Стекло с высоким содержанием свинца

Хрустальное стекло с высоким содержанием свинца особенно подходит для производства и улучшения ювелирных изделий из стекла, декоративных и бытовых предметов, включая подвески люстр и полуфабрикаты. Это стекло содержит, % мас.: 48-53 кварца SiO₂, 30-33 моноксида свинца PbO, 10-13 суммы оксида калия и оксида натрия К₂О+Na₂O, 1-3 оксида кальция СаО, 0,5-1 оксида цинка ZnO, 0,5-1 триоксида бора В₂О₃, менее 0,3 моноксида бария ВаО, менее 0,3 оксида алюминия Al₂O₃, 0,2-0,5 триоксида сурьмы, 0,006-0,01 оксидов железа. Технический результат изобретения - повышение показателя преломления выше 1,58, повышение светопропускания, механической прочности и химической стойкости. 5 з.п. ф-лы, 2 пр.

 

Область техники

Изобретение относится к хрустальному стеклу с высоким содержанием свинца. Хрустальное стекло преимущественно используется в ювелирном производстве.

Уровень техники

Свойства хрустального стекла, которое используется в области производства бытовых предметов и стеклянных ювелирных украшений, должны соответствовать Директиве ЕС №69/493 от 15 декабря 1969 года по конвергенции юридических правил государств-участников, относящихся к хрустальному стеклу. Директива №69/493/ЕЕС предлагает требования к свойствам хрустального стекла в зависимости от состава, плотности, показателя преломления и твердости поверхности.

Для производства продукции с выраженными оптико-эстетическими свойствами, как правило, используют составы, содержащие моноксид свинца в количестве больше 30% мас. (категория 1, Директива №69/493). В настоящее время наиболее часто используют стекло с высоким содержанием свинца, типичный состав которого включает 48-55% SiO₂, 30-33% PbO, 10-15% K₂O+Na₂O и дополнен стабилизирующими оксидами, такими как Al₂O₃, ZnO, BaO, B₂О₃, и которое имеет следующие свойства:

Наименование свойства	Значение	Определение - регулирующий документ
Плотность	≥3000 кг/м3	CSN 70 0513
Показатель преломления - nD	≥1,545	CSN 70 0545
Средняя дисперсия	≥0,013	CSN 70 0545
Светопропускание	≥93 %	CSN01 1718
Средний коэффициент линейного расширения α(20-300)°С	≥9,0×10-6 К-1	CSN ISO 7991
Температура размягчения - по методу Литтлтона	≥600°С	CSN ISO 7884-6
Водостойкость	HGB3	CSN ISO 719
Модуль Юнга, Е	≥60000 МПа	Измерение скорости УЗ-волн
Коэффициент Пуассона, µ	≥0,2	Измерение скорости УЗ-волн

Используемые в производстве бытовых предметов и ювелирных изделий из стекла и при их использовании изящные хрустальные изделия подвергаются механической и химической деформации (Готц). Под влиянием механических сил края и поверхность этих изделий могут быть повреждены (поцарапаны).

Параллельно с этим фактором действуют физико-химические влияния окружающей среды, в которой находятся эти изделия (Рана).

При комнатной температуре стекло может считаться твердым веществом, и отношение между действующей силой и деформацией при растяжении или давлении выражается законом Гука.

На значения модуля Юнга влияют химический состав, температура, кристаллизация, охлаждение полуфабриката и т.д. (Фандерлик). Значения модуля Юнга связаны с прочностью связей и близостью расположения частиц в структуре стекла. Прочность стекла увеличивается за счет оксидов, которые повышают химическую стойкость (Вольф). Более высокие значения Е означают, что стекло меньше деформируется при действии внешних сил.

Раскрытие изобретения

Изобретение относится к хрустальному стеклу с высоким содержанием свинца, которое имеет хороший показатель преломления >1,58 при 589,3 нм и высокое светопропускание, а также улучшенные механическую прочность и химическую стойкость. Согласно настоящему изобретению улучшение оптико-эстетических и полезных свойств хрустального стекла с высоким содержанием свинца достигнуто составом, содержащим оксиды, % мас:

50-53 кварца SiO₂

30-33 моноксида свинца PbO

10-13 суммы оксида калия и оксида натрия К₂О+Na₂O

1-3 оксида кальция СаО

0,5-1 оксида цинка ZnO

0,5-1 триоксида бора В₂О₃

менее 0,3 моноксида бария ВаО

менее 0,3 оксида алюминия Al₂O₃

0,2-0,5 триоксида сурьмы Sb₂O₃

0,006-0,01 оксидов железа.

В предлагаемом стекле с высоким содержанием свинца депрессивное влияние моноксида бария подавлено и, напротив, позитивное влияние оксида кальция на модуль Юнга Е усилено.

Механические свойства стекла зависят от прочности связи катион - кислород и от способности ионов деформироваться. У двухвалентных элементов потенциал иона убывает по линии Са-Sr-Pb-Ва. Способность ионов свинца деформироваться изменяет порядок элементов в новую линию Са-Sr-Ва-Pb.

Способность ионов свинца деформироваться приводит к тому, что стекло, содержащее свинец, мягче на 20%, чем бариевое стекло. При увеличении содержания PbO значения Е убывают.

Для стекла, содержащего приблизительно 30% PbO от общего состава, модуль Юнга Е <60000 МПа. Путем использования предлагаемого состава согласно настоящему изобретению значение Е увеличится как минимум до 70000 МПа. Преимущество присутствия оксида кальция в стекле, содержащем свинец, согласно настоящему изобретению заключается в том, что химическая стойкость как к воде, так и к кислотам и щелочам возрастает параллельно.

Согласно настоящему изобретению триоксид бора влияет на модуль Юнга Е в очень широких пределах. Если щелочи преобладают над триоксидом бора и отношение радиусов ионов больше чем 2, влияние (фактор) В₂О₃ также достигает при малом количестве максимального увеличения модуля Юнга Е. Оксид бора как неосновной компонент не влияет на химическую стойкость, но увеличивает блеск изделий. Это вызвано ориентацией связей катион - кислород (координационное число 3) для атомов бора. Оксид цинка тогда повышает твердость стекла по сравнению с элементами триады Са-Sr-Ва. По сравнению с этими элементами он также отличается повышенной прочностью связи с кислородом. Оксид цинка улучшает химическую стойкость стекла до эффектов воды. Однако при выщелачивании кислотами и щелочами оксид кальция более эффективен.

Подробное описание вариантов осуществления

Примеры типов изобретения и свойств стекла представлены в ниже:

Пример	1	2
Компоненты стекла	содержание оксидов в	% маc.
Кварц SiO2	51,36	51,22
Моноксид свинца PbO	32,00	31,90
Оксид цинка ZnO	0,71	0,71
Оксид кальция CaO	1,96	1,96
Оксид калия K2O	6,58	6,56
Оксид натрия Na2O	6,31	6,18
Триоксид бора В2О3	0,77	1,16
Оксид алюминия Al2O3	0,1	од
Триоксид сурьмы Sb2O3	0,21	0,21
Оксид неодима Nd2O3	0,002	0,002
Оксид эрбия Er2O3	0,02	0,02
Свойства стекла по типам примеров
TL (°C)	632,8	627,5
TG (°C)	465,35	464,25
Tm (°C)	532,25	523,50
Ttav (°C)	1232	1237
α 10-6 (К-1)	10,4109	9,4568
Показатель преломления при	1,5804*	1,5803*
589,3 нм
Номинальная светлота (безразмерное)	≥93	≥93
Число Аббе	60,21*	60,34*
Класс водостойкости	3	3
Плотность (г/см3)	3,202 (3,180*)	(3,176*)
Твердость при шлифовке (мм3/с)	2,648	2,504
Полируемость (мм3/с)	0,0558	0,0518
* - вычисленные значения

Пример 1 представляет электрически расплавленное стекло с долей 50% мас. стекольного боя. Стекло по примеру 1 может использоваться для производства бытовых предметов, включая подвески люстр и полуфабрикатов, или для производства небольших ювелирных украшений из литого стекла по одноступенчатой технологии.

Пример 2 представляет стекло, расплавленное в газовой установке для изготовления стекла с долей 40% мас. стекольного боя. Стекло по этому примеру предназначено для производства стержней или полуфабрикатов стеклянных ювелирных изделий по одно- и двухступенчатой технологии.

Промышленная применимость

Изобретение особенно подходит для производства стекла для изготовления декоративных предметов и стеклянных ювелирных изделий. Конечно, его также можно использовать в любых других целях, где оно будет применимо из-за его свойств.

1. Свинцовое хрустальное стекло, имеющее показатель преломления более 1,58, отличающееся тем, что оно содержит:
50 - 53% мас. SiO₂
30 - 33% мас. PbO
10 - 13% мас. суммы K₂O+Na₂O, причем содержание K₂O выше, чем содержание Na₂O,
1 - 3% мас. СаО
0,5 - 1% мас. ZnO
0,5 - 1% мас. B₂O₃
менее 0,3% мас. ВаО
менее 0,3% мас. Al₂O₃
0,2 - 0,5% мас. Sb₂0₃
0,006 - 0,01% мас. оксидов железа.

2. Свинцовое хрустальное стекло по п. 1, отличающееся тем, что массовое отношение оксида ВаО и оксида СаО составляет от 1:3 до 1:10.

3. Свинцовое хрустальное стекло по п. 1, отличающееся тем, что сумма, % мас. оксидов B₂O₃ и ZnO составляет ≤2%.

4. Свинцовое хрустальное стекло по п. 1, отличающееся тем, что модуль Юнга Е достигает как минимум 70000 МПа.

5. Свинцовое хрустальное стекло по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит:
51,36% мас. SiO₂
32,00% мас. PbO
6,58% мас. K₂O
6,31% мас. Na₂O
1,96% мас. СаО
0,71% мас. ZnO
0,77% мас. B₂O₃
0,1% мас. Al₂O₃
0,21% мас. Sb₂O₃
0,02% мас. Er₂O₃
0,002% мас. Nd₂O₃.

6. Свинцовое хрустальное стекло по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит:
51,22% мас. SiO₂
31,90% мас. PbO
6,56% мас. K₂O
6,18% мас. Na₂O
1,96% мас. СаО
0,71% мас. ZnO
1,16% мас. B₂O₃
0,1% мас. Al₂O₃
0,21% мас. Sb₂O₃
0,02% мас. Er₂O₃
0,002% мас. Nd₂O₃.