XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Стекло: от песка до шедевра. Сравнительные свойства

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Якушева Д.А. 1

---

1МБОУ СОШ №1 г.Алдан

Ползикова Н.Б. 1

---

1МБОУ СОШ №1 г.Алдан

Работа в формате PDF

3.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Стекло - один их самых распространенных материалов, которые нас окружают. Оно повсюду – окно, зеркало, посуда, некоторые украшения – это всё стекло. Интересно, откуда оно берётся? Где люди его берут? Ведь на планете Земля миллиарды людей и у каждого из них есть потребности: в проникновении солнечных лучей в квартиры через окна, в отражении себя в зеркале, в потреблении пищи из посуды. Где же взять столько стекол?!

Я решила найти ответы на эти вопросы в научной литературе и побеседовать с учителем химии.

Оказывается, состав стекла очень прост: кварцевый песок, сода, известь,бура.

Эти ингредиенты доступны каждому человеку. Получается, каждый может самостоятельно сделать стекло и не покупать его в магазинах?!

Мы решили проверить этот факт, получить стекло из песка и изучить его свойства путем наблюдения.

Интересно получится ли у нас?

Цель исследования:

Приготовить стекло из песка и путем сравнительного анализа изучить свойства стекол, полученных из различного вида песка и компонентов.

Задачи:

1. Изучить историю и технологию производства стекла.

2. Изготовить стекло различными способами

3. Проанализировать, как состав различного песка влияет на свойства стекла.

4. Сделать выводы.

Актуальность выбранной темы: Стекло – один из самых древних и в тоже время самых современных материалов, который окружает нас повсюду. Мы пьем из стеклянных стаканов, смотрим в окна и восхищаемся красотой витражей в храмах. Но мало кто задумывается, как из обычного песка получается такой удивительный материал.

Гипотеза исследования:

Изготовить стекло можно не промышленным способом.

Предмет исследования: полученное стекло.

Объект исследования: кварцевый камень, кварцевый и речной песок

Методы исследования: анализ литературы по тематике исследования, эксперимент, наблюдение, анализ полученных данных.

Необходимые материалы:

Кварцевый камень, металлическая ступка с толкушкой, кухонные весы, лабораторные стаканы с носиком, мерная ложка, стеклянные палочки для перемешивания, кварцевый песок, речной песок, известь, кальцинированная сода, бура, тигли, газовая плитка, маркер, металлический поднос, реактивы для окрашивания, муфельная печь, печь с боковым нагревом (горн) , щипцы, защитные очки, перчатки (краги).

1. Основная (теоретическая) часть

   1. История появления стекла

Прежде всего, стоить признать, что не человек изобрел стекло, а стекло родила сама природа. Первое стекло – обсидиан, возникло из вулканической раскаленной лавы, вырвавшейся на землю из вулкана сотни миллионов лет назад.

Позднее человек стал изготавливать стекло сам. Первое упоминание о стекле, полученного руками человека, дошли до нас из писаний Плиния (древнеримский писатель-эрудит, «Естественной истории». В своих описаниях Плиний рассказал, будто однажды финикийские мореплаватели везли из Африки природную соду. Высадившись на ночлег, на берег, они стали готовить пищу. Вокруг был один песок. Камней под рукой у них не оказалось, и они поставили котел на куски соды. Под воздействием высоких температур песок и сода расплавились, образовав стекло. Неизвестно, достоверно, этим или иным путем появилось на Земле стеклоделие, но в рассказанной Плинем легенде нет ничего не вероятного.

В России стекло появилось период с 10 по 12 век в Киевской Руси.

1.2 Сырье для производства стекла

Сырье для производства стекла чаще всего состоит из 3 ингредиентов: песка, известняка и кальцинированной соды. Песок, или диоксид кремния, является самой популярной основой стекла. Наиболее распространенным сырьем является кварцевый песок (диоксид кремния).

Кварц— это природный твердый, бесцветный камень, внешне напоминающий лед. Песок из него получается вследствие естественного разрушения горных пород (воздействие воды, ветра) и механическим способом (путем дробления машинами на мелкие частицы).

Кальцинированная сода (Карбонат натрия) - природный минерал, который образуется ввиду высыхания соленых озер. Добывается природным естественным (сбор специализированной техникой) и химическими способами (соединение натрия (Na), водорода (H), углерода (C) и кислорода (O). Когда-то ее получали из золы морских водорослей и прибрежных растений, сейчас способ получения соды в основном промышленный. Кальцинированную соду можно купить почти в любом хозяйственном магазине, но многие просто не обращают на нее внимания.

Известь (Негашеная – оксид кальция, гашеная - гидроксид кальция) - природный минерал, горный камень, получаемый механизированным способом (с помощью техники), который разбивают (дробят) на мелкие кусочки и обжигают в печи при высокой температуре, получают оксид кальция - негашеную известь. Если к негашёной извести добавить воду — она начнёт бурно «кипеть», выделяя тепло, и превратится в гидроксид кальция — это и есть гашеная известь.

1.3 Технология производства стекла

Технология производства стекла включает несколько этапов: 

1. Подготовка сырья — компоненты (шихты) тщательно смешивают в определённых пропорциях, чтобы получить стекломассу.

Пропорции компонентов сырья для производства стекла зависят от типа производимого стекла. Типичная формула для обычного оконного стекла включает: 

Кварцевый песок (Диоксид кремния) — основа стекла, 50%. Кварцевый песок очищают от органических примесей и крупных включений, просеивают для удаления слишком больших фрагментов. Маленькие гранулы кварцевых кристаллов при нагревании до высоких температур теряет кристаллическую структуру и плавится. 

Кальцинированная сода (Карбонат натрия) — 12–16%, помогает песку плавиться быстрее, просеивается через сито определённого размера. В процессе варки улетучивается 3,2% соды, поэтому количество её нужно соответственно увеличить. 

Гашеная известь (Гидроксид кальция) — 8–12%, делает будущее стекло прочным, просеивают и при необходимости дробят. После очистки известняк измельчают до порошкообразного состояния с определённой фракцией частиц для равномерного смешивания в стеклянной массе.

Бура (тетраборат натрия или натриевая соль борной кислоты)12–16%, прозрачные кристаллы или белый кристаллический порошок. Бура берётся из природного сырья. Её добывают из отложений солёных озёр. Её добавляют для снижения температуры плавления.

Помимо основных компонентов, в состав стекла часто вводят модифицирующие добавки: оксид алюминия, борный ангидрид и оксиды различных металлов для придания цвета или специальных оптических свойств. Смешанные компоненты закладывают в специальные формы для плавления (тигель) и отправляют в печь.

2. Плавление — смесь нагревается в специальных печах (газоотапливаемой, электрической, горшковой или муфельной) при температуре около 1500-1700°C, при которой компоненты плавятся и образуют однородную стекломассу.

Печь с торцевым пламенем — длинная прямоугольная камера с огневым окном на одном конце. Пламя от горелки проходит через камеру, нагревая сырьё.

Печь с боковым нагревом (горн) — прямоугольная камера с горновым окном, расположенным на одной из боковых стенок, что обеспечивает более эффективную передачу тепла. Тепло в горн поступает от газового баллона через специальные шланги.

Электропечь — использует электричество для выработки тепла, которое затем используется для плавления сырья. Этот тип печи часто используется для производства специальных стёкол, таких как оптическое стекло и боросиликатное стекло.

Муфельная печь - это агрегат, рабочая область которого представляет собой термостойкую полуцилиндрическую камеру из огнеупорного материала, называемую муфелем. В нее и помещают нагреваемую деталь, а название этой емкости происходит от немецкого слова Muffel, переводимого и как «ворчун», и как «кольцо».

Кварцевый песок плавится при температуре 2300 градусов Цельсия. Добавление карбоната натрия (соды) и буры снижает необходимую для стеклообразования температуру до 1500 градусов Цельсия.

Время плавки — варьируется в зависимости от типа печи и конкретного используемого сырья от 30 до 120 мин.

3. Окрашивание стекломассы

При необходимости получения цветного стекла можно получить разнообразные оттенки в зависимости от входящих в состав компонентов. В основной состав добавляют кобальт, титан, медь, железо, сернистые соединения свинца, кадмия и пр. Цвет определяется компонентом или их сочетанием, а интенсивность — объемом используемых веществ.

Существует два метода производства.

Самый простой способ окраски стекла — добавление красителей к массе на этапе плавки. У этого способа есть несколько недостатков: нужно выдерживать определенную температуру, чтобы добавки не улетучились, а расход красителей значительно выше, чем при использовании другой технологии.

Второй метод к обычному прозрачному стеклу добавляется ещё один лист цветного, который в некоторых случаев заменяют цветной пленкой.

Декоративное стекло может быть цветным или прозрачным, но отличается от остальных видов необычной формой и орнаментами.

4. Формование — горячую стекломассу выливают на металлическую поверхность или в специальные формы, где она начинает остывать и принимать нужную форму. В зависимости от желаемого конечного продукта могут использоваться различные методы формования, такие как выдувание, прессование или прокатка.

Формирование производится с использованием двух основных технологий:

процесс Флоат-стекло или наплывное стекло (применяется для изготовления зеркал, окон, дверей, мебели и автомобильных стекол), включает в себя плавание расплавленного стекла во флоат-ванне на слое расплавленного металла (предпочтительно олова, из-за его высокого удельного веса). Стекло течет по оловянной ваннеи образует плавающую ленту одинаковой толщины и гладких поверхностей с обеих сторон. При этом температура постепенно снижается (до 600 °C), и стеклянная лента снимается с ванны роликами. Толщину выходящего продукта можно регулировать, изменяя скорость вращения валика и скорость потока стекла. Обычно ролики размещаются над расплавленным оловом, чтобы регулировать толщину, а также ширину стеклянной ленты.

выдувание стекла, при котором расплавленное стекло наматывается на конец металлической трубки, катается для контроля формы по плоской металлической поверхности (марвер), после чего надувается в пузырь, с помощью выдувной трубки, в которую впрыскивается небольшой объем воздуха. Такое стекло используется для производства бутылок и другой тары.

5. Отжиг — постепенное охлаждение стекла в специальных длинных лерных печах, которое позволяет снять внутренние напряжения и улучшить его прочностные характеристики.

Для качественного отжига продукция проходит несколько этапов обработки:

1. В первой зоне с учетом всех особенностей стеклоизделие либо нагревают, либо охлаждают до необходимой температурной нормы для отжига. При этом используют специальные электрогенераторы.

2. Выравнивание температуры. Чтобы провести эффективную обработку, вся толщина стекла должна быть нагрета равномерно.

3. Изделие поступает во вторую зону. В этой камере происходит процесс ответственного охлаждения. Температура снижается до 410 градусов.

4. Третий этап – медленное охлаждение. Стеклопродукция отдает тепловую энергию, при этом температура опускается до 340 градусов.

5. Заключительная зона – быстрого охлаждения. Попав в данный отдел печи, стеклоизделие остывает с максимальной скоростью до 100 градусов.

Современные печи для отжига стекла оборудованы автоматизированными устройствами, регулирующими процедуру снятия напряжения без вмешательства человека. Специальными датчиками осуществляется спектральный анализ температуры внутри каждой зоны и передается на компьютер, который регулирует работу печи.

Отжиг стеклоизделий дает возможность выпускать высококачественные товары, что не будут поддаваться разрушению от смены температурного режима.

2 Практическая часть

1 этап: Подготовка сырья, взвешивание и смешивание необходимых ингредиентов

В качестве основного сырья для производства стекла мной выбраны 3 вида песка: речной песок, кварцевый песок, измельченный самостоятельно из горного камня (кварца), кварцевый песок.

Необходимое количество разных ингредиентов взвешала на кухонных весах, 1 г. песка, 0,5 г кальцинированной соды, 0,2 г. гашеной извести, 0,5 г. буры.

Все ингредиенты высыпала в пронумерованные лабораторные стаканы (в зависимости от вида песка) и хорошо перемешала. Смеси готовы к плавлению.

2 этап: Плавление

Опыт 1. Я попробовала расплавить нашу смесь кварцевого песка и ингредиентов древним способом в костре. Насыпала примерное количество смеси в костер.

и наблюдала что:со смесью песка, соды, извести, и буры ничего не произошло. После остывания, текстура осталась рассыпчатой и не расплавилась до жидкого состояния (приложение 1)

Опыт не удался. Продолжение опыта с другими видами песка нецелесообразно.Предполагаю, что причина неудачного опыта состоит в низкой температуре пламени костра. Согласно литературных источников температура жара костра зависит от оттенка пламени и составляет: светлый красный — до 450–550 °С; насыщенный красный — до 750–850 °С; яркий красный — около 1000 °С; оранжевый — в пределах 1200 °С; белый — до 1400 °С; яркий белый — до 1550 °С. Температура костра падает, когда прекращается поддержка условий для горения и зависит от размера поленьев, влажности дров, конструкции костра и ветра. Например, тип костра «Шалаш» обеспечивает максимальную температуру 900–1000 °C, а «Звезда» — 700–800 °C.

Наш костер был типа «Шалаш», оранжевого цвета, соответственно температура жара была примерно 900-1000 °С., (вместо необходимых 1500 °С), что недостаточно для расплавления песка в стекло.

Опыт 2. Я попробовала расплавить нашу смесь кварцевого песка измельченного самостоятельно и ингредиентов на портативной (переносной) газовой печке.

После в форму тигля засыпала нашу смесь песка и ингредиентов.

и наблюдала что: в течение 60 минут песок и ингредиенты только потемнели, но не расплавились. Состояние ингредиентов в тигле осталось сыпучим (приложение 2).

Опыт не удался.Продолжение опыта с другими видами песков нецелесообразно. Предполагаю, что причина неудачного опыта состоит в низкой температуре пламени газовой печи и не равномерном нагреве. Согласно литературным источникам, температура пламени на портативной (переносной) газовой печке зависит от модели. Например, по данным обзора газовой мини-плиты Energy GS-300 146004, в работающем состоянии она может достигать 252 °С (по показаниям тепловизора) или 229 °С (по данным бесконтактного термометра). Также есть информация о модели Energy GS-300, которая может производить пламя с температурой до 700 °C.  Важно учитывать, что максимально жарко конфорка газовой плиты горит от нового баллона в тёплую безветренную погоду, а при отрицательных температурах мощность плиты минимальная.

Наша газовая плитка фирмы Energy GS-300, соответственно температура её пламени равна примерно 700 °C., (вместо необходимых 1500 °С), что недостаточно для расплавления песка в стекло. 

Опыт 3. Я попробовала обратиться в местную химлабораторию и расплавить нашу смесь песка разных видов и ингредиентов в муфельной печи. В прокаленные тигли засыпала нашу смесь песка и ингредиентов, поставила при помощи взрослых в раскаленную печь.

и наблюдала что: в течение 60 минут песок и ингредиенты во всех 3-х тиглях раскалились до красного цвета, но не расплавились. После остывания тиглей состояние ингредиентов стало твердым, и было похоже на единый камень. Высыпать полученную массу не получилось. Тигли были испорчены и подлежали утилизации (приложение 3).

Опыт не удался.Предполагаю, что причина неудачного опыта состоит в низкой температуре раскаленной муфельной печи. Согласно приборной панели, температура нашей раскаленной печи составила 930°С (вместо необходимых 1500 °С). Согласно литературным источникам, максимальная температура нагрева стандартных муфельных печей 1200°С(вместо необходимых 1500 °С).

Опыт 4.

Я попробовала обратиться к местному кузнецу и расплавить наш песок разных видов при помощи печи с боковым нагревом (горна). (приложение 4).

В тигель №1 мы засыпали мелкий речной песок с перемешанными ингредиентами (кальцинированная сода, известь, бура).

В тигель №2 мы засыпали кварцевый песок с перемешанными ингредиентами (кальцинированная сода, известь, бура).

В тигель №3 мы засыпали кварцевый песок (измельченный самостоятельно) с перемешанными ингредиентами (кальцинированная сода, известь, бура).

Подготовленные тигли поставила при помощи взрослых в раскаленную печь.

и наблюдала что:

Тигель №1

речной песок и ингредиенты в течение 30 минут раскалились и стали похожими на белый пластилин, с крупинками песка. По стенкам тигля текло что-то похожее на стекло.

Тигель №2

1. кварцевый песок (измельченный самостоятельно) иингредиенты в течение 30 минут раскалились и стали похожими на однородную массу, которая была мягкой и тянущийся. Вылить массу не получилось. Она застыла в тигле и была похожа на мутную глазурь.

2. масса потрескалась, предположительно из-за перепада температуры, из-за отсутствия специальных лерных печей для остывания.

Тигель №3

1. кварцевый песок иингредиенты в течение 30 минут раскалились и стали похожими на однородную массу, которая была прозрачной и тянущийся. Вылить массу не получилось. Она застыла в тигле и была похожа на прозрачное стекло.

2. масса потрескалась, предположительно из-за перепада температуры, из-за отсутствия специальных лерных печей для остывания.

Опыт удался. Предполагаю, что в тиглях, получилось разное по составу и свойствам стекло.

Опыт 5.

Когда мы поняли, что опыт с расплавлением песка при помощи горна удался, я решила попробовать сделать наш лучший образец прозрачного стекла цветными (приложение 5).

В основной состав ингредиентов с кварцевым песком, измельченным самостоятельно я добавила:

1. Немного (0,1 г.) оксида меди

2. Немного (0,1 г.) оксида марганца

Высыпала в предварительно накаленные тигли и повторила процесс плавления.

и наблюдала что:

1. 5. 1. кварцевый песок иингредиенты в течение 30 минут расплавились и стали похожими на однородную цветную массу, буро-зеленого и синего цвета. Вылить массу не получилось. Она застыла в тигле и была похожа на стекло.

      2. масса потрескалась, предположительно из-за перепада температуры, из-за отсутствия специальных лерных печей для остывания.

Опыт удался. В тиглях получилось разное по цвету стекло.

Сравнительные свойства.

Таблица 1

Свойства полученного стекла

Таблица 2

Выводы

1. Стекло, возможно, получить из кварцевого песка, только с примесью специальных ингредиентов.

2. Стекло, возможно, получить только одним способом, с помощью специализированных печей с температурой от 1500 °С и выше. В домашних условиях невозможно.

3. Смесь песка и ингредиентов не возможно расплавить при температуре ниже 1500 °С

4. Цвет стекла можно поменять с помощью специальных реактивов.

5. Полученная стекломасса, должна остывать в специальных печах, чтоб не потрескаться.

6. Не промышленным способом качественное стекло получить невозможно.

Заключение.

Приготовление стекла не промышленным способом возможно и является наглядным экспериментом, который демонстрирует принципы стеклоделия: зависимость свойств материала от сырья. Для использования в быту, такое стекло не подходит.

Гипотеза подтвердилась.

Список литературы

1. Будов В. М., Саркисов П. Д. Производство строительного и технического стекла. М., 1985.

2. 3убанов В. А., Чугунов Е. А., Юдин Н. А. Механическое оборудование стекольных и ситалловых заводов. М., 1984.

3. М.Свешников "Тайны стекла" Детгиз 1955.

4. Справочник Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева, 2000.

5. Шульц М. М. О природе стекла // Природа № 9. 1986.

6. Интернет источник https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/367/1/bulletin_tpu-2004-307-4-25.pdf

Приложение 1

к научной работе

Якушевой Д.А. Опыт 1

\

Приложение 2

к научной работе Якушевой Д.А. Опыт 2

Приложение 3

к научной работе Якушевой Д.А Опыт 3.

Приложение 4

к научной работе Якушевой Д.А. Опыт 4

.

.

.

Приложение 5

к научной работе Якушевой Д.А. Опыт 5

1. тигеля лопнули. Предполагаю,

и з-за высокой температуры горнакварцевыйпесок (с WB