Szkło

Z Wikipedii

Szkło – według normy ASTM-162 (1983 r.) szkło zdefiniowane jest jako nieorganiczny materiał który został schłodzony do stanu stałego bez krystalizacji.

W literaturze można spotkać wiele mniej lub bardziej poprawnych definicji szkła czy też jak wolą niektórzy stanu szklistego. Najbardziej popularne jest prawdopodobnie definiowanie tego stanu w oparciu o budowę wewnętrzną, mianowicie że nie posiada ona uporządkowania dalekiego zasięgu. Sposób rozmieszczenia podstawowych elementów sieci przestrzennej szkła przypomina rozmieszczenie molekuł w cieczy lub nawet gazie przy czym nie posiadają one możliwości przemieszczania się lub też możliwość ich ruchu jest ekstremalnie mała z powodu bardzo dużej lepkości. Z punktu widzenia termodynamiki szkło jest materiałem nietrwałym – stan energetyczny sieci amorficznej jest wyższy od jej krystalicznego odpowiednika. Z tego względu każde szkło wykazuje dążność do krystalizacji, jednak nie dochodzi do niej nawet po bardzo długim okresie czasu z powodu lepkości - jej wartość w warunkach normalnych jest taka sama jak dla krystalicznych ciał stałych. Wiele szkieł nie skrystalizuje nigdy – nawet w skali czasu wszechświata.

Twierdzenie, że szkło jest cieczą lub przechłodzoną cieczą jest nieprawdziwe. Ze względu na właściwości reologiczne jest to ciało stałe. Ponadto określenie ciecz przechłodzona jest zdefiniowane i oznacza ono tylko tyle że dana substancja poniżej temperatury krystalizacji znajduje się w stanie ciekłym ze wszystkimi tego konsekwencjami tj. nadal jest płynna – jej molekuły mogą się między sobą przemieszczać – innymi słowy jej lepkość jest nadal mała. W przypadku szkła tak klasycznego – z więźbą krzemionkową – jak zeszklonych metali – mamy do czynienia z substancją, która poza wszelką wątpliwością jest w stanie stałym. Znanych jest wiele materiałów krystalicznych, które „płyną” o wiele bardziej intensywnie niż szkła i nie odbiera im się miana ciał stałych.

Szkła tradycyjne – tj. takie, które w sposób naturalny przechodzą ze stopu do stanu szklistego, posiadają w swojej budowie uporządkowanie bliskiego zasięgu – jest to jedna z przyczyn dużego wzrostu lepkości stopu w miarę zmniejszania się temperatury. Zjawisko to w efekcie prowadzi do tego, że materiał zastyga „zamrażając" w sobie strukturę cieczy. Innymi słowy opory wewnętrzne są tak duże, że uniemożliwiają krystalizację. Żeby do niej doszło stop musi przebywać w warunkach w których z termodynamicznego punktu widzenia krystalizacja jest możliwa i dodatkowo kiedy lepkość stopu jest na tyle mała aby ruchy molekuł były możliwe. Zdolność do krystalizacji (wzrostu kryształów) maleje tutaj wraz ze spadkiem temperatury. W przypadku metali aby uzyskać stan szklisty konieczne jest bardzo szybkie chłodzenie (mowa tu o „szybkościach” studzenia rzędu ok. 10⁶K/s), które uniemożliwi utworzenie krystalicznej struktury.

Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła jest piasek kwarcowy oraz dodatki, najczęściej: węglan sodu (Na₂CO₃) i węglan wapnia (CaCO₃), topniki: tlenki boru i ołowiu (B₂O₃, PbO) oraz pigmenty, którymi są zazwyczaj tlenki metali przejściowych (kadm, mangan i inne). Surowce są mieszane, topione w piecu (tzw. wannie szklarskiej) w temperaturze 1200-1300°C(dzięki dodaniu węglanu sodu), po czym formowane w wyroby przed pełnym skrzepnięciem. Naturalne szkło, jak obsydian, wykorzystywano jako broń w Ameryce. Produkcja szkła znana była już ponad pięć tysięcy lat temu. W I w. p.n.e. znano metodę wytwarzania przedmiotów przez wydmuchiwanie, w XIX w. wynaleziono metodę odlewania. Po dodaniu do masy szklanej odpowiednich tlenków metali można otrzymać szkło barwne. Przykłady:

• szkło zielone zawiera związki żelaza(III) i chromu(III),
• szkło niebieskie zawiera związki kobaltu(II) i miedzi(II),
• szkło fioletowe zawiera związki manganu(VII),
• szkło żółte zawiera związki kadmu i siarki,
• szkło czerwone zawiera koloidalne cząsteczki złota.

Spis treści 1 Dawna metoda wytwarzania szyb okiennych 2 Właściwości szkła 3 Klasyfikacja szkła 3.1 Niektóre rodzaje szkła budowlanego 4 Bibliografia 5 Zobacz też

[edytuj] Dawna metoda wytwarzania szyb okiennych

Kto i kiedy wpadł na pomysł, żeby zmienić piasek kwarcowy w szkło, dokładnie nie wiadomo. Archeolodzy ustalili, że zaczęto je produkować najpierw w Mezopotamii, a najstarsze ślady jego użytkowania pochodzą sprzed 3,5 tys. lat. "Science" dowodzi w publikacji - Thilo Rehren z University College w Londynie i Edgar Pusch z Pelizaeus-Museum w Hildesheim w Niemczech o odkryciu w północnym Egipcie pozostałości fabryki szkła z roku 1250 p.n.e

Technika wytwarzania cienkich, płaskich szyb okiennych została udoskonalona w XIV wieku we francuskiej Normandii. Rzemieślnicy wydmuchiwali wówczas pojedyncze szyby, zwane gomółkami szklanymi. Wytrawny szklarz był w stanie wydmuchać ok. tuzina szyb dziennie i dlatego w średniowieczu szklane okna były kosztownym luksusem.

Stopione szkło przeznaczone na jedną szybkę wydmuchuje się w dużą bańkę za pomocą piszczeli szklarskiej. Następnie bańkę się spłaszcza i przyczepia do końcówki żelaznego pręta, o nazwie przylepiak, który robotnik obraca najszybciej, jak potrafi.

Spłaszczona bańka szkła rozkłada się jak wachlarz i tworzy koło o średnicy od 1 do 2 m. Z okrągłych, płaskich tafli szkła, odpowiednio przyciętych, wyrabiano małe okienka, przeznaczone głównie dla kościołów. "Wole oko" w środku koła było najmniej przezroczyste, ale wykorzystywano i te fragmenty, ponieważ szyby były bardzo drogie.

[edytuj] Właściwości szkła

• Substancja bezpostaciowa, tzn. nie ma uporządkowanej budowy wewnętrznej
• Nie posiada stałej temperatury topnienia
• materiał izotropowy
• słaby przewodnik dla elektryczności
• materiał o dużej odporności chemicznej (nie jest odporny na działanie kwasu fluorowodorowego)
• właściwości mechaniczne szkła budowlanego:
  • twardość w skali Mohsa 5-7
  • gęstość szkła budowlanego 2400-2600 kg/m³
  • wytrzymałość na zginanie 30-50 MPa
  • wytrzymałość na ściskanie 800-1000 MPa
  • moduł Younga 70 GPa

Właściwości szkła są uzależnione od sposobu wytopu, oraz w ograniczonym zakresie od składu chemicznego.

[edytuj] Klasyfikacja szkła

• Szkło budowlane: płaskie walcowane i ciągnione, zespolone, hartowane, barwne nieprzejrzyste, piankowe, szkła budowlane są zazwyczaj szkłami sodowo-wapniowo-potasowo-krzemianowymi.
• Szkło jenajskie zwane też szkłem boro-krzemianowym - po raz pierwszy wynalezionym w Jenie, które cechuje stosunkowo niską temperaturą topnienia (ok. 400 °C), łatwością formowania i jednocześnie wysoką odpornością na nagłe zmiany temperatury. Jest ono stosowane w sprzęcie laboratoryjnym i kuchennym. Jego odmianą jest szkło pyrex, które posiada skład znacznie ulepszony w stosunku do szkła jenajskiego.
• Szkło ołowiowe (kryształowe) - przepuszczalne dla ultrafioletu, o bardzo wysokim współczynniku załamania światła. Jest bezbarwne lub o odcieniu żółtym lub fioletowym. Gęstość 3,4 - 4,6 g/cm³. Używane do produkcji wyrobów dekoracyjnych, soczewek optycznych, przezroczystych osłon przed promieniowaniem rentgenowskim (o grubości równoważnej zwykle 2 lub 5 mm ołowiu) i promieniowaniem gamma.
• Szkło optyczne. Stosowane na potrzeby optyki. Trzech głównych producentów Schott (RFN), Ohara (Japonia), Corning (Francja). Ważne cechy takiego szkła to m. in. współczynnik załamania i gęstość.

[edytuj] Niektóre rodzaje szkła budowlanego

• Szkło okienne - jest to szkło płaskie, najczęściej produkowane metodą float (szkło płynie w postaci wstęgi na powierzchni ciekłej cyny). Inną wykorzystywaną jeszcze metodą jest metoda szkła ciągnionego (metoda Furcault'a). Jednak tą metodą szkło produkowane jest coraz rzadziej. Szkło float może być produkowane w grubościach od 2 do 19 mm. Szkło do stosowania w budownictwie dostępne jest standardowo w grubościach od 3 do 12 mm. Przepuszczalność światła zależy od grubości oraz zawartości tlenku żelaza w masie szklanej. Szkło o niskiej zawartości tlenku żelaza nazywane jest szkłem odbarwianym lub ekstrabiałym.
• Szkło płaskie walcowane - produkowane najczęściej jako szkło ornamentowe (wzorzyste) w grubościach od 3 do 8 mm.
• Szkło płaskie zbrojone - z wtopioną metalową siatką zbrojeniową, w taflach o grubości od 5 do 8 mm.
• Szkło płaskie barwione w masie (często stosowana jest nazwa handlowa – Antisol)- szkło takie posiada cechę pochłaniania energii promieniowania słonecznego, dlatego nazywane jest też szkłem przeciwsłonecznym. Ze względu na własności absorpcji promieniowania słonecznego szkło takie w budownictwie poddawane jest procesowi hartowania, aby zwiększyć jego odporność na powierzchniową różnicę temperatur.
• Szyby zespolone – zestawy szyb złożone z dwóch, trzech lub więcej pojedynczych szyb przedzielonych ramką dystansową, które produkuje się z dwustopniowym uszczelnieniem krawędzi zespolenia.
• Szkło hartowane – o większej wytrzymałości mechanicznej i większej odporności na powierzchniową różnicę temperatur. Otrzymywane przez poddanie szkła zwykłego odpowiedniej obróbce termicznej polegającej na podgrzaniu do temperatury 620 - 680°C i bardzo szybkim schłodzeniu sprężonym powietrzem – co powoduje zmianę jego mikrostruktury - tworzy się bardzo regularna sieć drobnych kryształków krzemionki poprzedzielana niewielkimi domenami fazy amorficznej. Na skutek takiej wysoce krystalicznej struktury, przy rozbiciu szkło to rozpada się na małe kawałeczki o nieostrych krawędziach. Używane w budownictwie i do produkcji szyb samochodowych.
• Szkło refleksyjne - szkło płaskie, które w procesie on-line (metoda pirolityczna) lub off-line (metoda magnetronowa), poddawane jest obróbce polegającej na napyleniu specjalnej selektywnej powłoki, która przepuszcza światło, ale posiada duży współczynnik odbicia promieniowania podczerwonego. Zastosowanie takiego szkła latem zabezpiecza pomieszczenia przed nagrzaniem, zimą ogranicza wypromieniowanie ciepła z wnętrza pomieszczenia. Przez możliwość naniesienia warstwy refleksyjnej o różnej barwie - daje ciekawe efekty architektoniczne na elewacjach budynków.
• Szkło elektroprzewodzące - z naniesioną powłoką z materiału elektroprzewodzącego.
• Szkło nieprzezroczyste (marblit) - w postaci płyt i płytek używanych do dekoracji ścian.
• Ponadto ze szkła produkowane są wyroby takie, jak np. pustaki szklane, wełna szklana.

Szczególnym zastosowaniem szkła jest produkcja tzw. włókna szklanego. Powstaje ono przez przeciskanie stopionej masy szklanej przez otwory o b. małej średnicy. W zależności od średnicy i składu włókno takie ma dwa główne zastosowania:

• Światłowód dzięki wewnętrznemu odbiciu impulsy świetlne w odpowiednio przygotowanym włóknie szklanym mogą bez znaczącego osłabienia pokonywać ogromne odległości. Dodatkowo jedno włókno światłowodowe może przekazywać jednocześnie wiele takich impulsów o różnych częstotliwościach, dzięki czemu przepustowość informacyjna światłowodu jest gigantyczna w porównaniu z tradycyjnymi miedzianymi przewodami. Światłowody mają ogromne i wciąż rosnące zastosowanie w teleinformatyce.
• Tkaniny i maty szklane służące do zbrojenia sztucznych żywic czyli produkcji tzw. laminatów. W połączeniu z żywicami poliestrowymi (tańszymi) lub epoksydowymi (droższymi, ale wytrzymalszymi i odporniejszymi) tworzą lekki, wytrzymały i odporny materiał konstrukcyjny powszechnie stosowany w lotnictwie, szkutnictwie, przemyśle samochodowym itp. W wypadku droższych i bardziej wymagających konstrukcji włókna szklane bywają uzupełniane lub zastępowane węglowymi lub aramidowymi, jednak jako podstawowy składnik laminatów długo pozostaną dominujące, zwłaszcza ze względu na stosunkowo niską cenę.

[edytuj] Bibliografia

[edytuj] Zobacz też

• krzemionka topiona
• podstawowe materiały budowlane
• przemysł szklarski