Неорганические материалы в полиграфии

Оглавление 
 

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Неорганическим  материалам присущи негорючесть, высокая  стойкость

к нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая

твердость, хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам. Однако

они обладают повышенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену

температур, слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим усилиям

и имеют большую  плотность по сравнению с органическими  полимерными

материалами.

Основой неорганических материалов являются главным образом

окислы и  бескислородные соединения металлов. Поскольку большинство

неорганических  материалов содержит различные соединения кремния

с другими элементами, эти материалы объединяют общим названием силикатные. В настоящее время применяют не только соединения кремния,

но и чистые окислы алюминия, магния, циркония и другие, обладающие более ценными техническими свойствами, чем обычные силикатные материалы.

Неорганические  материалы подразделяют на неорганическое стекло,

стеклокристаллические материалы — ситаллы и керамику.

1. НЕОРГАНИЧЕСКОЕ СТЕКЛО

Неорганическое  стекло следует рассматривать как особого вида затвердевший раствор — сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных окислов.

Стеклообразное состояние является разновидностью аморфного состояния вещества. При переходе стекла из расплавленного жидкого состояния в твердое аморфное в процессе быстрого охлаждения и нарастания

вязкости беспорядочная  структура, свойственная жидкому состоянию, как бы «замораживается». В связи с этим неорганические стекла характеризуются

неупорядоченностью  и неоднородностью внутреннего  строения.

Стеклообразующий каркас стекла представляет собой неправильную

пространственную  сетку, образованную кремнекислородными тетраэдрами

[SiO₄]^-4 . На рис. 1,а показана такая сетка кварцевого стекла.

 Рисунок 1. Структура неорганического стекла: а – кварцевого; б – натрийсиликатного

При частичном изоморфном замещении кремния в тетраэдрах, например, на алюминий или бор, образуется структурная сетка алюмосиликатного

[Si_хA1О₄]^Z- или боросиликатного [Si_xBO₄] ^Z- стекол. Ионы щелочных (Na, К) и щелочноземельных (Са, Mg, Ва) металлов называются модификаторами; в структурной сетке стекла, они располагаются в промежутках тетраэдрических группировок (рис. 1,б).

Введение Na₂О или других модификаторов разрывает прочные связи

Si - О - Si и  снижает прочность, термо- и химическую стойкость стекла, одновременно облегчая технологию его производства. Большинство стекол имеет рыхлую структуру с внутренней неоднородностью и поверхностными дефектами.

В состав неорганических стекол входят стеклообразующие окислы

кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную

сетку и модифицирующие окислы натрия, калия, лития, кальция, магния,

бария, изменяющие физико-химические свойства стекломассы. Кроме того,

в состав стекла вводят окислы алюминия, железа, свинца, титана, бериллия

и другие, которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но могут

частично замещать стеклообразующие и этим сообщать стеклу нужные

технические характеристики. В связи с этим промышленные стекла являются сложными многокомпонентными системами.

Стекла классифицируют но ряду признаков: по стеклообразующему  веществу, по содержанию модификаторов и по назначению.

В зависимости  от химической природы стеклообразующего вещества

стекла подразделяют на силикатные (Si0₂), алюмосиликатные

(Al₂O₃ — SiO₂), боросиликатные (В₂O₃ — SiO₂), алюмоборосиликатные (А1₂О₃ — В₂O₃ — SiO₂), алюмофосфатные (А1₂O₃ — Р₂O₅ ) и др. По содержанию модификаторов стекла бывают щелочными (содержащими окислы Na₂O, К₂O), бесщёлочными и кварцевыми. По назначению все стекла подразделяют на технические (оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные); строительные (оконные, витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара, посудные, бытовые зеркала и т. п.).

Технические стекла в большинстве относятся к алюмоборосиликатной

группе и  отличаются разнообразием входящих окислов. Стекла выпускаются

промышленностью в виде готовых изделий, заготовок или отдельных деталей.

Общие свойства стекла.

При нагревания стекло плавится в некотором температурном интервале, который зависит от состава. На рисунке 2 показана температура стеклования t_c (вязкость 10¹³ П), ниже которой стекло приобретает хрупкость.

Рисунок 2. Зависимость свойств стекла от температуры: η- вязкость; E – удельный объём и теплосодержание, dE/dt – теплоёмкость и температурный коэффициент линейного расширения; t_с – температура стеклования; t_р – температура размягчения.

Для промышленных силикатных стекол температура стеклования

t_c = 425-600°С, температура размягчения t_p лежит в пределах 600 - 800°С. В интервале температур между t_с и t_p стекла находятся в высоковязком пластическом состоянии. При температурах выше t_p (1000— 1100°С) проводятся все технологические процессы переработки стекломассы в изделия. Свойства стекла, как и всех аморфных тел, изотропны. Плотность колеблется от 2,2 до 6,5 г/см3 (с окислами свинца, бария — до 8 г/см3).

Механические свойства стекла характеризуются высоким сопротивлением

сжатию (50—200 кгс/мм²), низким пределом прочности при растяжении

(3 – 9 кгс/мм²) и изгибе (5 – 15 кгс/мм²). Модуль упругости высокий

(4500 до 10⁴ кгс/мм²), коэффициент Пуассона µ= 0,184 - 0,26. Твердость стекла, как и других неорганических материалов, часто определяется

приближенным  методом царапания по минералогической шкале Мооса

и равна 5—7 единицам (за 10 единиц принята твердость алмаза, за единицу—

талька). Ударная  вязкость стекла низкая, оно хрупкое (а=1,5-2,5 кгс*см/см²). Более высокие механические характеристики имеют стекла бесщёлочного состава и кварцевые.

Важнейшими  специфическими свойствами стекол являются их оптические

свойства: светопрозрачность, отражение, рассеивание, поглощение и преломление света. Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает

до 90%, отражает примерно 8% и поглощает около 1% видимого и частично

инфракрасного света; ультрафиолетовые лучи поглощает  почти полностью.

Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетовых лучей. Коэффициент преломления стекол составляет 1,47 — 1,96, коэффициент

рассеяния (дисперсии) находится в интервале от 20 до 71. Стекло с большим

содержанием РbО поглощает рентгеновские лучи.

Термостойкость  стекла характеризует его долговечность  в условиях

разных изменений  температуры. Она определяется разностью  температур,

которую стекло может выдержать без разрушения при его резком охлаждении в воде (0°С). Зависимость термостойкости стекла от температурного коэффициента линейного расширения и прочности показана на рис. 3.

Рисунок 3. Влияние  теплового расширения (а) и прочности (б) стекла на его термостойкость (по данным Г. М. Бартенёва)

Коэффициент линейного расширения α стекла составляет от 5,6*10^-7 1/°С

(кварцевое)  до 90*1 0^-7 1/°С (строительное), коэффициент теплопроводности— от 0,57 до 1,3 ккал/(М*ч°С). Для большинства видов стекол термостойкость колеблется от 90 до 170°С, а для кварцевого стекла она составляет 800-1000°С. Химическая стойкость стекол зависит от образующих их компонентов; окислы SiO₂, ZrO₂ , ТiO₂ , В₂O₃, АL₂О₃, CaO, MgO, ZnO обеспечивают высокую химическую стойкость, а окислы Li₂O,

Na₂O, K₂O, BaO и РbО, наоборот, способствуют химической коррозии стекла. Механическая прочность и термостойкость стекла могут быть повышены путем закалки и термохимического упрочнения.

Закалка, заключается  в нагреве стекла до температуры выше t_с и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в масле. При этом сопротивление статическим нагрузкам увеличивается в 3 - 6

раз, ударная вязкость в 5 - 7 раз. При закалке повышается также термостойкость стекла.

Термохимическое упрочнение основано на глубоком изменении структуры стекла и свойств его поверхности. Стекло подвергается закалке в подогретых кремнийорганических жидкостях, в результате чего на поверхности материала образуются полимерные пленки; этим создается дополнительное, по сравнению с результатом обычной закалки, упрочнение.

Повышение прочности  и термостойкости можно получить травлением закаленного стекла плавиковой кислотой, в результате чего удаляются поверхностные дефекты, снижающие его качество.

Силикатные  триплексы представляют собой два  листа закаленного стекла

(толщиной 2 - 3 мм), склеенные прозрачной эластичной  полимерной пленкой. При разрушении триплекса образовавшиеся неострые осколки удерживаются на полимерной пленке. Триплексы бывают плоскими и гнутыми.

Термопан —  трехслойное стекло, состоящее из двух стекол и воздушного

промежутка  между ними. Эта воздушная прослойка  обеспечивает теплоизоляцию.

Применение технических  стекол.

Для остекления транспортных средств используют преимущественно триплексы, термопан и закаленные стекла.

Оптические  стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах,

подразделяют  на кроны, отличающиеся малым преломлением, и флинты - с высоким содержанием окиси свинца и большими значениями коэффициента преломления. Тяжелые флинты не пропускают рентгеновские и γ-лучи. Светорассеивающие стекла содержат в своем составе фтор.

Остекление  кабин и помещений, где находятся пульты управления мартеновских и электрических дуговых печей, прокатных станов и подъемных кранов в литейных цехах, выполняется стеклами, содержащими окислы железа и ванадия, которые поглощают около 70% инфракрасного излучения в интервале длин волн 0,7—3 мкм.

Кварцевое стекло вследствие высокой термической  и химической стойкости применяют для тиглей, чаш, труб, наконечников, лабораторной посуды. Близкое по свойствам к кварцевому стеклу, но более технологичное

кварцоидное стекло используют для электроколб, форм для точного литья.

Электропроводящие (полупроводниковые) стекла: халькогенидные и оксидные ванадиевые, находят широкое применение в качестве термисторов,

фотосопротивлений.

Теплозвукоизоляционные  стекловолокнистые материалы. Эти материалы

имеют рыхловолокнистую структуру с большим количеством воздушных

прослоек, волокна  в них располагаются беспорядочно. Такая структура сообщает этим материалам малую объемную массу (от 20 до 130 кг/м³)

и низкую теплопроводность [λ= 0,030 -0,0488 ккал/(м*ч*°С)].

Разновидностями стекловолокнистых материалов являются стекловата,

применение  которой ограничено ее хрупкостью; материалы АСИМ,

АТИМС, АТМ-3, состоящие из стекловолокон, расположенных между двумя

слоями стеклоткани  или стеклосетки, простеганной стеклонитками. Они

применяются в интервале температур от - 60 до 450-600°С. Иногда стекловолокна сочетают с термореактивной смолой, придающей матам более

устойчивую  рыхлую структуру (материал АТИМСС), рабочие температуры— до 150°С. Материалы, вырабатываемые из короткого волокна

и синтетических  смол, называются плитами. Коэффициент  звукопоглощения

плит при  частоте 200-800 Гц равен 0,5; при частоте 8000 Гц - 0,65.

Стекловату, маты, плиты применяют для теплозвукоизоляции кабин

самолетов, кузовов  автомашин, железнодорожных вагонов, тепловозов,

электровозов, корпусов судов, в холодильной технике, ими изолируют различные трубопроводы, автоклавы и т. д.

2. СИТАЛЛЫ (СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ)

Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или

частичной управляемой кристаллизации. Термин «ситаллы» образован от слов: стекло и кристаллы. За рубежом их называют стеклокерамикой, пирокерамами. По структуре и технологии получения ситаллы занимают

промежуточное положение между обычным стеклом  и керамикой. От неорганических стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов — более мелкозернистой и однородной микрокристаллической структурой.

Ситаллы получают путем плавления стекольной шихты  специального

состава с добавкой нуклеаторов (катализаторов), охлаждения расплава до

пластичного состояния и формования из него изделий методами стекольной

технологии  и последующей ситаллизации (кристаллизации), Ситалловые изделия получают также порошковым методом спекания.

В состав стекла, применяемого для получения ситаллов, входят окислы

LiO₂, Al₂O₃, SiO₂, MgO, СаО и др.; катализаторы кристаллизации (нуклеаторы). К числу последних относятся соли светочувствительных металлов Au, Ag, Сu, которые являются коллоидными красителями и находятся в стекле в виде мельчайших коллоидно-дисперсных частиц, а также фтористые и фосфатные соединения, ТiO₂ и др., представляющие собой глушители, распределяющиеся в стекле в виде плохо растворимых частичек. Нуклеаторы имеют кристаллическую решетку, подобную выделяющимся из стекла кристаллическим фазам, и способны в определенных условиях образовывать центры кристаллизации, приводя к равномерному закристаллизовыванию всей массы стекла. Ситаллы подразделяют на фотоситаллы, термоситаллы и шлакоситаллы.

Фотоситаллы получают из стекол литиевой системы с нуклеаторами —

коллоидными красителями. Фотохимический процесс протекает  при облучении стекла ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, при этом