Как сделать легкоплавкое стекло
Проект на тему «Получение легкоплавких стекол.»
Получить легкоплавкое бор-свинец-силикатное стекло.
Оборудование и материалы: фарфоровая ступка, пестик; пробирка, пробирочный зажим, спиртовка, весы; кварцевый песок, борная кислота, оксид свинца II, оксид марганца IV.
Для получения легкоплавкого стекла мы взяли за основу следующий состав:
Т.к. в этом составе температура плавления меньше за счет присутствия оксида свинца (II).
Рассчитанные массы веществ, взвесили и перетерла в фарфоровой ступке с помощью пестика.
Полученную шихту внесли в пробирку, сплавили смесь на спиртовке.
Через какое-то время мы наблюдали небольшое вспенивание с последующим образованием вязкой жидкости. После чего попытались вылить содержимое пробирки на керамическую плитку, но жидкость превратилась в твердое вещество на стенках пробирки. Когда смесь остыла мы достали ее из пробирки.
Затем мы повторили опыт, добавив немного оксида марганца для получения фиолетового цвета. Фиолетового цвета мы не образовали, видимо добавили много пигмента.
В ходе работы мы получили прозрачное стекло и темное стекло, добавив пигмент.
В дальнейшем я планирую получать разноцветные стекла с большей температурой плавления, использовав при этом муфельную печь. Ведь в пробирке невозможно достичь высоких температур!
Скачать:
Предварительный просмотр:
Подписи к слайдам:
Получение легкоплавких стекол. Автор работы: ученица 8 класса «Д» Фокина Валерия Алексеевна Руководитель работы: Тимофеева Оксана Владимировна ГБОУ «Школа №2065» Научно-практическая конференция «Шаг в будущее» ( I этап Московского городского конкурса проектных и исследовательских работ обучающихся 2018/2019) 8 декабря 2018г.
Актуальность темы исследования
Экспериментальная часть Мы рассчитали массы веществ, взвесили и перетерли в фарфоровой ступке с помощью пестика.
Экспериментальная часть Полученную шихту внесли в пробирку. Затем начали постепенно нагревать смесь.
Продолжение эксперимента Затем мы решили добавить немного оксида марганца в шихту для получения фиолетового цвета и повторить опыт…
Результат Первое стекло получилось прозрачным. Во втором опыте желаемого цвета не образовалось, видимо добавили много пигмента. Окраска полученного стекла почти черная.
Оригинальная кровля и дизайнерские крыши
Все о кровле и крышах. Проверенные и новейшие материалы, технологии, дизайнерские разработки в производстве и монтаже крыш и кровли в домостроении
000666
Как самому в домашних условиях изготовить стекло своими руками. Методики и технологии самостоятельного изготовления стекла и стеклянных изделий – печи, приспособления и инструменты для плавки стекла
Сегодня мы поговорим о том, как самому в домашних условиях изготовить стекло своими руками. Так же рассмотрим методики и технологии самостоятельного изготовления стекла и стеклянных изделий, а именно печи, приспособления и инструменты для плавки стекла
На заводах и в химических лабораториях стекла получают из шихты — тщательно перемешанной сухой смеси порошкообразных солей, оксидов и других соединений. При нагревании в печах до очень высокой температуры, нередко выше 1500°С, соли разлагаются до оксидов, которые, взаимодействуя между собой, образуют силикаты, бораты, фосфаты и другие устойчивые при высоких температурах соединения. Вместе они и составляют стекло.
Мы будем готовить так называемые легкоплавкие стекла, для которых достаточно лабораторной электрической печи с температурой нагрева до 1000°С. Еще понадобятся тигли, тигельные щипцы (чтобы не обжечься) и небольшая ровная плита, стальная или чугунная. Сначала мы сварим стекло, а потом найдем ему применение.
Перемешайте шпателем на листе бумаги 10 г тетрабората натрия (буры), 20 г оксида свинца и 1,5 г оксида кобальта, просеянных через сито. Это и есть наша шихта. Пересыпьте ее в небольшой тигель и уплотните шпателем так, чтобы получился конус с вершиной в центре тигля. Уплотненная шихта должна занять в тигле не более трех четвертей объема, тогда стекло не будет проливаться.
Щипцами поставьте тигель в электропечь (тигельную или муфельную), нагретую до 800—900 °С, и подождите, пока шихта не сплавится. Об этом судят по выделению пузырьков: как только оно прекратилось, стекло готово. Достаньте тигель щипцами из печи и сразу же вылейте расплавленное стекло на стальную или чугунную плиту с чистой поверхностью. Остывая на плите, стекло образует слиток сине-фиолетового цвета.
Чтобы получить стекла других цветов, замените оксид кобальта другими окрашивающими оксидами. Оксид железа(III) (1—1,5 г) окрасит стекло в коричневый, оксид меди(II) (0,5—1 г)—в зеленый, смесь 0,3 г оксида меди с 1 г оксида кобальта и 1 г оксида железа (III)—в черный цвет. Если же взять только борную кислоту и оксид свинца, то стекло останется бесцветным и прозрачным. Поэкспериментируйте сами с другими оксидами, например, хрома, марганца, никеля, олова.
Стекло измельчите пестиком в фарфоровой ступке, Чтобы не пораниться осколками, обязательно обмотайте руку полотенцем, а ступку с пестиком прикройте чистой тряпкой.
Ссыпьте мелкий стеклянный порошок на толстое стекло, добавьте немного воды и разотрите до сметанообразного состояния курантом — стеклянным или фарфоровым диском с ручкой. Вместо куранта можно взять маленькую плоскодонную ступку или полированный кусок гранита — так поступали старые мастера, когда растирали краски. Полученную массу называют шликером. Его мы будем наносить на поверхность алюминия примерно так же, как это делают, изготовляя украшения.
Очистите поверхность алюминия наждачной бумагой и обезжирьте кипячением в содовом растворе. На чистой поверхности прочертите скальпелем или иглой контур рисунка. Поверхность с помощью обычной кисточки покройте шликером, просушите над пламенем, а потом нагревайте в том же пламени до тех пор, пока стекло не наплавится на металл. У вас получится эмаль.
Если значок невелик, его можно покрывать слоем стекла и нагревать в пламени целиком. Если же изделие более крупное (скажем, табличка с надписью), то надо разбить его на участки и наносить стекло на них поочередно. Чтобы цвет эмали был более интенсивным, нанесите стекло повторно. Таким способом можно получать не только украшения, но и надежные эмалевые покрытия для защиты алюминиевых деталей во всевозможных приборах и моделях. Так как в этом случае эмаль несет дополнительную нагрузку, металлическую поверхность после обезжиривания и промывки желательно покрыть плотной оксидной пленкой; для этого достаточно подержать деталь 5—10 мин в печи с температурой чуть ниже 600°С.
Разумеется, на большую деталь шликер удобнее наносить не кисточкой, а из пульверизатора или просто поливом (но слой должен быть тонким). Подсушите деталь в сушильном шкафу при 50—60°С, а затем перенесите в электропечь, нагретую до 700—800°С.
А еще из легкоплавких стекол можно приготовить окрашенные пластинки для мозаичных работ. Куски битой фарфоровой посуды (их вам всегда дадут в посудном магазине) облейте тонким слоем шликера, просушите при комнатной температуре или в сушильном шкафу и наплавьте стекло на пластинки, выдерживая их в электропечи при температуре не ниже 700°С.
Освоив работу со стеклом, вы можете помочь своим коллегам из биологического кружка: там нередко изготовляют чучела животных, а для чучел нужны разноцветные глаза.
В стальной плите толщиной около 1,5 см высверлите несколько углублений разных размеров с коническим или сферическим дном. Тем же способом, что и прежде, сплавьте разноцветные стекла. Гаммы, пожалуй, хватит, а чтобы изменить интенсивность, чуть увеличьте или уменьшите содержание окрашивающей добавки.
Конечно, легкоплавким стеклам можно найти и другие применения. Но не лучше ли будет, если вы поищете их сами?
И в завершение опытов со стеклом, пользуясь все той же электропечью, попытаемся превратить обыкновенное стекло в цветное. Естественный вопрос: нельзя ли таким способом сделать солнечные очки? Можно, но вряд ли это удастся вам с первого раза, потому что процесс капризен и требует некоторых навыков. Поэтому беритесь за очки только после того, как потренируетесь на кусочках стекла и убедитесь, что результат соответствует ожиданиям.
Основой краски для стекла будет канифоль. Из резинатов, солей кислот, входящих в состав канифоли, вы ранее готовили сиккативы для масляных красок. Вновь обратимся к резинатам, потому что они способны образовывать на стекле тонкую ровную пленку и служить носителями красящего вещества,
В растворе едкого натра концентрацией около 20% растворяйте при помешивании и помня, конечно, об осторожности, кусочки канифоли до тех пор, пока жидкость не станет темно-желтой. Отфильтровав, добавьте немного раствора хлорида железа FeCl3 или другой соли трехвалентного железа. Имейте в виду, что концентрация раствора должна быть небольшой, соль нельзя брать в избытке — осадок гидроксида железа, который в этом случае образуется, нам помешает. Если же концентрация соли невелика, то образуется красный осадок резината железа — он-то там и нужен.
Отфильтруйте красный осадок и высушите его па воздухе, а затем растворите до насыщения в чистом бензине (не автомобильном, а бензине-растворителе) еще лучше было бы взять гексан или петролейный эфир. Кисточкой или пульверизатором окрасьте поверхность стекла тонким слоем, дайте подсохнуть и положите на 5—10 мин в печь, нагретую примерно до 600°С.
Но канифоль относится к органическим веществам, а им такую температуру не выдержать! Правильно, но именно это и нужно — пусть органическая основа выгорит. Тогда на стекле останется тончайшая пленка оксида железа, хорошо сцепленная с поверхностью. И хотя оксид в общем-то непрозрачен, в столь тонком слое он пропускает часть световых лучей, т. е. может служить светофильтром.
Возможно, светозащитный слой покажется вам слишком темным или, напротив, излишне светлым. В таком случае поварьируйте условия опыта — чуть увеличьте или уменьшите концентрацию раствора канифоли, измените время и температуру обжига. Если же вас не устраивает цвет, в который скрашено стекло, замените хлорид железа хлоридом другого металла, но непременно такого, оксид которого ярко окрашен, например хлоридом меди или кобальта.
А когда технология тщательно отработана на кусочках стекла, можно без особого риска совершить превращение обычных очков в солнечные. Не забудьте только вынуть стекла из оправы — пластмассовая оправа не выдержит нагревания в печи точно так же, как канифольная основа.
.
Чтобы получить стекло, песок необходимо расплавить. Вам наверняка приходилось ходить по раскаленному песку в солнечный день, поэтому вы догадываетесь, что для этого его нужно нагреть до очень высоких температур. Кубик льда тает при температуре около 0 С. Песок начинает плавиться при температуре не менее 1710 С, что превышает максимальную температуру нашей привычной духовки почти в семь раз.
Нагревание любого вещества до такой температуры требует больших затрат энергии, а следовательно, и денег. По этой причине при производстве стекла для повседневных нужд стекловары добавляют в песок вещество, помогающее песку плавиться при более низких температурах — примерно 815 С. Обычно этим веществом является кальцинированная сода.
Однако, если при расплаве использовать смесь только песка с кальцинированной содой, можно получить удивительный сорт стекла — стекло, растворяющееся в воде (прямо скажем, не самый лучший выбор для стаканов).
Чтобы стекло не растворялось, нужно добавлять третье вещество. Стекловары прибавляют к песку и соде измельченный известняк (вы наверняка видели этот красивый белый камень).
Стекло, из которого обычно делают окна, зеркала, стаканы, бутылки и лампочки, называется натриево-кальциево-силикатным. Такое стекло очень прочное, а в расплавленном виде ему легко придать нужную форму. Кроме песка, кальцинированной соды и известняка в эту смесь (специалисты говорят «шихту») входит немного окиси магния, окиси алюминия, борной кислоты, а также вещества, предотвращающие образование пузырьков воздуха в этой смеси.
Сильный огонь печи нагревает смесь, пока она не начнет плавиться и не превратится из твердого вещества в тягучую жидкость. Жидкое стекло продолжают прогревать при высоких температурах, пока из него не исчезнут все пузырьки и прожилки поскольку сделанная из него вещь должна быть абсолютно прозрачной. Когда масса стекла становится однородной и чистой, огонь уменьшают и ждут пока стекло превратится в вязкую тягучую массу — как горячий ирис. Затем стекло выливают из печи в отливную машину, где оно разливается по отливным формам и формуется.
Однако при производстве полых вещей, например бутылок, стекло приходится выдувать, как воздушный шарик. Раньше выдувание стекла можно было увидеть во время ярмарок и карнавалов, ныне этот процесс частенько показывают по телевизору. Вы, вероятно, видели, как стеклодувы дуют в кусок горячего стекла, висящего на конце трубки, и создают удивительные фигурки. Но выдувать стекло можно и с помощью машин. Основной принцип стеклодувов — дуть в стеклянную каплю, пока в середине не образуется воздушный пузырь, который станет полостью в готовой вещи.
После того как стеклу придана необходимая форма, его подстерегает новая опасность — оно может треснуть при охлаждении до комнатной температуры. Во избежание этого мастера стараются контролировать процесс охлаждения, подвергая застывающее стекло термообработке. Последний этап обработки — снятие лишних капелек стекла с ручек чашек или полировка тарелок с помощью специальных химикатов, делающих их идеально гладкими.
Ученые до сих пор спорят, чем следует считать стекло — твердым веществом или очень вязкой (сиропообразной) жидкостью. Поскольку стекла окон старых домов внизу толще, а вверху тоньше, некоторые заявляют, что стекло со временем стекает. Однако на это можно возразить, что раньше оконные стекла делали не идеально ровными и люди просто вставляли их в рамы более толстым краем вниз. Даже изделия из стекла времен Древнего Рима не демонстрируют никаких признаков «текучести». Таким образом, пример со старым оконным стеклом не поможет разрешить вопрос, является ли стекло в действительности жидкостью высокой вязкости.
Состав (сырье) для получения стекла в домашних условиях:
Кварцевый песок;
Кальцинированная сода;
Таламит;
Известняк;
Нефелиновый сиенит;
Сульфат натрия.
Как изготавливают стекло в домашних условиях (процесс производства)
Обычно используют в качестве ингредиентов стеклянный лом (битое стекло) плюс вышеперечисленные компоненты.
1) Составные элементы будущего стекла поступают в печь, где все это плавится при температуре 1500 градусов, образуя однородную жидкую массу.
2) Жидкое стекло поступает в гомогенизатор (аппарат для создания стабильных смесей), где оно перемешивается до массы с единой температурой.
3) Горячей массе дают отстояться несколько часов.
Фьюзинг эксперименты. Получение и впаивание в стекло медного рисунка
Задача впаивания в стекло металлов, известна и хорошо проработана за эпоху применения вакуумных электронных приборов. В этой области, спаям стекла с металлами, предъявлялось еще и требование по вакуумплотности. В декоративном применении мы лишены столь суровых рамок, более того — некоторые незначительные дефекты могут выглядеть вполне симпатично. Тем не менее, общие принципы одинаковы. Прежде всего, общий принцип сплавления со стеклом — материалы должны иметь близкий КТР (коэффициент температурного расширения) иначе при остывании изделие разрушится от внутренних напряжений.
Существуют стекла имеющие КТР близкий к некоторым металлам — «платиновые» и «молибденовые». В них хорошо и без напряжений впаиваются соответственно платиновые и молибденовые нетолстые проволочки, служащие в основном электрическими токопроводами. Стекла эти прозрачные и применяются при изготовлении лабораторных приборов.
С некоторыми другими металлами, ситуация облегчается тем, что им можно придать очень малую толщину (в обычных случаях это десятые доли миллиметра) при которой за счет его, металла упругости, внутренние напряжения создаваемые в стекле весьма незначительны. Так дело обстоит с тонкими медными проволоками и фольгой.
Ниже, представлены результаты эксперимента по «ручному» изготовлению простого рисунка из медной фольги и впаиванию его между двух стекол.
Здесь применены стекла для фьюзинга (декоративного спекания в специальной печи) с одинаковым КТР (96) и температурой плавления 720…730 °С. Можно применять любое ровное, относительно легкоплавкое стекло с одинаковым КТР (обеспечить который проще всего отрезав заготовки от одного листа), скорректировав температуру спекания.
Омеднение
Для удобной работы следует сделать заготовку, омеднить стеклянную подложку — наклеить кусочек медной фольги на стекло. Одна из заготовок оклеена фольгой с применением канцелярского силикатного клея (жидкое стекло), две других — кусочками широкой медной ленты с липким слоем китайского производства (для применения в электронике, можно применять в витражной технике Тиффани). Медная фольга должна иметь ровную поверхность без вмятин, допускается окисленная поверхность.
Принципиальная возможность вплавления «оберточной» медной ленты с медным слоем была опробована заранее на отдельной стекляшке.
Кусочек медной липкой ленты вплавлен между двумя полосками желтого прозрачного стекла. По цвету меди видно, что лента отлично впаялась в стекло. Единственный момент — довольно много газовых пузырьков (с обратной стороны), вероятно образующихся при сгорания клея.
Вырезанные заготовки стекла обезжириваются. Липкая медная лента наклеивается очень просто — снимается защитный слой, накладывается на стекло, разглаживается. Здесь применена лента шириной 8 мм.
На стекляшку наносится немного силикатного клея и равномерно распределяется тонким слоем (пальцем), заодно можно мазнуть и зачищенную сторону фольги. Силикатный клей довольно жидкий, лучше нанесённое немного подсушить. Приложить одно к другому, разгладить, прижать (положить сверху небольшой груз). Можно через бумажечку, можно через полиэтиленовую пленку. Быстрее приклеится если весь пакет поместить в теплое место.
После полного высыхания заготовки разбираем пакет, счищаем некрупной шлифовальной шкуркой прилипшую к выступившему клею прокладочную бумагу или пленку.
К зачищенной фольге не допускается касаться пальцами — держать заготовку следует только за торцы. Удобно одеть на не рабочую руку тонкую чистую перчатку. Тем не менее, перед самым нанесением рисунка лучше еще разик счистить окислы ученической резинкой. Оставшиеся после чистки козявки смести чистой малярной кистью.
Нанесение рисунка
Здесь применен ручной способ нанесения. Рисунок выполняется составом стойким к травильному водному раствору химикатов. Лучший — асфальтовый (битумный) лак. Нужна небольшая вентиляция, рисунок выполняется рейсфедером (металлическим или стеклянным), растворяется ацетоном. Удобные самодельные рейсфедеры получаются из медицинских игл. Битумный лак при необходимости сгущают — наливают в небольшую емкость и дают испариться части растворителя.
Существуют также специальные фломастеры для рисования печатных плат (радиолюбительские магазины), и «промышленные» и водостойкие маркеры. Стойкость чернил последних к травильному раствору нужно проверять практически.
Здесь применен «лаковый» маркер с металлической емкостью — ручкой.
К его недостаткам следует отнести относительно высокую стоимость и довольно толстый след.
Сохнет маркер в течении нескольких минут
Травление
Существует ряд травильных растворов пригодных для растворения меди. Опуская рецепт с труднодоступной ныне азотной кислотой, все равно имеем три хороших раствора почти на любой вкус.
Самый недорогой — медный купорос с поваренной солью. Работает не особенно быстро, но с подогревом раствора, процесс сильно оживает.
Хрестоматийный — водный раствор хлорного железа. Всем хорош, но нужно искать в радиолюбительских магазинах, стоит дороже, изрядно красится.
Травильный раствор для барышень (кисейных) — перекись водорода с лимонной кислотой. Недостаток один — дорого.
Для травления мелочей очень удобно использовать мягкие пластиковые пищевые контейнеры с герметичной крышкой — в них можно раствор приготовлять, хранить и травить некрупные заготовки.
В процессе травления на поверхности меди образуются продукты реакции, затрудняющие доступ свежего раствора к меди. Их можно смывать покачиванием, подвешиванием заготовки вниз медью, организацией небольших волн в кювете. Очень удобно взбадривать процесс барботированием — нужен небольшой аквариумный компрессор, шланг от которого без всяких распылителей (удобнее мыть) помещается и фиксируется в толще раствора. Создаваемые этим бормотажем небольшие волны раствора очень ускоряют процесс.
Ускоряет травление и подогрев — удобно греть электричеством, небольшой мощностью (пластиковая емкость), на фото выше, моя кювета стоит на теплой (около 60°С) дровяной плите.
Заготовки следует периодически доставать и осматривать. На фото ниже видно, что тонкая фольга ленты почти вытравилась, фольга, приклеенная силикатным клеем значительно большей толщины — ей еще долго.
После полного растворения незащищенной меди заготовка вытаскивается и споласкивается чистой водой, сушится.
Стирание защитного лака, клея
На стеклянной заготовке остался слой клея, коим была приклеена удаленная часть меди (прямоугольнички с грязными краями на фото выше). Заодно следует удалить и защитный слой маркера (лака). Заготовка оттирается тряпичным тампоном смоченным ацетоном. Штатный клей липкой медной ленты не особенно прочен, и чтобы не повредить наш медный рисунок эти заготовки промывал небольшой малярной кистью.
Остатки силикатного клея также отмываются ацетоном. Здесь пришлось потереть, заодно отковырял лишнее на рисунке.
Впаивание в стекло
Происходит по технологии «фьюзинг» — в специальной печи со сложным контроллером. Наша самодельная печь из электрической конфорки значительно проще, с простым контроллером (приходится управлять процессом вручную по таймеру). Более того, вполне можно обойтись и муфельной печью общего назначения. Специальный керамический тигель для микроволновой печи в данном случае не применим — металлы нельзя помещать в микроволновку.
Заготовки разложены на поду печи на кусочке «керамической бумаги». В порядке эксперимента несколько украсил медный рисунок крошками цветного стекла с таким же (96) КТР, накрыл кусочком прозрачного фьюзингового стекла. Заодно решил доплавить предыдущий эксперимент с желтым стеклом (фольга немного выглядывала с одного края).
Укладка крупного острого осколка в заготовку помеченную стрелочкой была ошибкой — острый осколок внутри растаял первым, и на нем наклоненное верхнее стекло сползло и сплавилось с рыжей стекляшкой.
Для некрупных стекляшек в моей печи температурный профиль таков — нагрев до 720°С — 1 час, 2…5 мин выдержки, резкий сброс температуры до 520°С (приоткрыванием крышки печи), выдержка при 520°С — 1.5 часа, остывание вместе с печью до комнатной температуры.
Результаты эксперимента, выводы
Посмотрим, что у нас получилось.
Рисунок из липкой медной ленты впаивается неплохо, но нужно принимать меры по выходу пузырьков газа от сгорающего клея, иначе они (и много) остаются в стекле.
Вкладывание крошек стекла между низом и верхом, хотя и способны сами стать причиной образования пузырьков, позволяют дольше стеклам не слипнуться и успеть выйти газам.
Несмотря на съехавшее верхнее стекло, видно, что неповрежденные рисунки впаялись, пузырьков очень мало.
Лучше всего удался рисунок из более толстой фольги приклеенной на родственном стеклу силикатном клее (жидкое стекло).