СТЕКЛО С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ СВИНЦА Российский патент 2015 года по МПК C03C3/102 

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.

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.

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.