

Силікатне скло володіє низькими показниками електропровідності, тому воно часто використовується як діелектрик в складних електроприладах. Головні корисні властивості, якими володіють кварцові скла, можна розділити на три групи:

Термічні. Стійкість до високих температур (1200 З про ), високий коефіцієнт температурного розширення (в 15 разів вище, ніж у звичайного скла), чим обумовлюється стійкість до різких і значних температурних коливань (на виробництві продукцію охолоджують струменем крижаної води).

Хімічні. Скло хімічно нейтрально, не вступає в реакцію з усіма лугами і кислотами, крім фосфорної і плавикової кислоти (реакція починається при температурі вище 300 С про ).

Оптичні. Показник заломлення кварцового скла в 150 разів нижче, ніж у звичайного (n e =146). Завдяки цьому воно бездоганно пропускає не тільки сонячне і звичайне світло, але і не затримує ні інфрачервоне, ні ультрафіолетове випромінювання.

Всі ці властивості дозволяють використовувати кварцове скло в якості будівельного матеріалу, а також для виробництва лабораторного посуду, оптичних приладів, електрообладнання, термостійких вогнетривких матеріалів. Одна з основних сфер його застосування – виготовлення оптичних волокон.

Оптичне кварцове скло

В залежності від застосованої при виробництві технології кварцове скло може бути непрозорим і прозорим. У першому випадку в його структурі буде присутній велика кількість бульбашок газу, які інтенсивно розсіюють світло. Прозоре скло, або кварцове скло оптичне, як його ще називають, абсолютно однорідне, не містить бульбашок. Завдяки цій особливості матеріал використовується при виробництві оптичних кабелів високошвидкісної передачі даних, оптичних лінз і призм.

Марки та серії оптичного скла

Розрізняють кілька марок оптичного скла: КУ-1 КІ, і КВ. Продукція відрізняється між собою здатністю пропускати видиме, ультрафіолетове й інфрачервоне випромінювання. Найпрозорішим є скло марки КИ – воно здатне пропускати світло при довжині хвилі 2600-2800 нм, найменш прозоре – КВ. Залежно від використовуваного сировини різні світлопропускної здатності може мати оптичне скло кварцове. ГОСТ 15130-86 містить відомості про трьох серіях:

0 – матеріал, використовуваний при звичайних експлуатаційних умовах;

100 – скло, стійке до іонізуючого випромінювання незначної сили;

200 – сировина, яка допускається використовувати в умовах інтенсивного іонізуючого випромінювання.

Марка і серія скла утворюють шифр продукції. Він наноситься на виробництві та визначає конкретний вид скла. В нашій країні немає єдиної системи шифрування, тому кожне підприємство визначає свою продукцію по своєму розумінню.

Область застосування

З силікатного скла виготовляється велика кількість різноманітної продукції. У наукових і виробничих лабораторіях затребувані трубки з кварцового скла, які використовуються для замірів рівня рідини, виготовлення електронагрівальних приладів, проведення хімічних реакцій і зберігання агресивних речовин. Широке застосування на виробництві отримало і непрозоре скло. Вона використовується там, де необхідний контроль рідких продуктів при високих температурах і, завдяки низькій вартості, застосовується повсюдно. Оптичне скло застосовується в судо - та ракетобудуванні, головним чином для виробництва освітлювальних приладів. На нафтохімічних підприємствах цей матеріал цінується за високу стійкість до хімічних речовин і використовується для контролю агресивних рідин. У літаках їм остекляют кабіни, а також використовують в якості теплоізоляції. Виробники виготовляють продукцію відповідно до вимог ГОСТ 22291-83. Кварцове скло, трубки, вікна, призми, лінзи та інші вироби виготовляються як масово, так і в індивідуальному порядку.