Окисленное и восстановленное стекло, красители и многое другое
Введение в цветное стекло
Стекло
представляет собой аморфное твердое тело, состоящее в основном из диоксида кремния (SiO2,кремний) наряду с добавками для модулирования цвета, прочности и тепловой производительности продукта. Для достижения определенного цвета стекла могут быть добавлены различные переходные металлические соединения. Цветное стекло было вокруг, по крайней мере, с римских времен, когда стекло, датируемое четвертым веком в Галилее, было установлено, что цвета от бледно-голубого до зеленого до янтаря - с цветами, вытекающими из железно-сероводородного хромофора (1).
Окисленные и уменьшенные очки являются терминами, которые часто используются, но мало понял. Короче говоря, различные добавки на основе серы могут быть использованы в производстве стекла, и если сера находится в окисленном состоянии, таких как сульфид, то стекло называется "окисленное стекло". И наоборот, "уменьшенное стекло" - это когда сера присутствует в уменьшенном состоянии, например, сульфат. Уменьшенное/окисленное обозначение не относится вообще к содержанию кремнезема стекла.
Цвет стекла определяется концентрацией, идентичностью и балансом растворов соединений серы и противозаелинов (вышеупомянутые переходные металлы, включая железо, например), манипуляция этим балансом приводит к различным цветам в расплава и, таким образом, конечный продукт(2).
Эта статья будет иметь дело только с силикатными очками.
Почему стекло окрашено?
Стекло может быть окрашено по разным причинам, от требования определенного оттенка до лучшего подарка или рекламы продукта, до обеспечения содержимого стекла защитой от ультрафиолетового излучения, в дополнение к чисто декоративным целям. Цветное стекло, как думал в традиционном смысле, в основном используется только для контейнера стекла, но некоторые добавки к пластине стекла были использованы на протяжении многих лет, которые модулируют цвет от яснокогда-либо так немного.
Янтарное / Коричневое Стекло
Характерный оттенок янтарного стекла, найденный повсюду от пивных бутылок до медицинских банок, обусловлен янтарным хромофором. Этот хромофор состоит из железа, Fe3 ",координируется тетрахедралли тремя кислородными лигандами и одним сульфидом. Таким образом, баланс редокса имеет решающее значение: для уменьшения окружающей среды и может быть недостаточно железа (как это было преобразовано в железо) и избыток сульфида; если окружающая среда слишком окисляется, будет избыток железа и недостаточное содержание сульфида. Крайне важно знать баланс ферросплавов и железа в расплава, атмосферу как внутри, так и выше расплава, и соотношение соединений серы. Помимо физических компонентов, температура самого расплава может влиять на цвет и перенос янтарного стекла (3). Во многих случаях более темная окраска янтаря может быть достигнута с небольшим добавлением
оксида меди
в расплава.
Красный оксид железа
Преимущество использования
оксида железа
в качестве пигмента заключается в том, что он добавляет янтарную окраску из вышеупомянутого янтарного железного хромофора, но не добавляет другие компоненты к расплава. Это окисляющая добавка, и поэтому будет двигаться номер redox к окислительной стороне, связанные с янтаря и коричневого цвета стекла. Оксид железа обычно используется для увеличения содержания железа в железо дефицитных очков, таких, как те, которые иногда могут возникнуть с пиритом.
пирит
Пирит является одним из наиболее распространенных руд железа, и, таким образом, это относительно недорогой источник железа для стекольного производства. В качестве пигмента пирит добавляется в расплавления стекла для производства и янтарной окраски(4), а его использование обеспечивает стекло устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, эффективно поглощая свет в режиме суб-450 нм. Это делает pyrite янтарного стекла особенно хорошо подходит для пищевых продуктов, наркотиков и лабораторных химических веществ. В отличие от оксида железа, пирит описывается как снижая добавка.
Зеленое стекло
Зеленое стекло является другим самым популярным выбором цвета для стекла, в основном в качестве контейнера стекла для пива, вин и газированной воды. Утюг и хром в основном несут ответственность за зеленую окраску, и с помощью
хромированной муки (хромит порошок, железный хромит)
и
железного пирита
в концерте, широкий спектр оттенков зеленого может быть произведено, от изумрудно-зеленого до feuille morte или мертвых цветов листьев.
Грузия зеленый (знаменитый оттенок, связанный с бутылками Coca-Cola) и изумрудно-зеленый производятся с использованием методов окисления, используя как пирит и хромит, в то время как все другие оттенки зеленого, как правило, производятся с использованием методов снижения. До шести килограммов хромита на метрическую тонну песка используются для изумрудно-зеленого стекла (5). Использование хромированной муки предпочтительнее старого метода достижения таких высоких уровней окисления, дихромата калия. Дихромат калия является токсичным и, таким образом, опасно обрабатывать.
Для Грузии зеленый, количество хромита не более 10 из того, что будет использоваться для изумрудно-зеленого стекла используется. Стекло цветного цвета Feuille morte является еще одним гибридом пирит-хромита, где хромированная мука и пирит используются в соотношении 1:2 (т.е. 1 кг хромированной муки и 2 кг пирита на метрическую тонну песка).
Примечательно, что история хромита как стеклянного пигмента, появившегося в 1849 году, примерно через пятьдесят лет после того, как он был использован в качестве глазури пигмента. Природа хромита как огнеупорного материала несколько исключила его из использования в очках, однако оптимальный баланс размера молоть и температуры обеспечил его более широкое принятие(6).
Синие, красные и черные очки
Красное непрозрачное стекло было использовано с египетских времен, и с тех пор разработано в Великобритании железного века, оно было главным образом сформировано стеклом сформированным когда легировано с colloidal медью, и более поздно с оксидом свинца (7.8). В современном стекольном стекле не используются коллоидная медь и свинец, а их оксиды.
При добавлении в стекло расплава, медные соединения образуют равновесие, которое отличается в зависимости от того, находится ли он в окислительных или редуктивных условиях. Окислительная среда создастсистему Cu2 -Cu,которая приводит к синей окраске, сродни сульфату меди; в то время как при условиях уменьшения, система Cu-Cu0 установит, давая рубиново-красную окраску. Ион Cu0 не имеет окраски (9). Оксид меди сам по себе является окисляющим допантом, и добавление его в достаточном количестве приведет к производству черного стекла. Возможно, наиболее визуально привлекательным из всех очков является темно-синий цвет, предоставляемый добавлением оксида кобальта, CoO, к расплава (10).
Глубокое красное стекло также может быть достигнуто с добавлением селенида кадмия в то время как, оксид марганца может быть включен в расплава (11), что приведет к фиолетовый / фиолетовый оттенков, хотя марганца-допинг очки, как правило, не очень ультрафиолетовый устойчивостью.
Количественная добавка: номер окислительно-восстановительного комплекса
Glassmakers в масштабе, как правило, используют термин, называемый "пакет redox номер", чтобы определить ингредиенты, необходимые для определенного цвета стекла, который в целом прокси, как сокращение или окисление расплава. Номера Redox рассчитываются по сумме всех активных компонентов Redox в расплава, добавляя вместе редокс-фактор, умноженный на компонент фракции массы на две метрические тонны песка, для каждого компонента. Особое внимание необходимо уделить использованию культа - наполнителя, - который часто содержит большое количество органического (уменьшаемого) материала, который может легко сбросить пакетный расчет redox. Кроме того, на редокс стекла влияют также условия внутри печи, такие как температура и то, как окисляется атмосфера. Поэтому крайне важно обеспечить, чтобы использовались только высокой чистоты и высококачественные добавки.
Как правило, и особенно в случае стекла, содержащего железо (который является наиболее часто используемым стеклянным красителем): номер redox между 20 и 0 будет производить бесцветные стекла, между 0 и -15 будет производить зеленое стекло, между -15 и -25 будет производить 'feuille morte' стекло и между -20 и -30 будет производить янтарь. Для железо-допингового стекла эти значения, по мере их уменьшения, соответствуют более высокому соотношению Fe2 'к Fe 3 (т.е. больше уменьшению).
Влияние на производственные процессы
Короче говоря, контейнерное стекло производится путем плавления вместе сырья в печи для получения расплава, расплава затем уточнить, формируется и annealed. Циклические процессы отделки могут происходить между и после формирования и annealing шаги. Аннеалинг является метод, используемый для удаления точек стресса в стекле (12). Этот процесс в целом то же самое для стекла пластины, однако формирование заменяется рисунок и прокатки схеме.
Как правило, более низкий редокс (т.е. более сокращающаяся окружающая среда) позволяет лучше перерабатывать и для печи работать при более низкой температуре, обеспечивая экономические и экологические выгоды (13). Кроме того, более низкий редокс означает, что будет меньше сульфата, что, в свою очередь, будет означать лучшее рафинированное стекло.
Еще в 1942 году стало известно, что добавление небольшого количества оксида железа в расплавление привело к повышению эффективности процесса в печи. Было теоретизировано, что ускорение скорости плавления связано с наличием железа, вызывающего лучшую теплопроводность в расплава в целом (14). Добавление соединений к расплава должно быть сделано с большой осторожностью, так как падение температуры может привести к девитации - т.е. кристаллизации расплавленного стекла (15).
Антрацит и фельдспар являются общими добавками к расплава, каждый из которых модулирует свойства расплава:
Антрацит / Carbon
Антрацит не является стеклянным пигментом в своем собственном праве, но он часто используется наряду с соединениями железа и сульфида железа для повышения свойств стекла, обеспечивая желтые/янтарные цвета. Добавление антрацита модулирует общий редокс в пользу сокращения, что может повлиять на обеспечение уровня окраски. Известно, что антрацит может устранить недостатки, вызванные газами в расплава, и может снизить температуру расплава при использовании с хромом и марганцевыми пигментами (16).
полевой шпат
Фельдспар
с точки зрения стеклодела называют «потоком», то есть уменьшает температуру плавления твердого тела. Его включение может означать более низкую температуру в расплава. Флюксы широко используются во всей стекольной и керамической промышленности для их способности содействовать полному сжижению (17). Кроме того, feldspar может позволить себе стеклянные желаемые свойства, такие как повышенная твердость, долговечность и химическая устойчивость (18).
Резюме
Цвет
цветного стекла определяется идентичностью добавок, их составом и балансом редокса в расплава
Пирит
и хромит в значительной степени отвечают за янтарный и зеленый цвета соответственно, с блюзом и красными, обеспечиваемыми медными соединениями, среди других
Баланс
редокса и другие добавки, такие как фельдспар и антрацит, оказывают влияние на общий производственный процесс и конечную производительность стекла
Ссылки
1 J. W. H. Schreurs и R. H. Brill, Археометрия, 1984, 26, 199
2 К. Нассау, MRS Proc., 1985, 61, 427
3 В. Л. Спикс и Ф. Р. Бэкон, Дж. Soc., 1953, 36, 377
4 W. A. Weyl, Цветные очки, Общество стеклянных технологий, Шеффилд, 1951
5 W. Фогель, Стеклянная химия, 2-й ed., Springer-Verlag, Гейдельберг и Берлин, 1994
6 I. C. Freestone и M. Bimson, J. Glass Stud., 2003, 45, 183
7 М. Хьюз, Proc. Прехист. Soc., 1972, 38, 98
8 Р. Х. Брилл и Н. Д. Кэхилл, J. Гласс Стад., 1988, 30, 16
9 H. D. Шрайбер и др., Керамический Транс., 2004, 141, 315
10 Патент США US10246370B2, 2017
11 Патент США US3830639A, 1972, истек
12 Производство стекла, Агентство по охране окружающей среды США, Колумбус, 1976
13 А. Хуберт и др., Влияние Redox в промышленном расплавлении стекла и важность redox control в 77-й конференции по проблемам стекла, Колумбус, 2017
14 Р. Л. Шут и А. Е. Барсук Дж. Soc., 1942, 25, 355
15 Б. Измирлиоглу и З. Йилмаз Дж.Хем. Технологий. Metall., 2015, 50, 404
16 А. Коровьяковский, магистерская магистерская магистерская магистерская магистерская физика, Технологический университет Лаппеенранты, 2016 г.
17 Р. А. Обстье и М. Эпплиер, Понимание Глазури, Американское керамическое общество, Вестервилл, США, 2005
18 А. О. Таннер, Фельдспар и Нефелин Сенит, ежегодник минералов 2015года, Геологическая служба США, Рестон, США, 2015
Для отправки комментария необходимо войти на сайт.