ШЫНЫ ҚҰРАМЫ, ҚҰРЫЛЫСЫ.


Шынылардың құрамы мен құрылысы. Шынының негізгі түрлері.

Шыны тарихы ежелгі уақыттан басталған. Египет пен Месопотамида шамамен 6 мың жыл бұрын шыны жасауды білген. Ресейде бірінші шыны зауыты 1638 жылы Воскресенск қаласына (Мәскеу обл.) жақын жерде салынған. Шыны технологиясына отандық ғалымдар: М.В. Ломоносов, Д.И. Менделеев, К.Г. Лаксман, А.А. Лебедев, В.Е. Тищенко және басқалары үлкен үлес қосқан.

Қазіргі заман құрылысында шыныдан жасалған архитекторлық-құрылыстық бұйымдардың қолданыс аясы едәуір кеңейді. Құрылымдық-құрылыстық элементтер - шыны блоктар, шыны профилит пен шыны пакеттер тиімді мөлдір құрылыс материалдары болып келеді. Металл балқытпасында үздіксіз таспа құру жолымен жылтыратылған шыны өндірісі меңгерілді. Беткі қабатын химиялық өңдеу арқылы аса берік беттік шыны алынады, ол кәдімгі шыныдан шамамен 20 есе және шыңдалған шыныдан бірнеше есе берік болып келеді.

Химия және тамақ өнеркәсібінде шыңдалған шыныдан жасалған шыны түтіктер, есіктер қолданылады. Шыныны көпіршіту арқылы механикалық өңдеуге ұшыратуға болатын эффективті жылу өткізбейтін материал — газ шынысын алады.

Шыныдан берік жіптер жасайды, олардан маталар дайындайды, ал соңғысына полимер қосып шыны пластинкаларын алады. Таңдамалы жарық өткізетін шынылар синтезделген, берік, ұзақ ғұмырға шыдайтын шыны кристаллдық материалдар — ситаллдар шығарылады. Төмен температуралы ион алмасу әдісімен (Na+ ионын К+ ионымен алмастырып)  шыныны 4 — 5 есе берік қылады. Осындай технологиямен шыны блоктар, терезе шынысы, шыны ыдыс, шыны профлилит дайындалған.

Аса таза кварц шынысының (КС-4В) технологиясы жасалды, жуандатылған (8 - 30 мм) шынының жаңа технологиясы. Шыны материалтануындағы жаңа сала - шыны, ситаллдар, керамика мен басқа да бейорганикалық материалдар негізінде алынатын және хирургия, ортопедия, стоматологияда қолданылатын биоактивті материалдар синтезі мен оларды алу технологиясы.

Шыны - бірқатар өзіне тән қасиеттері бар, бейорганикалық аморфты термопластикалық материал (микроконгломераттар). Құрылысы мен құрамы бойынша ол қышқылдық және негіздік окситтердің химиялық қосылысынан жасалған, қатайған шын ерітінді типті гомогенді изотропты жүйе болып келеді. Шыны құрамына кіретін оксидтерді шартты түрде шыны түзгіштер мен модификаторлар деп бөледі.

Si02, В203, Р205 оксидтері шыны түзгіштерге жатады, себебі бұл оксидтердің әрқайсысы таза күйінде өздігінен шыны түзе алады (сәйкесінше  силикатты, боратты, фосфатты шынылар). Мысалы, құрамында 100% Si02 болса жұмсару температурасы жоғарылау (1250 °С) кварц шынысын алуға болады. Жұмсару температурасында шынының абсолютті тұтқырлығы 107- 108 Па • с құрайды.

Модифицирлеуші оксидтерді Na2О, К2О, СаО, ВаО, MgO, PbO, А12О3, Fe2О3, Sb2О3, ZnO және т.б. қоса отырып шынының жұмсару температурасын төмендетіп, шыныға қажетті қасиеттер беруге болады. Егер шыны түзгіш бөліктің негізін SiO2 құрайтын болса, онда шыныларды силикатты деп атайды. Қосылатын оксидтердің құрамына байланысты шыныларды алюмосиликатты, боралюмосиликатты, алюмофосфатты және т.с.с. атайды. Шыны құрамын әдетте оксидтердің пайыздық қатынасымен көрсетеді. Құрылыста негізінен силикатты шынылар қолданылады. Шынының химиялық құрамын таңдау арқылы оксидтер қоспасын (шикізат материалдарын) — шихтаны алдын ала дайындайды.

Силикат шынысын алу үшін шихтаны құрамында қажетті оксидтер бар түрлі шикізат материалдарынан дайындайды. Оларға кварц құмы, сода, немесе натрий сульфаты, поташ, ізбестас немесе бор, доломит, пегматит, каолин, дала шпаты және т.б. жатады. Аз мөлшерде шыны сынығын, бояғыштар (мыс, хром, кобальт, марганец және басқа да оксидтер), мөлдірлеткіштер (күшән үшоксиды, селитра және басқалары), тұншықтырғыштарды және т.б. қосады. Соңғы кездерде қалдықтарды да пайдаланады: домна шлактары, құрамында кварц бар материалдар, кальций тетрабораты және т.б. Шикізат материалдарының құрамында әдетте түрлі қоспалар болады, құрамы тұрақсыз болып келеді, сондықтан шыны өндіру кезінде, сонымен қатар шихтаның химиялық құрамын есептегенде осы жағдайларды ескеру қажет.

Ұсатылған компоненттерді қатаң белгіленген мөлшерде (есептеулерге сәйкес) араластыру барабанды немесе тәрелке типті араластырғыштарда жүргізіледі. Дайын шихтаны ванна пешіне (отқа төзімді бөренелерден салынған әуіт) немесе құмыралы пешке салады. Үлкен ванна пештерінің әуіттеріне 2500 т шыны массасы сыйады. Шыны массасы деп 1000 °С -тан жоғары температурада түзілетін шихтаның созымды балқытпасын айтады.

Шихтаның 1100 - 1500 °С температурасында силикат түзілудің, ал температураны әрмен қарай жоғарылатса шыны түзілудің химиялық процесстері жүзеге асады. Шихта біртекті (гомогенді) шыны массасына айналады, бірақ құрамында едәуір мөлшерде газ қоспалары (Н20, С02 және т.б.) болады. Шыны массасының мөлдірленуі мен әрі қарай гомогенизациясы 1500—1600 °С температурасында жүзеге асады, ал тұтқырлығы 10 Па·с шамасына дейін төмендейді де, газ фазасының жойылуын жеңілдетеді. Шыны пісірудің соңғы сатысы — шыны массасын суыту. Шыны массасының суытылуы неғұрлым баяу болса, соғұрлым оның кристалл күйге өту ықтималдығы жоғары болады; суыту жылдамдығы жоғары болған сайын, құрылымның «мұздай» күйі соғұрлым жоғары температураға сәйкес болады.

Пештен алынған шыныны қалыпқа құю тек тұтқырлығы кем дегенде 100 Па*с және көп дегенде 105 Па*с болған кезеде ғана жүзеге аса алады. Қалыпқа құюдың соңғы жағында тұтқырлық 108 Па*с -қа жете алады. Әр түрлі шынылардың тұтқырлығының n температураға тәуелділігі де әр түрлі болады. Әлбетте шыныны шыны массасы ұзын болғанда, салыстырмалы баяу суытқанда жоғары тұтқырлық алынатын жағдайда өңдеген жеңілірек. Мысалы сілтілік шынылар тек жеңіл балқығыш емес, сонымен қатар ұзын.

CaO, MgO, А1203 оксидтерін қосу сілтілік шынылардың қысқаруына алып келеді. Дайын шыны өнімдерін жиі босаңдатуға ұшыратады, яғни жеткілікті жоғары температураға (босаңдату температурасына) дейін қыздыпрып, баяу суытады. Босаңдату арқылы қалыпқа келтірілген материалдағы ішкі температуралық кернеу кетіп, бұйымдарда жарықшақтар пайда болмайды.

Қажет болған жағдайда шыныны қайта қыздырып, балқытуға болады және шыны массасы бастапқы қасиеттерге ие болады, сонымен қатар бұйым формасын өзгертуге болады.

Бейорганикалық шынылар - бұл негізінен субмикрогетерогенді жүйелер, гипотезалардың біріне сүйене отырып олардың құрылысын өлшемі 10 - 300 А болып келетін кристаллитті түзінділер жиынтығы ретінде қарастыруға болады.

Басқа гипотеза бойынша шыны құрылысында үздіксіз ретсіз кеңістікті тор (үш өлшемді) бар, оның түйіндерінде иондар, атомдар немесе атомдар тобы орналақан. Мысалы, кварц шынысында Si иондары тетраэдр центрлерінде орналасқан, ал бұрыштарында - О иондары. Si04 тетраэдрлары өзара байланысқанда (бір оттегі арқылы) төбелерімен үздіксіз кеңістіктік тор немесе шыны қаңқасы түзіледі.

Тетраэдрлар арасындағы бос аралықтарда металл (флюстер) иондары орналасуы мүмкін, мысалы силикат шыныларында. Ондай жағдайда кварц шынысындағыдай коваленттік байланыс қана емес, иондық байланыстар да түзіледі, олар тетраэдрларды біраз ажыратып, көлденең байланыстардың саны мен күшін төмендетіп, шыны тәріздес таза оксидтер құрылысына сай тұрақтылығын азайтады, кристаллдану жеңілірек тоқтайды, балқу температурасы төмендейді.

Кез-келген силикат шынысын құрамы мен құрылысы әр түрлі кремний-қышқылды комплекстер жиынтығы ретінде қарастыруға болады. Лебедевтің кристаллитті гипотезасы мен Захариасеннің ретсіз тор гипотезасы шыныны атомдардың орналасу реттілігінің дәрежесі әр түрлі үздіксіз кеңістіктік тор түріндегі полимерлі түзілім деп қарастырады. Максималды реттелген аймақтар - өте шағын элементарлы ұяшықтардан тұратын кристаллдар немесе ең кіші кристаллдар.

Қазіргі заманда ғалымдардың басым бөлігі полимерлі полиморфты-кристаллды шыны құрылымын ұстанады.

Кристаллоид - молекулалы бөлшектелген және кристаллдануға қабілетті зат бөлшектері. Алыс реттілікті кристаллиттер алыс реттілігі жоқ кристаллоидтарға модифицирленеді, ал полимерлену түсінігі кристаллоидтар қатысатын полиморфты полимерлену түсінігіне ұлғаяды.

Шыны табиғаты мен оның қасиеттері түрлі полиморфты модификациялы (ПМ) кристаллоидтардың концентрациялық қатынасымен және оның сыртқы әсерлерге (температура, қысым және т.б.) байланысты өзгеруімен анықталады. Шыны массасын суытқанда тізбек түйіндерінің, екі және үш өлшемді тор фрагменттерінің  бірігуі мен орын ауыстыруы, яғни полимеризация жүзеге асады; шыны түзілуде анықтаушы болып келетін бір ПМ кристаллоидтарының екінші ПМ кристаллоидтарына айналуы. Осылайша полимер-кристаллитті концепция полимер-кристаллоидты концепцияға айналады, ал шыны түзілу кезінде түрлі кристаллоид ПМ-дері сополимерленетінін ескеретін болсақ, шыны құрылысының полимерлі полиморфты-кристаллоидты концепиясына айналады, онда реттілік пен ретсіздік қатар жүреді.

 

Кварц шынысы.

Кварц шынысы, балқытылған кварц — таза кремний оксидінен тұратын бір компонентті шыны, кремноземнын табиғи түрлерін — сутасты, кварц желісі мен кварц құмын, сонымен қатар синтетикалық кремний диоксидін балқыту жолымен алынады.

Өндірістік кварц шынысының екі түрі бар: мөлдір (оптикалық және техникалық)  және мөлдір емес. Кварц шынысына мөлдір емес қасиет беретін оның құрамындағы жарықты шашырататын таралған ұсақ газ көпіршіктерінің көп мөлшері (диаметрі  0,03 мкм-ден 0,3 мкм-ге шейін). Біртекті сутасты балқыту арқылы алынатын оптикалық мөлдір кварц шынысының құрамында көзге көрінетін газ көпіршіктері болмайды.

Мөлдір емес кварц шынысы көбінесе отқа төзімді, қызуға шыдамды материалдар - кварц керемикасы өндірісінде шикізат ретінде қолданылады.

SiO2 негізіндегі шынылардың ішінде ең төмен сыну көрсеткішіне (ne = 1,46008) және ең жоғары жарық өткізгішіне ие, әсіресе ультракүлгін сәулелер үшін.

Кварц шынысы үшін жоғары термиялық тұрақтылық тән, сызықтық термиялық коэффициенті кем дегенде 1·10−6 К−1 (20 - 1400 °C температура аралығында).

Кварц шынысы — жақсы диэлектр өткізгіш, меншікті электр өткізгіштігі 20 °C-да - 10−14 - 10−16 Ом−1·м−1, диэлектрлік шығын бұрышның тангенсі 20 °C температурада және 1016 Гц  жиілікте - 0,0025-0,0006.

Қолданылуы

Кварц шынысын зертхана ыдыстарын, тигельдер, оптикалық аспаптар, оқшаулағыштар (әсіресе жоғары температуралар үшін), температура ауысымдарына төзімді бұйымдар  жасауда қолданылады. Кварц шынысының аз мөлшердегі кесінділерін Френель линзаларын жасауда пайдаланады. Сонымен қатар отқа төзімді, кыздыруға төзімді материалдар өндірісіде де қолданылады.

Ыдыс-аяқтарға ізбес-натрий-калийлы, қорғасын-калийлы және борсиликатты шынылар қолданылады.

Шынының болжамды құрамы «шынының қалыпты формуласымен» көрсетіледі R2O · RO · 6SiO2, үш силикат құрамындағы R2O — бір валентті оксидтер: Nа2О, Ка2О; RО — екі валентті оксидтер: СаО, МgО, РbО және т.б., кремний оксидтерімен қатар шыны құрамына Аl2О3, Fе2О3 және басқалары кіреді. Кең таралған шынылар құрамында 14-16% бір валентті оксидтер; 11-12% екі валентті оксидтер және 71-75% кремнозем болады.

Шынының химиялық және физикалық қасиеттері ажыратылады.

Химиялық қасиеттеріне шынының химиялық тұрақтылығы, яғни әр түрлі бұзушы орта мен реагенттер әсеріне төтеп беру қасиеті жатады. Шыны химиялық төзімді материалдар қатарына жатады.

Шынының физикалық қасиеттері: тұтқырлығы, тығыздығы, беріктігі, морт сынғыштығы, қаттылығы, термотұрақтылығы және т.б. Тұтқырлық әр шыны типі үшін белгілі температурада тұрақты болып келеді. Түрлі шыны тығыздығы 2,2 - 6,0 (Мг/м³) арасында болады. Ізбес-натрийлы шыны тығыздығы 2,5, ал хрустальдікі шамамен 3,0 және одан да жоғары.

Шыны беріктігі созғанда үлкен емес — 35 - 90 Мн/м², ал сықққанда — 500 - 2000 Мн/м². Сынғыштық — шынының созылмалы деформациясыз соққының әсерінен сыну қасиеті. Шыны өте морт сынғыш зат, МgО мен Аl2О3 оксидтері сынғыштықты төмендетеді. Қаттылық — шынының оған басқа бір дененің кіруіне қарсы тұру қасиеті. Минералогиялық бағанаға сәйкес шыны қаттылығы 4,5-7,5.

Шынының жылуөткізгіштігі өте кішкентай және 0,7 - 1,34 вт/м·град  аралығында жатады. Шынының термиялық ұлғаюы сызықтық ұлғаю коэффициентімен сипатталады, әр түрлі шыны үшін оның мәні 5,8·10-7  -151·10-7 арасында болады, жаппай қолданыстағы шынылардың көбінде ол 100·10-7 мәніне ие. Теримялық тұрақтылық — шынының температураның шұғыл өзгерісіне төтеп беру қабілеті.

Шынының оптикалық қасиеттерінің ішінде негізгілері мөлдірлігі мен шынының сыну көрсеткіштері болып табылады. Шынының мөлдірлігі шынының химиялық құрамына және құрамында темір оксидтерінің болуына байланысты. Түрлі құрамды шынылардың сыну көрсеткіштері 1,475- 1,96 аралығында болады; кәдімгі шыны үшін оның мәні 1,5 шамасын құрайды; хрусталь үшін 1,55 және одан да жоғары.

 

Берілген дәрісті игерген соң білуге қажетті негізгі ұғымдар

Шыны блоктар, шыны профилиттер, шыны пакеттер, газ шыны, шыны негізіндегі биоактивті материалдар, ситалдар, керамикалар, субмикрогетерогенді жүйелер.

Өзін-өзі тексеру сұрақтары

1. Шынының негізгі түрлері мен қолданылу аясы.

2. Қандай оксидтер шыны түзушілерге жатады?

3. Қандай оксидтерді енгізу шынының жұмсару температурасын төмендетеді және шыныға қажетті қасиеттер береді?

4. Силикат шынысын алу барысында шихтаны дайындау?

5. Силикат шынысын қалай қарастыруға болады?