
Zrozumienie szkła – rodzaje, właściwości i produkcja
This post is also available in: Holenderski Angielski Francuski Niemiecki Włoski Portugalski, Portugalia Hiszpański
Szkło jest dostępne w wielu formach, od żaroodpornych szyb z Pyrexu po laminowane szyby z folii PVB. Niektóre z materiałów powszechnie określanych jako szkło to w rzeczywistości tworzywa sztuczne lub mieszanki plastikowo-szklane, chociaż termin szkło nie wskazuje wyraźnie na konkretny skład chemiczny. Termin ten może opisywać dowolną liczbę twardych, amorficznych, nieorganicznych i jednorodnych ciał stałych, które powstają, gdy stopione materiały stopione są chłodzone wystarczająco szybko, aby zapobiec krystalizacji. Jednak typowymi substancjami stosowanymi w produkcji szkła są krzemiany, borany i fosforany.
Szkło jest nieelastycznym materiałem, który powstaje przez ogrzewanie mieszaniny suchych materiałów stałych, aż osiągnie stan półstały, a następnie szybkie schłodzenie mieszaniny, aby zapobiec tworzeniu się struktury krystalicznej, którą ma większość materiałów stałych. Gdy szkło stygnie, atomy zostają zamknięte w stanie nieuporządkowanym, podobnym do stanu cieczy, zanim będą mogły utworzyć stan krystaliczny ciała stałego. Ponieważ szkło nie jest ani cieczą, ani ciałem stałym, ale ma cechy obu, szkło istnieje jako odrębny rodzaj materii.
Ze względu na swoją wytrzymałość i wszechstronność, szkło ma niemal nieograniczone zastosowania. Jest szeroko stosowany w budownictwie, zapewniając okładziny dla większości nowoczesnych budynków i regularne elementy szklane architektoniczne dla większości innych konstrukcji mieszkalnych. Znajduje różnorodne zastosowanie w domu, czy to jako naczynia kuchenne, ekrany telewizyjne czy żarówki. Jest to prawdopodobnie najważniejszy materiał w astronomii, który pierwotnie był możliwy dzięki zastosowaniu różnych szklanych soczewek. Oprócz oczywistych zastosowań w laboratoriach biologicznych, chemicznych i medycznych (probówki, zlewki, mikroskopy), szkło stanowi również część obudowy większości instrumentów. Chociaż soczewki poliwęglanowe w dużej mierze zastąpiły szkło w okularach, soczewki szklane były historycznie jedynym sposobem na poprawę widzenia. Nawet sztuka wiele zawdzięcza szkłu, ponieważ witraże i wiele przedmiotów dekoracyjnych ze szkła starożytnego przetrwało i stanowiło inspirację dla artystów przez ponad tysiąc lat.
W nowoczesnym przemyśle szkło pełni wiele funkcji biomedycznych i związanych z optyką. Jest również niezbędnym składnikiem wielu urządzeń lotniczych i lotniczych, a także użyteczną substancją w technologii półprzewodnikowej i elektronice. Ze względu na swoje unikalne właściwości, w układach scalonych stosuje się określone rodzaje szkła. Stanowi również materiał wzmacniający laminowane tworzywa sztuczne. Szklane koraliki są wykorzystywane do piaskowania, a tafle szklane są podstawowym wymogiem większości producentów luster.
Ten artykuł daje zrozumienie unikalnych właściwości szkła, wyjaśniając różne rodzaje szkła i ich skład. Ponadto badany jest sposób wytwarzania szkła, a także niektóre z różnych sposobów obróbki lub wykańczania szkła po wyprodukowaniu.
Nieruchomości
Chociaż istnieje wiele różnych rodzajów szkła, a ich właściwości różnią się w zależności od składu chemicznego, istnieje kilka cech charakterystycznych, większość rodzajów szkła ma wspólną cechę. Pomimo swojej kruchej reputacji szkło jest wytrzymałe mechanicznie. Niedoskonałości powierzchni osłabiają szkło, ale istnieją procesy minimalizujące wady i wzmacniające je. Szkło to twardy materiał, który do pewnego stopnia jest odporny na zarysowania i otarcia. Szkło jest ogólnie odporne chemicznie na większość kwasów przemysłowych i spożywczych, a jego odporność na inne chemikalia jest różna. Jest elastyczna i poddaje się naprężeniom, zanim powróci do swojego pierwotnego kształtu. Oczywiście, szkło ma punkt łamania, który różni się w zależności od rodzaju.
Szkło jest odporne na szok termiczny, co oznacza, że dobrze znosi nagłe zmiany temperatury i jest w stanie wytrzymać intensywne ciepło i zimno w różnym stopniu. Pochłania ciepło, zatrzymuje ciepło zamiast je przewodzić i pochłania ciepło lepiej niż metal. Szkło może odbijać, zginać, przepuszczać i pochłaniać światło z dużą dokładnością i jest wysoko cenione ze względu na swoje właściwości optyczne. Silnie opiera się prądowi elektrycznemu i dobrze przechowuje energię elektryczną.
Rodzaje szkła
Szkło dzieli się na rodzaje na podstawie jego składu chemicznego. Oto niektóre z bardziej powszechnych typów.
Szkłem sodowo wapiennym
Szkło sodowo-wapniowe, znane również jako szkło sodowo-wapniowo-krzemionkowe lub szkło okienne, jest najczęstszym i najtańszym rodzajem szkła. Zawiera około 70% krzemionki wraz z sodą, wapnem i niewielką ilością innych związków. Soda obniża temperaturę topienia krzemionki, podczas gdy wapno stabilizuje krzemionkę. Około 90% produkowanego szkła to szkło sodowo-wapniowe. Jest stabilny chemicznie, często niedrogi i bardzo praktyczny, ponieważ można go wielokrotnie zmiękczać podczas wytwarzania produktu. Jest to bardziej miękkie szkło, które jest atutem przy produkcji poprzez cięcie, ale oznacza to, że jest mniej odporne na zarysowania niż inne rodzaje szkła, takie jak borokrzemian i topiony kwarc.
Szkło sodowo-wapniowe jest często wzmacniane chemicznie w celu zwiększenia jego wytrzymałości lub może być hartowane w celu zwiększenia odporności i wytrzymałości na szok termiczny. Jak sugeruje jego przydomek, jest on powszechnie używany w oknach. Jest również używany do szklanych pojemników domowych. Wapno sodowane ma szerokie zastosowanie.
Szkło ołowiowe
Szkło ołowiowe, zwane również szkłem tlenku ołowiu lub kryształem ołowiu, zawiera co najmniej 20% tlenku ołowiu. Nazywano je również szkłem krzemiennym, ponieważ oryginalna formuła z XVII wieku wykorzystywała kalcynowany krzemień jako źródło krzemionki, ale teraz krzemień nie jest już używany do jego tworzenia. Jest to bardziej miękkie szkło, dzięki czemu można je łatwiej ciąć na projekty o wysokim współczynniku załamania światła. Nie wytrzymuje wysokich temperatur ani nagłych zmian temperatury.
Ponieważ szkło ołowiowe jest refrakcyjne i droższe niż szkło sodowo-wapniowe, było powszechnie stosowane do dekoracyjnych naczyń szklanych. Jednakże, ponieważ niebezpieczeństwa związane ze spożywaniem ołowiu są obecnie dobrze znane, obecnie szkło ołowiowe jest używane głównie w zastosowaniach elektrycznych ze względu na jego właściwości izolacyjne i niższą temperaturę topnienia. Niska temperatura topnienia jest pożądana do zgrzewania, dzięki czemu można go uszczelnić wokół elektroniki wrażliwej na wyższe temperatury. Jest również używany do ekranowania w celu ochrony przed promieniowaniem rentgenowskim i gamma w pracach medycznych, technicznych i badawczych oraz do okularów optycznych ze względu na swój współczynnik załamania światła.
borokrzemiany
Szkło borokrzemianowe składa się z co najmniej 5% tlenku boru. Trwałe i odporne na ciepło szkło borokrzemianowe jest materiałem wybieranym do wielu zastosowań, od naczyń kuchennych po zastosowania laboratoryjne.
Wytwarzanie szkła borokrzemianowego wymaga wyższych temperatur niż te, które są niezbędne do produkcji zwykłego szkła, choć to również przekłada się na jego wyższą odporność na ciepło. Ze względu na niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej szkło jest również narażone na znacznie mniejsze obciążenie materiału niż zwykłe szkło, co dodatkowo zwiększa jego wyjątkową wydajność w wysokich temperaturach. Ponadto szkło borokrzemianowe jest znacznie trwalsze niż tradycyjne szkło i może wytrzymać wypadki, które mogłyby spowodować stłuczenie innych wyrobów szklanych. Nawet jeśli pęka, zazwyczaj działa lepiej, ponieważ rzadko pęka.
Szkło borokrzemianowe jest często używane w laboratoriach naukowych i medycznych, ponieważ oprócz innych użytecznych właściwości oferuje doskonałą odporność chemiczną. Wszystko, od probówek, prętów i zlewek po cylindry miarowe, pipety i nasadki do korków, jest produkowane z borokrzemianu i używane w laboratoriach na całym świecie. Chociaż szkło borokrzemianowe zapewnia wyjątkową odporność na kwasy, jest ono mniej odporne na szereg zasad i czasami należy rozważyć zastosowanie innych materiałów. Szkło borokrzemianowe jest również używane w niektórych elementach optycznych, takich jak lustra, ponieważ dobrze zachowuje kształt podczas zmian temperatury. Inne zastosowania obejmują wzmacnianie różnych związków tworzyw sztucznych oraz w różnych sprawdzianach i ochronnych powierzchniach szklanych.
Głównym wyróżnikiem szkła borokrzemianowego od tradycyjnego jest zastąpienie w procesie produkcyjnym sody i wapna tlenku boru. Szkło borokrzemianowe musi zawierać co najmniej pięć procent tlenku boru, który pomaga wiązać krzemian i tlenek glinu oraz tlenek sodu.
glinokrzemian
Szkło glinokrzemianowe zawiera tlenek glinu. Różni się składem, ale zwykle zawiera od 20% do 40% tlenku glinu. Posiada porównywalne właściwości do szkła borokrzemianowego, ale jest bardziej odporne na ciepło, toleruje temperatury do 800 o Celsjusza i ma lepszą odporność chemiczną. Ze względu na tę odporność na ciepło jest znacznie trudniejsze do stopienia, a zatem do produkcji niż szkło borokrzemowe. Dwa główne rodzaje szkła glinokrzemianowego to szkło glinokrzemianowe ziem alkalicznych i szkło glinokrzemianowe alkaliczne. Szkła glinokrzemianowe z ziem alkalicznych mają bardzo wysoką temperaturę mięknienia i są zwykle używane do szklanych bańek do lamp halogenowych, termometrów wysokotemperaturowych i mogą być powlekane folią przewodzącą prąd elektryczny i stosowane do rezystorów w obwodach elektronicznych. Wysoka zawartość alkaliów w alkalicznych szkłach glinokrzemianowych poprawia ich wytrzymałość na ściskanie powierzchni. Są również bardzo twarde i odporne na zarysowania. Są one powszechnie stosowane do wyświetlaczy dotykowych, takich jak ekrany smartfonów, oraz do szklanych osłon ogniw słonecznych i laminowanego szkła bezpiecznego.
Szkło o wysokiej krzemionce
Szkło o wysokiej zawartości krzemionki jest tworzone przez stopienie szkła w celu usunięcia z niego prawie wszystkich elementów niekrzemianowych. Ten proces może skutkować składem od 95 do 99% krzemionki. Ze względu na brak topników szkło o wysokiej zawartości krzemionki jest niezwykle trudne do topienia, a temperatura odkształcenia wynosi aż 1700ºC, co oznacza, że może być używane w tak wysokich temperaturach, jak około 1000o C. Szkło o wysokiej zawartości krzemionki ma bardzo niską rozszerzalność cieplną, bardzo dobrą trwałość chemiczną, właściwości optyczne i mechaniczne, ale bardzo wysokie temperatury przetwarzania są czynnikiem ograniczającym produkcję i zastosowanie na większą skalę.
Wraz z poprawą technologii poprawiła się zdolność do osiągnięcia większej czystości szkła o wysokiej zawartości krzemionki, umożliwiając wytwarzanie coraz wyższych jakości szkła. Szkło o wysokiej zawartości krzemionki jest często stosowane w przemyśle półprzewodników, ponieważ krzemionka nie zanieczyszcza płytek krzemowych, a także do światłowodów, lamp przepuszczających promieniowanie UV, optyki precyzyjnej, rur ogniotrwałych i jako wzmocnienie włókien w kompozytach.
Topiony kwarc
Topione szkło kwarcowe, zwane również szkłem topionej krzemionki lub szkłem z krzemionki szklistej, jest wytwarzane przez oczyszczanie i topienie naturalnie występującej krzemionki krystalicznej, znajdującej się w piasku lub krysztale górskim, za pomocą fuzji elektrycznej lub płomieniowej. Powstałe szkło jest wysoce przezroczyste, nawet w świetle ultrafioletowym i podczerwonym, a także odporne na warunki atmosferyczne i wstrząsy. Jest bardzo trudny do wytworzenia, ponieważ stapianie zachodzi w temperaturze około 1650 o C, więc jest bardzo drogie. Jednak ta wysoka temperatura topnienia oznacza również, że może wytrzymać temperatury do 1400°C przez krótki czas, dzięki czemu jest w stanie wytrzymać najwyższe temperatury ze wszystkich rodzajów szkła. Ze względu na tę odporność, stopione szkło kwarcowe jest często używane w zastosowaniach lotniczych, w szczególności w oknach załogowych statków kosmicznych.
Produkcja i wykończenie szkła
Chociaż istnieją pewne różnice produkcyjne w tworzeniu różnych rodzajów szkła, poniżej przedstawiono podstawowy proces stosowany do tworzenia bardziej powszechnych rodzajów szkła, takich jak sodowo-wapniowe.
Produkcja
Składniki, z których składa się szkło, różnią się w zależności od rodzaju szkła. Główny składnik szkła, zwany dawnym, musi zostać podgrzany do bardzo wysokiej temperatury, aby stał się lepki. Najczęstszym pierwszym jest dwutlenek krzemu, znajdujący się w piasku. Ten pierwszy miesza się z topnikiem, który pomaga mu topić się w niższej temperaturze. Typowymi topnikami są soda kalcynowana i potaż. Stosowany jest również stabilizator, który zapobiega rozpuszczaniu się szkła lub tworzeniu niepożądanych kryształów. Powszechnym stabilizatorem jest tlenek wapnia z wapienia. Te suche składniki są mieszane razem w partii. Piec topi wsad do postaci ciekłej. Stłuczka, która składa się z potłuczonego szkła, jest dodawana do partii, aby ułatwić jej stopienie.
Jeśli produkowane jest szkło kolorowe, do partii dodaje się tlenek metalu. Żelazne kolory szkło zielone, miedź zmienia kolor na jasnoniebieski, kobalt na ciemnoniebieski, złoto na głęboką czerwień. Szkło o niskiej zawartości żelaza jest zalecane do barwienia szkła na dowolny kolor poza zielonym. W niewielkich ilościach dwutlenek manganu jest używany do odbarwiania szkła, ale w dużych ilościach zabarwia szkło na fioletowo, aw większej ilości na czarno.
Po stopieniu lepkie szkło wlewa się do kąpieli z roztopionej cyny, następnie formuje w wstęgę i chłodzi. Powolny i równomierny proces chłodzenia nazywa się wyżarzaniem. Szkło musi być chłodzone równomiernie, ponieważ jeśli jeden obszar dłużej pozostaje cieplejszy, staje się grubszy, a różne poziomy grubości powodują naprężenia na kawałku szkła. Nieprawidłowo wyżarzony kawałek szkła jest bardziej podatny na pękanie.
Ciąć
Następnie szkło odprężone przycina się do żądanych wymiarów. Odbywa się to zwykle za pomocą komputerowych maszyn sterowanych numerycznie lub maszyn CNC, które są zdolne do niezwykle precyzyjnych operacji. Maszyny CNC pracują według określonych programów CAM i CAD, które umożliwiają obróbkę dowolnej liczby detali z identyczną precyzją. Są również w stanie wykonywać szeroki zakres zadań obróbczych zwykle wykonywanych przez specjalistyczny sprzęt: mogą wycinać krzywe i linie proste, wiercić otwory i szlifować rowki. Maszyny CNC stosowane w produkcji szkła wykorzystują charakterystyczne oprzyrządowanie, w tym diamentowe narzędzia ścierne, ściernice diamentowe i tarcze z węglików spiekanych, aby osiągnąć lepszą dokładność i możliwości obróbki szkła.
Po wycięciu i ukształtowaniu szkła producenci zazwyczaj wykonują polerowanie szkła, laminowanie i inne usługi wykończeniowe. Polerowane lustra i soczewki stanowią istotną część rynku wyrobów szklanych. Te elementy zazwyczaj wymagają ekstremalnej precyzji, a tolerancje powierzchni muszą być dokładne, aby komponenty działały zgodnie z oczekiwaniami. Te precyzyjne elementy są używane w teleskopach, pryzmatach, soczewkach i zwierciadłach laserowych oraz innych elementach optycznych, na które w dużym stopniu wpływają niedoskonałości i niedokładności.
Ruszenie
Hartowanie to obróbka cieplna, która wzmacnia szkło do około czterokrotnie większej wytrzymałości niż szkło niehartowane. Jeśli szkło hartowane pęknie, rozpada się na małe, zaokrąglone kawałki zamiast postrzępionych odłamków.
Proces hartowania rozpoczyna się od przejścia wyciętego i umytego szkła przez piec do hartowania, w trybie wsadowym lub ciągłym. Szkło jest podgrzewane do ponad 600 stopni Celsjusza, zanim przejdzie przez proces hartowania, czyli chłodzenia. Podczas hartowania powietrze pod wysokim ciśnieniem wydmuchuje szkło z dysz w wielu różnych pozycjach. Zewnętrzna powierzchnia szkła stygnie znacznie szybciej niż środek, co prowadzi do tego, że środek szkła próbuje odciągnąć się od zewnętrznej powierzchni. W rezultacie środek pozostaje w napięciu, a zewnętrzna strona ulega kompresji, nadając hartowanemu szkłu wytrzymałość.
Szkło można również hartować chemicznie. Szkło jest zanurzane w kąpieli ze stopionej soli potasowej, która powoduje zastąpienie jonów sodu w szkle większymi jonami potasu. Większe jony potasu wypełniają luki pozostawione przez jony sodu, co powoduje stan kompresji na zewnętrznej powierzchni szkła. Ta metoda jest droższa niż użycie pieca do temperowania, więc nie jest tak powszechnie stosowana.
Wadą szkła hartowanego jest to, że po hartowaniu nie można go przerobić, dlatego przed procesem należy je całkowicie ukształtować. Ponadto, ze względu na zrównoważone naprężenia szkła hartowanego, jeśli jakakolwiek jego część zostanie uszkodzona, cały kawałek szkła prawdopodobnie pęknie.
Szkło hartowane to rodzaj szkła bezpiecznego, używanego do szyb samochodowych, drzwi wejściowych i innych zastosowań, w których rozbicie szkła może stanowić zagrożenie dla ludzi.
Laminowanie
Laminowanie to kolejny sposób na stworzenie bezpiecznego szkła. Laminowanie polega na wzmocnieniu szkła przekładką z tworzywa sztucznego. Warstwa pośrednia nie tylko wzmacnia szkło, ale również łączy kawałki szkła w przypadku rozbicia, zapobiegając jego rozbiciu.
Istnieje kilka procedur laminowania. Dwa lub więcej kawałków szkła łączy się za pomocą ciepła i ciśnienia między jedną lub kilkoma warstwami kleju, zwykle poliwinylobutyralu (PVB) lub octanu etylenowo-winylowego (EVA). Inną metodą jest łączenie dwóch lub więcej kawałków szkła za pomocą alifatycznej warstwy uretanowej lub EVA za pomocą ciepła i ciśnienia. Szkło można również przełożyć utwardzoną żywicą lub EVA.
Szkło laminowane jest trudne do cięcia ze względu na swoje plastikowe warstwy, ale nie jest niemożliwe. Kiedy szkło laminowane jest uszkodzone, zwykle pęka w pajęczy wzór zamiast rozbić się na wiele niebezpiecznych kawałków.
Streszczenie
W tym artykule przedstawiono wiedzę na temat szkła, jego właściwości, sposobu jego wytwarzania oraz różnych rodzajów szkła. Aby uzyskać więcej informacji na temat powiązanych produktów, zapoznaj się z naszymi innymi przewodnikami lub odwiedź platformę Thomas Supplier Discovery Platform, aby zlokalizować potencjalne źródła dostaw lub wyświetlić szczegółowe informacje na temat określonych produktów.
Źródła:
- https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/lead-glass
- https://www.glennklockwood.com/materials-science/overview-glasses.html
- https://www.tosoheurope.com/our-products/silica-glass/silica-glass-characteristics
- https://rayotek.com/tech-specs/material-comparisons.htm#q2
- https://www.heraeus.com
- https://abrisatechnologies.com/2015/04/understanding-the-physical-properties-of-glass/
- https://www.dillmeierglass.com/news/how-is-glass-made#
- https://www.scientificamerican.com/article/how-is-tempered-glass-mad/
- https://abrisatechnologies.com/docs/Guide%20to%20Glass%20Final%20April%202011.pdf
Recent Comments