Химическая экспертиза стекла
Экспертиза стекла - исследование вещества и выявление свойств стекла
Независимо от их химического состава и температурной области затвердевания, стекло обладает физико-механическими свойствами твёрдого тела и сверхвязкой жидкости, сохраняя способность обратимого перехода из жидкого состояния в стеклообразное (данное определение позволяет наблюдать, что фигурально к стёклам, в расширительном значении, относят все вещества по аналогии процесса образования и ряда формальных свойств, так называемого стеклообразного состояния — на этом она исчерпывается, поскольку материал, как известно, прежде всего характеризуется своими практическими качествами, которые и определяют более строгую детерминацию стёкол как таковых в материаловедении). Однако вязкость стекла при комнатной температуре настолько велика, что не имеет никакого практического значения — текучесть стекла не проявляется сколь-нибудь заметным образом на периодах времени в десятки и сотни лет.
В настоящее время разработаны материалы чрезвычайно широкого, поистине — универсального диапазона применения, чему служат и присущие изначально (например, прозрачность, отражательная способность, стойкость к агрессивным средам, красота и многие другие) и не свойственные ранее стеклу — синтезированные его качества (например — жаростойкость, прочность, биоактивность, управляемая электропроводность и т. д.). Различные виды стёкол используются во всех сферах человеческой деятельности: от строительства, изобразительного искусства, оптики, медицины — до измерительной техники, высоких технологий и космонавтики, авиации и военной техники.
Химическая экспертиза стекла выявляет следующие физические свойства:
Считается, что минимальную плотность среди силикатных стёкол имеет чистое кварцевое стекло (плавленый кварц) — 2200 кг/м³ (хотя некоторые боросиликатные стёкла являются менее плотными). Напротив, плотность стёкол (хрусталь, свинцовое стекло и др.), содержащих оксиды тяжёлых элементов — свинца, висмута, тантала, бария — достигает 7500 кг/м³. Плотность обычных натрий-кальций-силикатных стёкол, в том числе оконных, колеблется в пределах 2500—2600 кг/м³. При повышении температуры с комнатной до 1300 °C плотность большинства стёкол уменьшается на 6—12 %, то есть в среднем на каждые 100 °C плотность уменьшается на 15 кг/м³.
Также зависит от их химического состава и может изменяться от {\displaystyle 50\cdot 10^{3}} до {\displaystyle 60\cdot 10^{3}} МПа. Для увеличения упругости оксид кремния частично замещают оксидами кальция, алюминия, магния, бора. Оксиды металлов повышают модуль упругости, так как прочность связей МеO значительно выше прочности связи SiО. Модуль сдвига 20 000—30 000 МПа, коэффициент Пуассона 0,25.
У обычных стёкол предел прочности на сжатие составляет от 500 до 2000 МПа (у оконного стекла около 1000 МПа). Предел прочности на растяжение у стекла значительно меньше, именно поэтому предел прочности стекла при изгибе измеряют пределом прочности при растяжении. Данная прочность колеблется в пределах от 35 до 100 МПа. Путём закаливания стекла удаётся повысить его прочность в 3—4 раза. Другим способом повышения прочности является ионообменная диффузия. Также значительно повышает прочность стёкол обработка их поверхности химическими реагентами с целью удаления дефектов поверхности (мельчайших трещин, царапин и так далее).
Как и многие другие свойства, зависит от примесей. По шкале Мооса она составляет 6—7 единиц, что находится между твёрдостью апатита и кварца. Наиболее твёрдыми являются кварцевое и малощелочное боросиликатное стёкла. С увеличением содержания щелочных оксидов твёрдость стекла снижается. Наиболее мягкое — свинцовое стекло.
В области относительно низких температур (ниже температуры плавления) стекло разрушается от механического воздействия без заметной пластической деформации и, таким образом, относится к идеально хрупким материалам (наряду с алмазом и кварцем). Данное свойство может быть отражено удельной ударной вязкостью. Как и в предыдущих случаях, изменение химического состава позволяет регулировать и это свойство: например, введение брома повышает прочность на удар почти вдвое. Для силикатных стёкол ударная вязкость составляет от 1,5 до 2 кН/м, что в 100 раз уступает железу.
Весьма незначительна и равна 0,017—0,032 кал/(см·с·град) или от 0,711 до 1,339 Вт/(м·К). У оконных стёкол это число равно 0,0023 кал/(см·с·град) (0,96 Вт/(м·К)).
Стекло — термопластичный материал, при нагреве оно постепенно размягчается и переходит в жидкость. Переход в жидкость происходит в некотором температурном интервале, величина которого зависит от химического состава стекла. Ниже температуры стеклования Тс стекло приобретает хрупкость. Для обычного силикатного стекла Тс = 425—600 °C. Выше Тс стекло становится жидкостью. При этих температурах стекломасса перерабатывается в изделия.
Экспертиза стеклообразного состояния
Тогда как значение свойства жидкости (и стабильной, и метастабильной) обусловлено лишь её составом, температурой и давлением, значение свойства неравновесной жидкости или стеклообразного вещества зависит ещё и от структурного состояния. В данном случае заманчиво описывать структуру произвольной жидкости единым параметром. Вследствие того весьма широкое применение у специалистов в области стекла получил предложенный А. Тулом способ описания структурного состояния стеклообразного вещества посредством характеристики так называемой структурной температуры Tf (fictive temperature), то есть такой, при которой исследуемое стекло с заданной структурой находится в равновесном состоянии. Впоследствии выявилась практическая невозможность описания стеклообразного состояния одной величиной структурной температуры и необходимость применения целого спектра таких температур. В настоящее время наряду с релаксационной трактовкой стеклование аморфных веществ объясняется формированием при охлаждении достаточного количества межатомных связей, придающего веществу твердотельные свойства, причём выявлено не только изменение Хаусдорфовой размерности системы связей от фрактальной к трёхмерной, но также формирование фрактальных структур при стекловании.
Вязкость аморфных веществ — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества. Обычно расплавы стеклообразующих веществ имеют высокую вязкость по сравнению с расплавами нестеклообразующих веществ.
Экспертиза состава и технологии стёкол
К стеклообразующим веществам относятся:
Оксиды: SiO2; B2O3; P2O5; TeO2; GeO2
Фториды: AlF3 и другие.
Основные группы стекла по химическому составу
В зависимости от основного используемого стеклообразующего вещества, стёкла бывают оксидными, силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные), фторидными, сульфидными и так далее.
В качестве главной составной части в стекле содержится 70—75 % диоксида кремния (SiO2), получаемой из кварцевого песка при условии соответствующей грануляции и свободы от всяких загрязнений. Венецианцы для этого применяли чистый песок из реки По или даже завозили его из Истрии, тогда как богемские стеклоделы получали песок из чистого кварца.
Второй компонент — оксид кальция (CaO) — делает стекло химически стойким и усиливает его блеск. На стекло он идёт в виде извести. Древние египтяне получали оксид кальция из щебня морских раковин, а в Средние века он приготавливался из золы деревьев или морских водорослей, так как известняк в качестве сырья для приготовления стекла был ещё не известен. Первым подмешивать к стеклянной массе мел стали богемские стеклоделы в XVII веке.
Следующей составной частью стекла являются оксиды щелочных металлов — натрия (Na2O) или калия (K2O), нужные для плавки и выделки стекла. Их доля составляет примерно 16—17 %. На стекло они идут в виде соды (Na2CO3) или поташа (K2CO3), которые при высокой температуре разлагаются на оксиды. Соду сначала получали выщелачиванием золы морских водорослей, а в местности, удалённой от моря, применяли содержащий калий поташ, получая его выщелачиванием золы буковых или хвойных деревьев.
Различаются три главных вида стекла:
Содово-известковое стекло
(1Na2O : 1CaO : 6SiO2)
Калийно-известковое стекло
(1K2O : 1CaO : 6SiO2)
Калийно-свинцовое стекло
(1K2O : 1PbO : 6SiO2)
Химическая экспертиза изделий из стекла, керамики и силикатных строительных материалов производится для установления природы объектов, их характерных признаков, идентификации частей изделия, определения механизма разрушения изделия, способов и условий его эксплуатации.
Криминалистическая экспертиза стекла решает специфические задачи, существенно отличающиеся от задач исследования стекла вообще. Целями криминалистической экспертизы являются установление принадлежности исследуемого объекта к материалу или изделию определенного рода или группы, идентификация конкретного изделия, а также установление причин и особенностей механизма разрушения изделия.
Объектами исследования являются осколки и изделия из неорганических стекол (автомобильное, оконное, зеркала, стеклянная посуда и пр.), осколки и изделия из керамики, фарфора, фаянса, облицовочные плитки, частицы и изделия из силикатных строительных материалов (бетоны, кирпичи, блоки, отделочные материалы).
При исследовании изделий из стекла и керамики применяется комплекс физико-химических методов, необходимый и достаточный для выявления значимых признаков. В их число входят поляризационная микроскопия и рефрактометрия (измерение показателей преломления), определение твердости и хрупкости стекла, эмиссионный и люминесцентный спектральный анализ, исследование примесей методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В исследовании причин разрушения стекол широко используются данные о фрактографических признаках в морфологии поверхностей разделения (трещинах) в стеклах.
Примерами задач, которые ставятся перед экспертом, могут быть установление наличия на исследуемых предметах частиц стекла, керамики, определение их состава и свойств, причин разрушения, оказанного воздействие на объект, механизм этого воздействия. Для исследования объектов и их частиц применяют, в основном, микроскопические и оптические методы анализа.
Вопросы, решаемые экспертом:
Имеются ли на предмете-носителе микрочастицы стекла?
К какому виду изделий относятся представленные осколки?
В результате какого воздействия (термическое, механическое, саморазрушение) разрушилось изделие из стекла?
Каково было направление силы, разрушившей объект?
Имеются ли в осыпи с одежды и обуви фрагменты (микрочастицы) строительной керамики?
Экспертиза стекла проводится в экспертно-правовом центре АНО ЭПЦ «Топ Эксперт. Стоимость экспертизы стекла зависит от класса сложности состава и от вопросов, которые ставятся на разрешение перед экспертами АНО «Топ Эксперт». Экспертиза стекла для суда или судебная химическая экспертиза проводится на основании определения суда.
В рамках гражданского и арбитражного производства достаточно предоставить информационное письмо или письмо согласия от экспертного центра АНО «Топ Эксперт» вместе с ходатайством о назначении судебной экспертизы. Если судебная экспертиза необходима в рамках уголовного дела, то следователь выносит постановление о назначении судебной экспертизы.
