矽酸鹽類非金屬材料——玻璃

王摩爾 發佈 2022-11-06T19:23:07.882049+00:00

玻璃是非晶態無機非金屬材料,一般是用多種無機礦物,如石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸鋇、石灰石、長石、純鹼等為主要原料,另外加入少量輔助原料製成的。它的主要成分為二氧化矽和其他氧化物。

玻璃是非晶態無機非金屬材料,一般是用多種無機礦物,如石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸鋇、石灰石、長石、純鹼等為主要原料,另外加入少量輔助原料製成的。它的主要成分為二氧化矽和其他氧化物。

普通玻璃的化學組成是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2或Na2O·CaO·6SiO2等,主要成分是矽酸鹽復鹽,屬於混合物,是一種無規則結構的非晶態固體。

一、發展歷史

世界最早的玻璃製造者為古埃及人。

3000多年前,一艘歐洲腓尼基人的商船,滿載著晶體礦物「天然蘇打」,航行在地中海沿岸的貝魯斯河上。由於海水落潮,商船擱淺了,於是船員們紛紛登上沙灘。有的船員還抬來大鍋,搬來木柴,並用幾塊「天然蘇打」作為大鍋的支架,在沙灘上做起飯來。

船員們吃完飯,潮水開始上漲了。他們正準備收拾一下登船繼續航行時,突然有人高喊:「大家快來看啊,鍋下面的沙地上有一些晶瑩明亮、閃閃發光的東西!」

船員們把這些閃爍光芒的東西,帶到船上仔細研究起來。他們發現,這些亮晶晶的東西上粘有一些石英砂和融化的天然蘇打。

原來,這些閃光的東西,是他們做飯時用來做鍋的支架的天然蘇打,在火焰的作用下,與沙灘上的石英砂發生化學反應而產生的物質,這就是最早的玻璃。

大約在4世紀,古羅馬人開始把玻璃應用在門窗上,到1291年,義大利的玻璃製造技術已經非常發達。

公元12世紀,出現了商品玻璃,並開始成為工業材料。

1688年,一名叫納夫的人發明了製作大塊玻璃的工藝,從此,玻璃成了普通的物品。

18世紀,為適應制望遠鏡的需要,制出光學玻璃。1874年,比利時首先制出平板玻璃。1906年,美國制出平板玻璃引上機,此後,隨著玻璃生產的工業化和規模化,各種用途和各種性能的玻璃相繼問世。

現代,玻璃已成為日常生活、生產和科學技術領域的重要材料。

幾百年來,人們一直認為玻璃是綠色的,是無法改變的。後來發現綠色來自原料中少量的鐵,二價鐵的化合物使得玻璃顯綠色。在加入二氧化錳以後,原來的二價鐵變成三價鐵顯黃色,而四價錳被還原成三價錳呈紫色。光學上,黃色和紫色在一定程度上可以互補,混合在一起成為白光,玻璃就不偏色了。不過若干年後,三價錳被空氣繼續氧化,黃色會逐漸增強,所以那些古老房屋的窗玻璃會略微帶點黃色。

二、玻璃的生產工藝

矽酸鹽玻璃通常以石英砂、純鹼、長石及石灰石等為原料,經混和、高溫熔融、勻化後,加工成形,再經退火而得。主要包括:

⒈ 原料預加工。將塊狀原料(石英砂、純鹼、石灰石、長石等)粉碎,使潮濕原料乾燥,將含鐵原料進行除鐵處理,以保證玻璃質量。

⒉ 配合料製備。

⒊ 熔制。玻璃配合料在池窯或坩堝窯內進行高溫(1550-1600℃)加熱,使之形成均勻、無氣泡,並符合成型要求的液態玻璃。

⒋ 成型。將液態玻璃加工成所要求形狀的製品,如平板、各種器皿等。

⒌ 熱處理。通過退火、淬火等工藝,消除或產生玻璃內部的應力、分相或晶化,以及改變玻璃的結構狀態。

三、玻璃的物態

玻璃並不完全是固體。玻璃既不是晶態,也不是非晶態,也不是多晶態,也不是混合態。理論名稱叫玻璃態。

從微觀上看,玻璃也是一種液體,其分子不像晶體那樣在空間具有長程有序的排列,而近似於液體那樣具有短程有序。玻璃像固體一樣保持特定的外形,不像液體那樣隨重力作用而流動。

玻璃態在常溫下的特點是:

短程有序,即在數個或數十個原子範圍內,原子有序排列,呈現晶體特徵;

長程無序,即再增加原子數量後,便成為一種無序的排列狀態,其混亂程度類似於液體。

在宏觀上,玻璃又是一種固態的物質。

玻璃就是這樣一種物質。造成玻璃這種結構的原因是:玻璃的粘度隨溫度的變化速度太快,而結晶速度又太慢。當溫度下降,結晶剛剛開始的時候,粘度就已經變得非常大,原子的移動被限制住,造成了這種結果。所以,玻璃態類似於固態的液體,物質中的原子永遠都是處於結晶的過程中。

因此,玻璃中的原子位置看似固定,但是原子間依然有作用力促使它具備重新排列的趨勢。並不是一個穩定的狀態,這和石蠟中的原子狀態不同。所以,同樣不是晶體,常溫下,石蠟完全是固體,而玻璃卻可以被看作是粘度極大的液體。

四、玻璃的特性

玻璃態物質的特性

⒈ 各向同性

玻璃的分子排列是無規則的,其分子在空間中具有統計上的均勻性。在理想狀態下,均質玻璃的物理、化學性質,如折射率、硬度、彈性模量、熱膨脹係數、導熱率、電導率等在各方向都是相同的。

⒉ 無固定熔點

因為玻璃是混合物,非晶體。玻璃由固體轉變為液體是在一定溫度區域(即軟化溫度範圍)內進行的,它與結晶物質不同,沒有固定的熔點。

⒊ 亞穩性

玻璃態物質一般是由熔融體快速冷卻而得到,從熔融態向玻璃態轉變時,冷卻過程中黏度急劇增大,質點來不及做有規則排列而形成晶體,沒有釋出結晶潛熱,因此,玻璃態物質比結晶態物質含有較高的內能,其能量介於熔融態和結晶態之間,屬於亞穩狀態。從力學觀點看,玻璃是一種不穩定的高能狀態,比如存在低能量狀態轉化的趨勢,即有析晶傾向,所以,玻璃是一種亞穩態固體材料。

⒋ 漸變性可逆性

玻璃態物質從熔融態到固體狀態的過程是漸變的,其物理、化學性質的變化也是連續的和漸變的。這與熔體的結晶過程明顯不同,結晶過程必然出現新相,在結晶溫度點附近,許多性質會發生突變。而玻璃態物質從熔融狀態到固體狀態是在較寬溫度範圍內完成的,隨著溫度逐漸降低,玻璃熔體黏度逐漸增大,最後形成固態玻璃,但是過程中沒有新相形成。相反玻璃加熱變為熔體的過程也是漸變的。

㈡ 玻璃的特性

根據種類不同,玻璃有不同的特性。

⒈ 良好的透視、透光性能(3mm、5mm厚的鏡片玻璃的可見光透射比分別為87%和84%)。對太陽光中近紅外熱射線的透過率較高,但對可見光折射至室內牆頂地面和家具、織物而反射產生的遠紅外長波熱射線卻有效阻擋,故可產生明顯的「暖房效應」。淨片玻璃對太陽光中紫外線的透過率較低。

⒉ 隔聲、有一定的保溫性能。

⒊ 抗拉強度遠小於抗壓強度,是典型的脆性材料。

⒋ 有較高的化學穩定性,通常情況下,對酸鹼鹽及化學試劑和氣體都有較強的抵抗能力,但長期遭受侵蝕性介質的作用也能導致變質和破壞,如玻璃的風化和發霉都會導致外觀破壞和透光性能降低。

⒌ 熱穩定性較差,極冷極熱易發生炸裂。

普通平板玻璃

平板玻璃有不同的厚度,通常將厚度多少mm稱為多少厘或者個。我們所說的3厘(個)玻璃,就是指厚度3mm的玻璃。

⒈ 3-4厘玻璃,這種玻璃主要用於畫框表面。

⒉ 5-6厘玻璃,主要用於外牆窗戶、門扇等小面積透光造型等等。

⒊ 7-9厘玻璃,主要用於室內屏風等較大面積但又有框架保護的造型之中。

⒋ 9-10厘玻璃,可用於室內大面積隔斷、欄杆等裝修項目。

⒌ 11-12厘玻璃,可用於地彈簧玻璃門和一些活動人流較大的隔斷。

⒍ 15厘以上玻璃,主要用於較大面積的地彈簧玻璃門和外牆整塊玻璃牆面。

五、玻璃的應用

玻璃廣泛用於建築、日用、藝術、醫療、化學、電子、儀表、核工程等領域。

⒈ 彩色平板玻璃:有耐腐蝕抗沖刷、易清洗等特點。

⒉ 釉面玻璃:具有良好的化學穩定性和裝飾性。

⒊ 壓花玻璃、噴花玻璃、乳花玻璃、刻花玻璃、冰花玻璃:根據各自製作花紋的工藝不同,有各種色彩、觀感、光澤效果,富有裝飾性。

⒋ 著色玻璃:有效吸收太陽輻射熱,達到蔽熱節能效果;吸收較多可見光,使透過的光線柔和;較強吸收紫外線,防止紫外線對室內影響;色澤艷麗耐久,增加建築物外形美觀。

⒌ 鍍膜玻璃:保溫隔熱效果較好,易對外面環境產生光污染。

⒍ 中空玻璃:光學性能良好、保溫隔熱性能好、防結露、具有良好的隔聲性能。

⒎ 鋼化玻璃:機械強度高、彈性好、熱穩定性好、碎後不易傷人、不易發生自爆。

⒏ 夾絲玻璃:受衝擊或溫度驟變後碎片不會飛散;可短時防止火焰蔓延;有一定的防盜、防搶作用。

⒐ 夾層玻璃:透明度好、抗衝擊性能高、夾層PVB膠片粘合作用保護碎片不散落傷人,耐久、耐熱、耐濕、耐寒性高。

六、 玻璃的擦拭及注意事項

㈠ 玻璃的擦拭

⒈ 擦拭玻璃:先用毛巾將玻璃框擦乾淨,再用玻璃刮沾稀釋後的玻璃水溶液,均勻的從上到下塗抹玻璃,用玻璃刮從上到下刮乾淨,用干毛巾擦淨框上留下的水痕,玻璃上的水痕一定要用玻璃刮擦乾淨,否則將會在玻璃上留下一道道痕跡。

⒉ 日常清潔時,用濕毛巾或報紙擦拭即可,如遇污跡可用毛巾蘸啤酒或溫熱的食醋擦除,將醋和水按1:2的比例調和,放入噴霧中,噴在玻璃上再擦抹,就可擦得非常乾淨。另外也可以使用市場上出售的玻璃清洗劑,忌用酸鹼性較強的溶液清潔。冬天玻璃表面易結霜,可用布蘸濃鹽水或白酒來擦拭,效果很好。

⒊ 在水盆中加入5%的阿摩尼亞溶液或汽油,用其清洗玻璃,待玻璃稍干再用干布擦抹乾淨,玻璃即可一塵不染,光亮透明。在擦玻璃的時候,可選用不同的型號擦窗器,看清是擦雙層玻璃的還是單層玻璃的。

⒋ 如玻璃表面有發霉現象,可將氫氟酸(HF)與水1:8的比例調和(注意:超過1:8,會對手部造成損傷),拭擦玻璃。

注意:一定要做好腐蝕防護工作,皮膚不可接觸HF,否則會嚴重腐蝕!拭擦完玻璃後,用清水再拭擦一遍,最後將玻璃擦乾。

⒌ 有花紋的毛玻璃一旦髒了,可用蘸有清潔劑的牙刷,順著圖樣擦拭即可去除。此外,也可以在玻璃上滴點煤油或用粉筆灰和石膏粉蘸水塗在玻璃上晾乾,再用乾淨布或棉花擦,這樣玻璃既乾淨又明亮。

⒍ 使用保鮮膜和噴有洗滌劑的濕布也可以讓沾滿油污的玻璃「重獲新生」。首先,將玻璃全面噴上清潔劑,再貼上保鮮膜,使凝固的油漬軟化,過十分鐘後,撕去保鮮膜,再以濕布擦拭即可。要想保持玻璃光潔明亮,必須經常動手清潔,玻璃上若有筆跡,可用橡皮浸水摩擦,然後再用濕布擦拭;玻璃上若有油漆,可用棉花蘸熱醋擦洗;用清潔干布蘸酒精擦拭玻璃,可使其亮如水晶。

㈡ 注意事項

⒈ 在運輸過程中為了避免不必要的損失,一定要注意固定和加軟護墊。一般建議採用豎立的方法運輸。車輛也應該注意保持穩定、慢速。

⒉ 玻璃安裝的另一面是封閉的話,要注意在安裝前清潔好表面。最好使用專用的玻璃清潔劑,並且要待其干透後證實沒有污痕後方可安裝,安裝時最好使用乾淨的建築手套。

⒊ 玻璃的安裝,要使用矽酮密封膠進行固定,在窗戶等安裝中,還需要與橡膠密封條等配合使用。

⒋ 在施工完畢後,要注意加貼防撞警告標誌,一般可以用不干貼、彩色電工膠布等予以提示。

⒌ 平時不要用力碰撞玻璃面,為防玻璃面被刮花,最好鋪上台布。在玻璃家具上擱放東西時,要輕拿輕放,切忌碰撞。

⒍ 玻璃家具最好安放在一個較固定的地方,不要隨意地來回移動;要平穩放置物件,沉重物件應放置玻璃家具底部,防止家具重心不穩造成翻倒。另外,要避免潮濕,遠離爐灶,要與酸、鹼等化工試劑隔絕,防止腐蝕變質。

⒎ 勿用尖銳物品碰撞。

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