Обработка стекла

РЕФЕРАТ

На тему

Обработка стекла

2009

Развитие физики в последнее время требует от физиков знания основных свойств стекла как материала и способов его обработки.

Мастера, изготовляющие стеклянные приборы и термометры, изучают в профессиональной школе все необходимые и наиболее важные приемы стеклодувного искусства. Некоторое дополнение к этому дает курс для юстировщиков аппаратов и термометров. В учебных планах предусмотрены разделы юстировки приборов для измерения емкостей и температуры, а также указано на необходимость знания систем единиц измерения. Специальные познания в таких областях, как, например, металлические впайки, техника высокого вакуума, можно приобрести только опытом и практикой. Не считаясь с очевидными трудностями, молодые физики и химики сами должны овладеть стеклодувным искусством, наблюдая за работой стеклодувов и практически упражняясь. Отсылая читателя к целому ряду пособий, в которых подробно изложена стеклодувная техника, следует упомянуть о некоторых наиболее важных стеклодувных приемах, которые встречаются в лабораторной практике.

Рис. 1. Вязкость стекла.

На рис. показана кривая изменения вязкости обыкновенного стекла в процессе его нагревания при обработке. На графике отмечены в единицах вязкости основные области этого процесса. Нижняя температура снятия натяжений 1 соответствует температуре, при которой следы внутренних натяжений в стекле по истечении 15 часов становятся исчезающее малыми. При этой температуре вязкость стекла равна 10¹⁴ пуазов. За верхнюю температуру снятия натяжения 2 принимается температура, при которой напряжения в стекле почти полностью исчезают за 15 минут. По Лилье этой температуре соответствует вязкость 10¹⁴ пуазов. Точке превращения 3 соответствует вязкость 10¹³ пуазов. При температуре, соответствующей точке превращения, происходит большее или меньшее изменение электропроводности, теплового расширения и других физических свойств стекла.

В качестве полусырого продукта в большинстве случаев применяются стеклянные трубки, стеклянные палочки, а также изготовленные в стеклодувных мастерских полые детали.

В продаже имеются следующие типы трубок:

Диаметр, MM	Толщина степки
	трубки для сгибания, MM	цилиндрические трубки, MM	пробирные трубки, MM
4—15 14-25 24-35 34—50 50-100	0,75-1,25 1,00—1,50 1,40-2,20 2,00—3,00	0,40—0.75 0,70-1,0 1,00—1,50 1,50—2,00 2,00—3,00	0,40-0,60 0,50—0,75 0,75—1,00

Капиллярные трубки: наружный диаметр от 0,5 до 8 mm, для большей прочности делаются с толстыми стенками. Их толщина должна быть по крайней мере вдвое больше диаметра отверстия капилляра.

Водомерные трубки: диаметр от 10 до 30 мм, толщина стенок составляет V₈ диаметра; часто покрыты с одной стороны белой эмалью. В большинстве случаев из очень тугоплавких стекол.

Тонкостенные трубки: наружный диаметр <10 мм, толщина стенок-<0,4 мм.

Трубки первого и второго типа, а также стеклянные палочки можно изготовлять машинным способом. Обычные допуски на равномерность поперечного сечения и толщину стенок у машинотянутых труб меньше, чем при ручном вытягивании. Для диаметров труб, превышающих 60 мм, пользуются исключительно ручным методом вытягивания.

Основные сорта стекол, применяемые при машинном изготовлении стеклянных трубок:

1) не содержащие свинца, легкоплавкие стекла: LR- и AR-стекло Рур, нормальное стекло осрам, GW-стекло;

2) содержащие свинец стекла: М-стекло, Филипс-стекло, Р56;

3) тугоплавкие стекла: дурап-стекло, приборное стекло 20, разотерм 20, приборное стекло специального назначения, пирекс, пирекс специального типа, феникс, R-стекло.

Начинающим рекомендуется применять тугоплавкое стекло, в котором возникающие натяжения не так легко вызывают излом благодаря малому коэффициенту линейного расширения.

Набор основных и вспомогательных инструментов при стеклодувных работах очень невелик: для работ на стеклодувном столе пользуются пламенем настольной газовой горелки с дутьем, «лампы», а для работ на стационарных стеклянных установках служит переносная ручная горелка с регулируемым пламенем и дутьем.

В большинстве случаев можно довольствоваться настольной горелкой с регулируемым дутьем, какие обычно применяются в лабораториях для прокаливания или нагревания тиглей и т. п. Для того чтобы иметь возможность менян, длину и объем пламени, целесообразно применять насадки с отверстием различного диаметра.

В том случае, если нет газа, для дутья стекла можно пользоваться пропаном, получающимся как побочный продукт при синтезе бензина. Ранее встречавшиеся трудности, связанные со слишком малой скоростью сгорания, в настоящее время устранены благодаря целесообразной конструкции смесительной камеры с газовоздушной регулировкой. Пропан только при определенном соотношении с воздухом дает необходимую скорость горения, которая, во-первых, устраняет срыв пламени и, во-вторых, обеспечивает достаточно резкое острое пламя. Нововведенная смесительная камера обеспечивает наивыгоднейшие соотношения газа и воздуха для различной величины пламен.

Помимо ножа для резки стекла и точильного камня при нем, необходимы шаблоны — различной величины треугольники из листовой латуни на деревянных рукоятках; при работе, во избежание прилипания к вязкому стеклу, их следует время от времени покрывать воском. С помощью этих шаблонов производится отделка кромок, их отбортовка и придавливаемые, расширение концов труб. Кроме того, необходимо иметь стеклодувные пинцеты с надежными железными концами и термоизолированной ножкой; в крайнем случае можно ограничиться медицинским пинцетом длиною 20—30 см с округленными концами. С помощью пинцета можно удалять излишнее количество еще не затвердевшего стекла или зажимать отверстия; эти пинцеты служат также для сдавливания стеклянных палочек при запаивании небольших отверстий или для «сшивания» трещин. Для работ на стационарных стеклодувных аппаратах пинцет, наряду с ручной горелкой, является наиболее важным инструментом.

Стеклодувный стол и стул должны находиться в месте, свободном от сквозняков, и не на солнечном свету. Высота стола и стула должна быть такой, чтобы при работе можно было свободно опереть локти на стол. В том случае, если отсутствует обычный воздуходувный насос, можно использовать водоструйный насос. Хорошо зарекомендовал себя насос Фридрпхса — Алтингера, в котором водоструйный насос, имеющий на конце спиральную стеклянную трубку, впаян внутрь стеклянного сосуда с трубками вверху для выхода воздуха и внизу для отвода воды; благодаря центробежному ускорению, которое приобретает засасываемый воздух, этот насос имеет высокую производительность.

В простейших случаях можно довольствоваться водоструйным насосом, соединенным со склянкой Вульфа, как показано на рис. Вода здесь собирается на дне сосуда и выгоняет засасываемый насосом воздух через второй тубус вверх. Путем дросселирования стока воды и ограничения отбора воздуха давление внутри сосуда может быть поднято до желаемой величины. Надо иметь, однако, B виду, что при чрезмерном дросселировании и при большом расходе воздуха уровень воды поднимается слишком высоко, так что вода может попасть в трубку, отводящую воздух.

Если при обработке какой-либо детали необходимо предохранить ее от влаги, например от дыхания, то воздух можно осушить, пропуская его через осушитель с хлористым кальцием. Также можно подвесить к закрытой трубке резиновый мешок, который при надувании повышает давление в обрабатываемой детали.

Начинающему важно знать, что стеклянную трубку необходимо непрерывно вращать в пламени. При изменении режима дутья об этом вращении часто забывают, что может нанести вред уже начатой работе. Стеклянную трубку охватывают сверху пальцами левой руки так, чтобы она лежала на согнутом среднем и безымянном пальце; вращают ее с помощью большого и указательного пальцев.

Важно обеспечить по возможности равномерное вращение. Основы стеклодувного искусства лучше всего изучить, оттягивая кончики трубок. Если начинающему удается у 10-мм трубы оттянуть симметричный по форме, не очень резко суживающийся конусообразный конец, то начальные основы стеклодувного искусства можно считать освоенными. Далее, важно знать, что стеклянную трубку сначала надо прогреть на холодном, коптящем пламени, прежде чем подвергать ее действию полного пламени газовой горелки. Наиболее горячей частью пламени, как известно, является конец голубого конуса. Трескаются трубки в большинстве случаев вследствие слишком внезапного их нагревания. Вообще, можно сказать, что опасность растрескивания трубки уже миновала, если пламя окрасилось в желтоватый цвет испаряющимися щелочными ионами. Равномерное вращение весьма затруднено в том случае, если стеклянное тело имеет стенки неравномерной толщины или если оно отклоняется от прямолинейной формы. Но здесь может помочь только практика.

Особого обращения требует свинцовое стекло, которое нетрудно узнать по быстрому почернению краев при легком плавлении. Для обработки свинцового стекла необходимо сильно окисляющее пламя, т. е. пламя с избытком воздуха или добавлением кислорода. Свинцовые стекла легко соединяются с металлами и стеклами других сортов и поэтому часто применяются в качестве «переходных стекол».

Если в изделии имеются утолщения, они должны быть раздуты, так как неравномерные места на стенках приводят к возникновению напряжений, которые впоследствии являются причинами появления трещин и разломов. Для того чтобы возникающие напряжения по возможности сгладить еще в. процессе дутья, в особенности у толстостенных приборов, их необходимо после изготовления в течение нескольких минут охлаждать в коптящем пламени. Если дело касается внутренних спаев или очень сложных стеклянных конструкций, то для их охлаждения необходимо иметь в своем распоряжении особую печь или соответствующий футляр. Сравнительно просто здесь можно помочь себе таким приемом: из листового материала делают широкую гильзу, диаметром 60—80 мм, к дну которой в качестве ручки прикрепляют отрезок полосового железа; внутри гильзу обкладывают толстым асбестовым картоном и перед употреблением держат ее отверстием вниз над пламенем горелки до тех пор, пока ее внутренняя полость не раскалится докрасна. Вслед за этим горячую стеклянную деталь вносят в гильзу, закрывают горячим асбестом и держат там до полного остывания.

Водоструйный насос для дутья.

Простой водоструйный прибор для дутья.

Температуры снятия напряжений для различных сортов стекла зависят в основном от критической точки стекла. Толстостенные стеклянные приборы требуют вообще значительно более длительного отжига, чем тонкостенные. Для обычного приборного стекла 3-го гидролитического класса при толщине стенок до 2 мм и температуре снятия напряжений 550°С можно получить полностью свободное от напряжений стекло уже после двух часов охлаждения; подобные же приборы при толщине стенок примерно от 6 до 8 мм должны охлаждаться по меньшей мере 4,5 часа. Остаются ли напряжения в стекле после отжига, проверяют в поляризованном свете, например, рассматривая стекло в различных положениях между пластинками поляроида.

При стеклодувной обработке стационарной аппаратуры и длинных трубок целесообразно пользоваться ручной горелкой. При этом горелка перемещается, а стеклянный прибор или стационарный трубопровод закрепляются на штативах. Простая ручная горелка состоит из двух латунных трубок длиной примерно 20 см и внутренним диаметром около 4—5 мм, которые на большей части своей длины припаяны друг к другу и только на концах, где должны быть насажены шланги для газа и воздуха, несколько отходят друг от друга. Недалеко от верхнего края трубки G имеется боковое отверстие диаметром 4 мм, направленное в сторону трубки L, в обоих стенках которой против середины отверстия в G также делается сквозное отверстие. Такая горелка имеет то преимущество, что ее удобно держать в руке и с ней легко работать благодаря ее малому весу; она дает хорошо заостренное пламя. Для того чтобы продуть отверстие в отрезке стеклянной трубки, на его открытый конец надевают топкий резиновый шланг, другой конец которого берут в рот, вслед за чем нагревают до размягчения часть стеклянной трубки, где требуется сделать отверстие, и дуют в шланг. Тонкие отверстия можно прокалывать, пользуясь раскаленным металлическим острием. Кроме того, Мюнсон для той же цели предложил пользоваться общеизвестным свойством сильных высокочастотных полей пробивать маленькие отверстия. Таким путем могут быть просверлены отверстия диаметром от 1 до 20 мм. В качестве электродов служит жесткая платиновая или золотая проволока диаметром 0,1 мм, вплавленная в кварцевый капилляр. Чтобы избежать трещин в стекле, опыт следует проводить при температуре 300° С. Если необходимо снова закрыть отверстие, то это достигается соответствующим сплющиванием целого куска трубки, а также стягиванием отверстия тонким стеклянным стержнем соответствующего диаметра. Часто необходимо обрабатывать на горелке капиллярную трубку, причем иногда требуется определить диаметр капилляра в ней. Для этого целесообразно применять следующие методы.

Ручная паяльная горелка.

а) Непосредственное измерение игольчатым щупом или с помощью микроскопа. Этим путем можно только определить размер на концах капиллярной трубки. Во многих случаях этого недостаточно вследствие того, что при ручном вытягивании трубок нельзя достичь абсолютной неизменности сечения их капилляра.

б) Косвенные измерения. 1) По высоте подъема жидкостей, например 96% спирта, для которого имеет место формула

»

где d— диаметр капилляра, h— высота подъема спирта; всё в мм. При измерении вводят капиллярную трубку одним концом в плоский стеклянный сосуд, содержащий слой 96% спирта толщиной 1—2 см. Время установления уровня в некоторых капиллярах достигает 2 часов.

2) По сопротивлению потоку движущегося газа. В этом случае пропускают воздух или какой-либо другой газ под постоянным давлением через два последовательно включенных капилляра и измеряют перепад давлений, который пропорционален сопротивлению потока. Это измерение дает квадрат средней площади поперечного сечения.

3) По весу ртутного столбика, определив предварительно его длину в капилляре,

4) По электрическому сопротивлению наполненных ртутью, капилляров. Это измерение дает среднюю площадь поперечного сечения.

Наименьший диаметр d, который можно получить при изготовлении капилляра на стекольном заводе, составляет 0,02—0,03 мм. В настоящее время изготовляют также капилляры четырехугольного сечения, однако с большими отверстиями. Отверстия менее 0,02 мм диаметром в небольших отрезках можно получить путем равномерного нагревания трубки стеклодувной горелкой, а затем очень быстрого растягивания нагретого места. При этом надо обращать внимание на то, чтобы отверстие капилляра не заплавилось полностью.

Б) Обработка поверхности стекол

а) Во многих случаях необходимо очищать поверхность стекла от загрязнений, всегда имеющих место. Жиры и углеводы лучше всего смывать бензин-спирт-эфирными растворителями. Перед употреблением обезжиривающего средства рекомендуется проводить легкое травление поверхности разбавленной плавиковой кислотой. Разбавленная до нескольких процентов плавиковая кислота разъедает незначительный слой стекла и устраняет загрязнения и другие примеси. Ополаскивание в спирте — эфире удаляет частички жира.

Для повышения химической и электрической прочностей стекла применяется обработка его силиконами. Более легкоплавкие стекла при длительном хранении обнаруживают склонность к гидролизу вследствие всегда имеющейся на поверхности влаги. Это уменьшает поверхностное сопротивление. Изолирующие свойства стекла определяются не столько его внутренним, сколько поверхностным сопротивлением. Само по себе стекло является превосходным изолятором, однако обладает неприятным свойством конденсировать на поверхности воду, вследствие чего образуется электролитическая пленка. Снижение поверхностного сопротивления является причиной появления уже при низких температурах поверхностных токов или даже пробоя. При действии высоких напряжений целесообразно покрывать стекло силиконами. Это существенно увеличивает поверхностное сопротивление. Поверхностное сопротивление силиконизированного стекла остается постоянным даже при повышенной относительной влажности.

Этот неожиданный эффект находит ряд технических применений, например для поддержания постоянным напряжения зажигания газосветных трубок или ртутных контактов. К сожалению, силиконизация еще недостаточно устойчива. При действии высоких напряжений тихий разряд или тлеющий разряд разрушает слой силикона; кроме того, силиконы нестойки против атмосферных влияний.

Оправдал себя следующий метод силиконизацни: стекло очищается плавиковой кислотой, продолжительное время высушивается при 180° С и покрывается слоем жидкого силикона. Полностью смоченные силиконом детали выдерживаются затем в сушильном шкафу в течение трех часов при 250° С или в течение четырех-шести часов при 200° С. Силиконизированные стеклянные изделия не обнаруживают поверхностного натяжения. Поэтому в силиконизированных измерительных приборах не наблюдается остаточных явлений.

б) Полупроводниковые слои на стекле. Часто бывает необходимым сделать поверхность стекла электропроводящей. В свинцовых или висмутовых стеклах это нетрудно получить, если их подвергать при высоких температурах многочасовому восстановлению в потоке водорода. Появляющийся при этом на их поверхности черно-серый слой является проводящим.

Поверхностное сопротивление силиконизированных и несиликонизированиых стекол в зависимости от влажности воздуха: / — силиконизированные; Il — несиликонизированные.

Полупроводящие слои с хорошей проводимостью можно также получить, вводя в поверхность стекла некоторые материалы, не содержащиеся в нем. Для этого можно пользоваться методом, применявшимся еще в средние века при изготовлении ирригирующих покрытий. Для этого применяются хлористые соединения олова и треххлористый индий. Известно три технических способа: