Страница 20 из 150
Напряжения разрывают ослабленное трещиной стекло вдоль трещины. Появление продольных трещин при нагреве стекла может служить указанием на варварскую протирку внутренней поверхности. Стёкла группы «Пирекса» к таким повреждениям малочувствительны, а кварцевое стекло нечувствительно вовсе. Само собой разумеется, что чистить стекло песком или другими абразивами не следует. Очень грязное стекло, если так уж хочется, можно мыть мылом с чистыми опилками.
Промывка плавиковой кислотой позволяет использовать в работе и сильно повреждённое атмосферной коррозией молибденовое стекло, которое в непротравленном виде совершенно невозможно обрабатывать на горелке из-за сильной кристаллизации и образования микротечей в спаях. Внешний слой, обеднённый щелочными окислами и обогащённый кремнезёмом при этом удаляется.
Травильный раствор для стекла — 5 % HF или 5 % NaHF2 всегда следует иметь под рукой в своей лаборатории. Хранить его, разумеется, следует в плотно закрытой полиэтиленовой (не стеклянной) посуде. На кожу рук он действует слабо, но глаза при работе с ним следует защищать очками.
Свойства стёкол определяются как химическим составом, так и физической структурой, которая, в свою очередь, может формироваться термической обработкой (см. технологию стёкол «Викор» и «кварцоидного» стёкла).
Например, алюмосиликатное стекло, из которых делают внешние колбы натриевых ламп высокого давления (довольно доступное стекло с к.т.р., немногим больше, чем у «Пирекса») имеет микроструктуру, невидимую глазом. Она возникает при охлаждении стекла после варки из-за того, что при низкой температуре стекло распадается на две не растворимые друг в друге при низких температурах стекловидные фазы. Структура этого стекла похожа по виду на поролон, и состоит из кремнезёмистого «скелета», в порах которого находится вторая фаза, обогащённая окислами бора и щёлочных металлов. Это явление называется ликвацией. Судя по тому, что стекло «Пирекс» прозрачно и не рассеивает свет, размер структурных элементов много меньше, чем длина световой волны.
Если изделие из этого алюмосиликатного стекла слегка протравить плавиковой кислотой для уничтожения богатого окисью кремния поверхностного слоя и затем выдержать в горячей разбавленной серной, соляной, а лучше — уксусной кислоте, то борно-щелочная фаза растворится, а крёмнезёмистый скелет сохранит свою форму и внешний вид.
Нагрев затем изделие до температуры несколько сот градусов, можно наблюдать разрушение поверхностного выщелоченного слоя, который претерпевает сильную усадку при нагреве. Этот слой, по структуре похожий на селикагель, удерживает в порах огромное (до 20 %) количество воды.
Изделие из такого стекла с выщелоченным слоем при вакуумной откачке будет «газить», а при прогреве — разрушится, то есть для изготовления ламп оно негодно. (Но для других целей, например для изготовления полупроницаемых мембран, а может быть и адсорбционных криогенных вакуумных насосов, ловушек, оно может оказаться очень кстати).
Плавление выщелоченного стекла этой марки на кислородно-водородной горелке приводит к получению стекла с К.Т.Р. несколько больше, чем у кварца и менее тугоплавкого, чем он. Это стекло можно тем не менее с кварцем спаять.
Таким образом, хранение и обработка изделий из некоторых стёкол требует специальных условий и знания того, что можно и чего нельзя с ними делать. Если соблюдать условия хранения, обработки и эксплуатации, то стёкла описанного выше типа вполне пригодны для работы. (Колбы из этого стекла прекрасно могут служить и годами служат в натриевых лампах вне помещений).
Вообще говоря, неоднородное строение вследствие ликвации имеют многие стёкла, например, оптическое ЛК-5, «Пирекс», а также не стеклянные материалы, полученные из стёкол специального состава — ситаллы.
Специфические требования предъявляются и при обработке специальных стёкол — Линдемановского, — которое содержит ядовитую окись бериллия, очень «коротких» борлантановых и других. Да и мало ли ещё какие стёкла придётся паять!
Для стеклодува-универсала необходимо каждый раз подходить к изготовлению деталей из таких стёкол во всеоружии теоретических знаний и практических навыков. Большое значение имеет изучение как специальной, так и общеобразовательной литературы. Знания необходимо систематически пополнять и систематизировать.
Ниже мы приведём краткие сведения о стёклах, которые можно с пользой применить в лабораторной практике.
Глава 2. Не главное, но необходимое о стекле
Стекло известно человеку с древнейших времён. Ещё древние египтяне умели делать примитивные стёкла, сплавляя песок с содой и, вероятно, с другими компонентами. Не исключено, что технологию его плавки они подсмотрели при попадании соды в костёр, горящий на песке. Дальнейшее совершенствование технологии варки и выработки стёкол шло на протяжении всей истории человека. Делали стекло и в Киевской Руси. Большой вклад в технологию стекла внёс М.В.Ломоносов. Традиционным центром стеклоделия была средневековая Венеция, а позже — центральная Европа.
Мощный рывок в технологии стекла вызвала промышленная революция.
Развитие приборостроения потребовало таких стёкол, о которых раньше и слыхом не слыхали.
Традиционные стёкла «построены на песке». Двуокись кремния составляет в них от 50 % до 100 %. Однако сейчас известны боратные, фосфатные, алюминатные, алюмосиликатные, боросиликатные, галлатные, германатные, теллуритные, фторбериллатные, халькогенидные и даже металлические стёкла. Есть ещё «жидкое стекло» — раствор силиката натрия или калия в воде и органические стёкла (плексиглас). Нас будут интересовать, в основном силикатные, боросиликатные и алюмосиликатные стёкла, которые применяются в виде полуфабрикатов — трубок, палочек, колб, листов.
Стекло можно обрабатывать на горелке, сверлить, шлифовать и полировать, получая детали с точностью поверхности до сотых долей микрона.
Стеклодувы делят стёкла на «твёрдые» и «мягкие». Деление это условно и означает, в первом случае, тугоплавкое стекло с малым коэффициентом терморасширения, а во втором — легкоплавкое с большим. Есть также «длинные» и «короткие» стёкла. Первые медленно размягчаются при нагреве и медленно затвердевают. Вторые быстро становятся жидкими, но зато и быстро затвердевают при понижении температуры.
Стёкла представляют собой, по существу, переохлаждённую жидкость, поэтому они не имеют температуры плавления, а имеют некую условную «температуру размягчения». Она определяется, исходя из ситуации. Выше неё стекло пластично, а ниже — это твёрдое тело. Наиболее низкую из «нормальных» стёкол температуру размягчения имеет сплав окислов свинца и бора — около 250°. Наиболее высокую — 1200°— кварцевое стекло.
Будучи жидким, стекло может кристаллизоваться в определённом интервале температур. При обработке на горелке это приводит изделие в негодность. Однако, закристаллизовав стекло в специальных условиях, можно получить новый материал — ситалл. Ситаллов существует много видов и они имеют интересные и ценные для практики качества, но здесь мы их рассматривать не будем. Далее мы рассмотрим и кратко охарактеризуем те стёкла, с которыми наиболее часто приходится встречаться в лабораторной практике.
«Платиновые» стёкла
В них нет платины и других благородных металлов. Просто их можно спаять с платиной и этот спай не растрескается при охлаждении. Нет и молибдена в «молибденовом» стекле. А вот свинец в свинцовом стекле есть! Часто процентов тридцать окиси свинца. Такое стекло особо вакуум-плотное, «длинное» и хорошо паяется с другими стёклами, но темнеет при обработке на горелке. Посуду из свинцового стекла называют «хрустальной». С «горным хрусталём» — кристаллическим кварцем это стекло имеет не много общего.
Подробнее о стёклах можно прочитать в интересной книге М.В.Артамонова (и других авторов) «Химическая технология стекла и ситаллов.» — Стройиздат, 1983.