Щелочеустойчивое высокопрочное алюмосиликатное стекло

Предлагаемый состав стекла включает SiO2, Al2O3, ZrO2, Na2O, MgO, ZnO и Li2O при следующих соотношениях компонентов (мас.%): SiO2 54,5-56,5, Al2O3 19-21,0, ZrO2 1,0-2,0, Na2O 5,0-6,7, MgO 5,5-6,5, ZnO 7,5-8,8, Li2O 2,5-3,0. Щелочеустойчивость стекла - 1 кл. по ГОСТ 10134.3-82, прочность при поперечном изгибе, МПа - 240-274, термостойкость, К - 440-540. Щелочеустойчивое высокопрочное алюмосиликатное стекло предназначено для смотровых окон промышленных установок, работающих в условиях высоких давлений, температур, со щелочными или углеводородными средами. Техническая задача изобретения - повышение прочности и термостойкости стекла при сохранении высокой щелочеустойчивости. 2 табл.

 

Изобретение относится к составу стекла для смотровых окон промышленных установок, работающих в условиях высоких давлений, температур и со щелочными или углеводородными средами.

К таким стеклам предъявляются следующие требования:

- химическая устойчивость, в том числе
Водостойкость, класс- 1 ГОСТ 10134.1 - 82
Щелочестойкость, класс- 1 ГОСТ 10134.3-82
- термостойкость, К- 230-250
- светопропускание на толщине 10 мм
в видимой области спектра, %- 86-88

Стекла, используемые для смотровых окон промышленных установок, должны выдерживать высокие давления порядка 50-100 МПа. Повысить механическую прочность стекол возможно закалкой, травлением, ионообменным упрочнением и др. Известно, что закаленные стекла отличаются более низкой химической устойчивостью по сравнению с отожженными. Наиболее перспективным способом повышения механической прочности без ухудшения химической устойчивости является метод ионного обмена.

Лучшей системой для осуществления этого метода является алюмосиликатная. Алюмосиликатные стекла отличаются высокой температурой размягчения, используются они для изготовления стеклянных труб, ламп высокого давления, стеклянных изоляторов, стекловолокна и т.п. При разработке стекол этой системы недостаточно уделено внимания разработке щелочеустойчивости при сохранении высокой прочности.

Известен ряд стекол, выпускаемых промышленностью (С.К.Дуброво. Стекла для химико-лабораторных изделий и химической аппаратуры. - М-Л.: Наука, 1965 г.) Например, стекло ДГ 2 состава, мас.% SiO2 - 75, В2О3 - 3,25, Al2О3 - 7,9, BaO - 4,8, Li2O - 0,5, Na2O - 6,8, CaF2 - 1,75. Это стекло используется для выпуска термостойких водомерных трубок и лабораторной посуды. Потери в весе при кипячении в 2 н растворе NaOH составляют 63-66 мг/дм2. Это стекло можно упрочнять методом ионного обмена, но оно имеет малую глубину сжатого слоя при длительном времени выдержки в расплаве соли калия, в результате чего имеет плохую механическую устойчивость. Кроме того, использование фторида кальция загрязняет атмосферу, что ухудшает экологию.

Известно щелочеустойчивое стекло (пат. ЕПВ 1090888 кл. С03С 3/093, опубл. 2001 г.), включающее в мас.%: SiO2 45-60, В2O3 1-5, Al2O3 12-25, ВаО 0-5, SrO 0-5, MgO 5-16, CaO 0-10, ZrO2 0-5, ZnO 5-15, TiO2 0-5, Sb2O3+As2О3 0-1. Стекло может использоваться для смотровых окон и уровнемеров в котлах, упрочняют его воздушной закалкой, оно не пригодно для ионообменного упрочнения, так как не содержит щелочей, а замена двухвалентных ионов нецелесообразна с экономической точки зрения. К тому же закаленные стекла менее химически устойчивы по сравнению с отожженными, исключение составляют стекла, склонные к расслаиванию. Приведенные в патенте ЕВП 1090888 составы стекол имеют низкое светопропускание или имеют окрашивание. Определение химической устойчивости проводилось порошковым методом, поэтому трудно сравнить полученные результаты. Воздушная закалка не позволяет достигать высоких значений механической прочности и термостойкости (данные отсутствуют), а наличие таких компонентов, как ВаО, TiO2, уменьшает щелочеустойчивость стекла. Варка стекла ведется в платиновых тиглях.

Наиболее близким по составу и области применения является состав, включающий в мас.%: SiO2 54-72, Al2О3 0,5-7, ZrO2 10-20, В2O3 0<5, Na2O 3<8, K2O 0-5, MgO 0-10, SrO 0-8, ВаО 0-10, La2О3 0-5, TiO2 0-4, Na2O+K2O 2<8, CaO+MgO+SrO+ВаО>5-24 (Пат. US 6630420 В 1 кл. СО3С 3/087, 2003 г.) Стекло рекомендуется для смотровых окон, ампул, подложек. Щелочеустойчивость этого стекла - 1 класс по ISO 695, недостаток его в том, что содержит в своем составе дорогостоящие компоненты (La2O3), высокое содержание ZrO2 повышает вязкость стекла, а следовательно, и температуру варки, что экономически нецелесообразно. Высокое содержание оксидов ВаО, TiO2, MgO снижает щелочеустойчивость. Составы, имеющие относительно низкие температуры выработки, имеют высокое содержание TiO2 (4%), что приводит к окрашиванию стекла и снижению светопропускания. В патенте указано, что стекло может упрочняться методом ионного обмена, но нет ни одного примера, подтверждающего это утверждение. В патенте нет также данных по светопропусканию. Однако можно отметить, что составы, содержащие TiO2, обычно окрашены в желто-коричневые цвета, что значительно снижает светопропускание. Задачей настоящего изобретения является повышение прочности и термостойкости при сохранении высокой щелочеустойчивости стекла.

Указанная задача достигается тем, что стекло, содержащее SiO2, Al2О3, Na2O, MgO, дополнительно включает ZnO и Li2O при следующем соотношении компонентов, в мас.%: SiO2 54,5-56,5, Al2О3 19,0-21,0, ZrO2 1,0-2,0, Na2O 5,0-6,7, MgO 5,5-6,5, ZnO 7,5-8,8, Li2O 2,5-3,0.

Введение повышенного содержания Al2O3 (19-21%) обусловлено тем, что этот оксид придает стеклу повышенную температуроустойчивость, понижает ТКЛР, улучшает химическую устойчивость, механическую прочность и твердость, но и повышает вязкость стекла. Экспериментально установлено оптимальное количество Al2O3 в предлагаемом составе в пределах 19-21 мас.% ZrO2 улучшает механические свойства стекла, повышает химическую устойчивость особенно к щелочам, понижает ТКЛР и повышает температуру начала деформации, а следовательно, работоспособность изделий из стекла. Однако ZrO2 является интенсивным глушителем, в связи с этим вводить его в количествах более 2,0% в состав предлагаемого стекла нецелесообразно.

При введении в состав стекла SiO2+Al2О3 в количестве 72-78% образуются очень вязкие расплавы. Для осуществления процесса плавления стекольной шихты на печах промышленного типа, снижения вязкости расплава при температуре варки стекольной шихты и для осуществления процесса ионного обмена в состав стекла необходимо ввести Na2O и Li2O в количестве 7,5-9,7%. Li2O является хорошим плавнем, облегчает провар и осветление, снижает ТКЛР в сравнении с Na2O. Оксид лития, обладая большим силовым полем по сравнению с другими щелочами, способствует более плотной упаковке кремнекислородного каркаса, что сказывается на повышении химической устойчивости. Кроме того, при проведении ионного обмена стекла, содержащие Li2O, имеют высокий коэффициент диффузии ионов, что дает возможность получать изделия, имеющие высокую механическую прочность и термостойкость и сохранять их при эксплуатации изделий в условиях высоких давлений и температур.

ZnO снижает ТКЛР стекла, а также вязкость, улучшает химическую устойчивость. Экспериментально установлено оптимальное количество ZnO в предлагаемом составе в пределах 7,5-8,8 мас.%.

Для изучения свойств полученного стекла были приготовлены три состава. Каждый состав стекла варили в пламенной печи прямого нагрева. Температура варки составляла 1500-1520°С. Готовую стекломассу отливали в пластины, из которых в дальнейшем готовили полированные образцы 30×30×4 мм3 для определения щелочеустойчивости в соответствии с ГОСТ 10134.3-82 (МС ИСО 695-75) и определения термостойкости, а для определения механической прочности - шлифованные образцы размером 7×7×70 мм. Образцы подвергали ионообменной обработке в расплаве соли NaNO3 при температуре 450°С и времени выдержки 4 часа. Составы изученных стекол в мас.% приведены в таблице 1.

Таблица 1
Наименование компонентаСодержание компонента
SiO254,8256,1555,61
Al2O320,4419,0319,64
ZrO21,002,001,55
Na2O5,225,96,63
MgO6,006,345,80
ZnO7,677,768,34
Li2O2,572,822,73

Свойства изученных стекол приведены в таблице 2

Таблица 2
Наименование свойствЗначение свойств стекла
Пат. США 6630420 В1ТЛ-1ТЛ-2ТЛ-3
Щелочеустойчивость по ГОСТ 10134.3-84 (ИСО 695-75), мг/дм28-243416,851
Водоустойчивость, класс1111
Прочность при поперечном изгибе, МПаНет данных240274263
Термостойкость, КНет данных440540500
Интегральное светопропускание в видимой области спектра, %Нет данных8686,986,3

Автором установлено, что все вновь вводимые компоненты, в сочетании с другими признаками, в указанных соотношениях обеспечивают достижение цели изобретения. При этом стекло не содержит токсичных, дефицитных и дорогостоящих компонентов. Технология варки его проста и не требует специальных условий.

Стекло, включающее SiO2, Al2О3, ZrO2, Na2O, MgO, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит ZnO и Li2O при следующих соотношениях компонентов, мас.%: SiO2 54,5-56,5, Al2О3 19-21,0, ZrO2 1,0-2,0, Na2O 5,0-6,7, MgO 5,5-6,5, ZnO 7,5-8,8, Li2O 2,5-3,0.



 

Похожие патенты:
Стекло // 2311355
Изобретение относится к области технологии силикатов, в частности к составам стекла, которое может быть использовано для изготовления деталей светотехнических приборов, сортовой посуды, тарных изделий для парфюмерной промышленности.
Изобретение относится к области технологии силикатов и касается составов стекла для световых рассеивателей, используемых в производстве осветительных приборов. .
Стекло // 2303573
Изобретение относится к области технологии силикатов, в частности к составам стекла, которое может быть использовано для изготовления смотровых окон тепловых агрегатов, изделий хозяйственно-бытового назначения.

Стекло // 2073657

Стекло // 2016857
Стекло // 2320554
Изобретение относится к технологии силикатов, а именно к составам стекла, которое может быть использовано в приборостроении, светотехнике
Стекло // 2320555
Изобретение относится к технологии силикатов, а именно к составам стекла, используемого, преимущественно, в приборостроении
Изобретение относится к технологии силикатов и касается составов бариевого хрустального стекла, которое может быть использовано для изготовления световых рассеивателей, изделий декоративно-художественного назначения, сортовой посуды
Стекло // 2328460
Изобретение относится к области технологии силикатов, в частности к составам стекла, которое может быть использовано в производстве световых рассеивателей, витражей, изделий декоративно-художественного назначения
Стекло // 2358923
Изобретение относится к области технологии силикатов, а именно к составам стекол, которые могут быть использованы для изготовления бисера, бижутерии

Стекло // 2599265
Изобретение относится к составам стекол. Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента преломления стекла. Стекло содержит, мас. %: SiO2 44,0-47,0; B2O3 1,0-3,0; СаО 10,5-11,5; ZnO 8,0-10,0; Na2O 4,0-6,0; K2O 13,0-15,0; Sb2O5 2,0-3,0; CdO 10,0-12,0. 1 табл.

Стекло // 2612381
Изобретение относится к технологии силикатов, а именно к производству стекол, которые могут быть использованы для изготовления лабораторной посуды. Стекло содержит, мас.%: SiO2 74,5-83,0, SnO2 0,5-2,0, по крайней мере один компонент из группы BeO, MgO, СаО 15,0-25,0. Технический результат - повышение термостойкости стекла. 1 табл.

Стекло // 2614774
Изобретение относится к технологии силикатов и касается составов хрустальных стекол, которые могут быть использованы для изготовления сортовой посуды. Стекло содержит, мас.%: SiO2 60,0-62,0; Na2O 0,8-1,5; K2O 12,0-12,5; ZnO 1,5-2,1; BaO 11,0-11,2; Sb2O3 1,8-2,0; SrO 1,0-4,0; CaO 8,0-8,5. Технический результат – повышение коэффициента преломления. 1 табл.

Стекло // 2631715
Изобретение относится к технологии силикатов и касается составов стекол, которые могут быть использованы для изготовления изделий декоративно-художественного назначения. Стекло содержит, мас. %: SiO2 53,0-55,0; Al2O3 3,0-6,0; ВаО 16,0-19,0; K2O 8,0-11,0; Fe2O3 4,0-5,0; AgO2 5,5-8,5; NiO 2,5-3,5. Технический результат - снижение температуры варки стекла. 1 табл.

Стекло // 2640220
Изобретение относится к технологии силикатов и касается составов стекол, которые могут быть использованы для изготовления сортовой посуды, изделий декоративно-художественного назначения. Стекло содержит, мас.%: SiO2 45,0-53,0; K2O 8,0-12,0; СаО 5,0-6,0; SrO 4,0-6,0; TiO2 14,7-17,8; PbO 11,0-14,5; SeO2 1,0-1,5; CeO2 0,1-0,3. Технический результат - повышение показателя преломления. 1 табл.

Изобретение относится к составу стекла для смотровых окон промышленных установок, работающих в условиях высоких давлений, температур и со щелочными или углеводородными средами

Наверх