1Szkło jako materiał budowlany
1.1. Co to jest szkło
Z punktu widzenia nauki popularną i funkcjonującą definicją szkła jest definicja J. Clarka Maxwella: szkło - substancja, niezależnie od jej składu chemicznego, która w wyniku ochłodzenia przeszła w sposób ciągły od stanu ruchliwej cieczy do stanu stałego, przekraczając w pewnej temperaturze lepkość 1013 dPsek.
Ta definicja odnosi się praktycznie do wszystkich szkieł przemysłowych, gdyż otrzymuje się je przez stopienie w temperaturach rzędu 1400÷1600°C mieszanki surowców mineralnych i chemicznych według starannie obliczonej receptury.
Główne surowce używane do produkcji szkła:
- piasek kwarcowy (szklarski) - źródło krzemionki (SiO2);
- boraks - źródło tlenku boru (B2O3);
- skalenie sodowo-potasowe - źródło tlenku glinu (Al2O3);
- surowce (np. soda) - źródło tlenków metali zasadowych (Na2O, K2O);
- wapienie - źródła tlenków wapnia (CaO), magnezu (MgO);
- odpady szklane pozyskane z recyklingu.
W produkcji wykorzystuje się również:
- surowce zawierające związki barwiące w celu otrzymania szkła barwnego:
- tlenki miedzi - nadające barwę zieloną lub niebieską,
- tlenki żelaza - nadające barwy od żółtej po niebieskozieloną,
- związki złota - nadające barwę czerwoną,
- związki manganu (VII) - nadające barwę fioletową;
- surowce zawierające związki odbarwiające, przyspieszające topienie lub przyspieszające klarowanie się masy szklanej.
Zanim jednak surowce zamienią się w szkło, zostają w pierwszej kolejności poddane kontroli jakości pod kątem składu chemicznego, uziarnienia i wilgotności. Następnie są odważone i wymieszane. Jeśli zachodzi taka konieczność z uwagi na
Fot. 1. Surowce szklarskie
[Zdjęcie dzięki uprzejmości EUROGLAS]
dużą zawartość pylistych składników, zwiększa się zawartość wilgoci (3-7%), granuluje lub poddaje brykietowaniu. Pomaga to uniknąć rozwarstwienia zestawu, ułatwia kontakt między ziarnami surowców oraz sam proces topienia.
Rys. 1. Schemat procesu topienia w wannie szklarskiej
Proces ten przebiega w piecach szklarskich, gdzie w sposób ciągły z jednej strony zasypuje się wymieszane surowce [A], z drugiej wylewana jest wstęga roztopionego szkła [E].
W części topliwnej pieca [B] zestaw szklarski oddaje wilgoć zaadsorbowaną na ziarnach surowców, składniki nagrzewają się i następuje ich topienie. W strefie klarowania [C] następuje odgazowanie masy szklanej z nadmiaru gazów i pęcherzy gazowych powstałych w wyniku reakcji chemicznych między składnikami surowców, gazami zaadsorbowanymi na ziarnach surowców, atmosferą pieca a materiałami ogniotrwałymi wanny szklarskiej. Kolejnym etapem jest homogenizacja masy szklanej [D]; to proces ujednorodnienia - uwolnienia stopu od widocznych smug, prowadzący do uzyskania jednakowych właściwości masy w całej objętości. Etapem kończącym jest proces wylewania masy szklanej na warstwę roztopionej cyny i formowanie tafli szkła.
Fot. 2. Zasyp zestawu szklarskiego do wanny
[Zdjęcie dzięki uprzejmości EUROGLAS]
Fot. 3. Topienie masy szklanej - strefa topliwna pieca
[https://www.pilkington.com/pl-pl/pl/centrum-prasowe/latest/ruszyla-modernizacja-linii-szkla-plaskiego-pilkington-polska-w-sandomierzu]
Fot. 4. Formowanie tafli szkła na warstwie roztopionej cyny
[https://budownictwob2b.pl/okna-i-drzwi/puls-branzy/14524-technologia-produkcji-szkla-float]
Fot. 5. Tafla szkła w drodze do magazynu
[Zdjęcie dzięki uprzejmości EUROGLAS]
Trochę historii
Szkło od dawna fascynowało ludzi. Znane jest szkło naturalne - tektyt. Pierwsze wyroby ze szkła datuje się na ok. 5000-3500 p.n.e., jednak nie było to szkło mogące służyć jako przezierna przegroda od złych warunków atmosferycznych.
Fot. 6. Szkło naturalne - tektyt
[Moldavite 2 by James St. John wiki.jpg]
Fot. 7. Szkła starożytne, ok. 5000-3500 p.n.e.
[Syria 4th century A.D. MET DP117592]
Otwory okienne pierwotnie starano się konstruować na bazie gomółek, pierwszych płaskich form ze szkła. Były to jednak formy niedoskonałe pod kątem właściwości optycznych, bardzo drogie i stanowiły niewielkich rozmiarów elementy okienne.
Fot. 8. Pierwsze szkło płaskie - szkło gomółkowe (XIV w.)
[Szklo gomolkowe Plate_27_10_38 wiki]
Kolejnym etapem uzyskania elementów o większej powierzchni były szkła uzyskiwane z rozcinanych baniek z wydmuchiwanego szkła.
Fot. 9. Szkło płaskie z cylindra - rozcinana podłużna bańka wydmuchiwanego szkła (od XV w.)
[https://www.it.tarnow.pl/atrakcje/tarnow/ciekawostki/taka-jest-historia/huta-szkla-w-tarnowie]
Udoskonalenie procesów wytwórczych baniek ze szkła doprowadziło do wycinania większych elementów z cylindrów szklanych. Nie zaspakajało to jednak rosnącego popytu na ten unikatowy produkt. Dopiero w 1913 r. udało się wytworzyć w sposób ciągły pierwsze szkło płaskie - metodą Fourcaulta. Udoskonalanie produkcji metodą Pittsburgh (w 1916 r.) pozwoliło na znaczne obniżenie kosztów wytwarzania, dzięki czemu szkło mogło trafić do szerokiego odbiorcy. Nie było jednak ono pozbawione wad, zwłaszcza zniekształceń optycznych.
Rys. 2. Schemat produkcji szkła ciągnionego metodą Pittsburgh: 1 - masa szklana, 2 - blok formujący, 3 - wstęga szkła, 4 - chłodnice wodne, 5 - chłodnice szybu, 6 - szyb pionowy, 7 - wałki ciągnące
Obecnie często stosuje się metodę Pilkingtona (znaną od 1952 r.) - szkło wylewane, float. Polega ona na wylaniu wytopionego szkła do basenu pełnego stopionej cyny. Ponieważ szkło ma niższą gęstość od cyny, zaczyna po niej płynąć. Dzięki temu powierzchnia powstającego szkła jest idealnie gładka i płaska. Powierzchnie dolna i górna stają się równoległe względem siebie pod wpływem grawitacji i napięcia powierzchniowego. Szkło poddaje się powolnemu studzeniu w celu rozładowania naprężeń, następnie system rolek przenosi je na stanowisko do rozkroju tafli na mniejsze formatki.
Europejska definicja szkła float
Zgodnie z tą definicja jest to szkło płaskie sodowo-wapienno-krzemianowe, przezroczyste, bezbarwne lub barwione w masie, o równoległych i ogniowo wypolerowanych powierzchniach, otrzymywane metodą ciągłego wylewania na powierzchnię płynnego metalu.
Ze względu na zastosowanie szkło można podzielić na:
- budowlane
- szkło płaskie float,
- szkło hartowane,
- szkło laminowane,
- szkło refleksyjne,
- kształtki budowlane - szkło profilowe,
- szkło piankowe,
- inne np. mozaiki;
- opakowania szklane
- produktów spożywczych,
- leków,
- kosmetyków,
- odczynników chemicznych;
- gospodarcze i oświetleniowe
- szkło stołowe i galanteria,
- szkło kryształowe,
- szkło oświetleniowe;
- techniczne
- optyczne,
- elektropróżniowe,
- laboratoryjne,
- kwarcowe,
- włókna szklane,
- szkło specjalne: filtry, termosy itp.
1.2. Właściwości fizykochemiczne szkła
Właściwości szkła:
- dobra przepuszczalność promieniowania widzialnego (ok. 90%),
- bezpostaciowość - brak uporządkowania struktury w przestrzeni (cecha właściwa cieczom),
- sztywność i kruchość,
- stan szklisty, w którym występuje szkło, jest termodynamicznie nietrwały,
- duża wytrzymałość na ściskanie, mała wytrzymałość na rozciąganie i zginanie,
- brak stałej temperatury topnienia,
- mały współczynnik rozszerzalności cieplnej i stosunkowo niska przewodność cieplna (przeważającej większości szkieł),
- bardzo dobre właściwości elektroizolacyjne (w temperaturze pokojowej; szkło jest dielektrykiem),
- odporność na wpływ czynników atmosferycznych,
- niezmienność zabarwienia,
- niewchłanianie zapachów ani ich niewydzielanie,
- odporność na działanie kwasów (z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego),
- znacznie mniejsza odporność na działanie zasad,
- gęstość szkła sodowo-wapniowego wynosi ok. 2,5 g/cm?,
- podleganie recyklingowi.
Tab. 1. Ważniejsze właściwości fizykochemiczne szkła płaskiego
Właściwość
Symbol
Wartość liczbowa i jednostka
Gęstość (przy 18°C)
r
2500 kg/m3
Twardość
6 jednostek (według skali Mohsa)
Moduł Younga
(moduł sprężystości podłużnej)
E
7 - 1010 Pa
Liczba Poissona
?
0,2
Ciepło właściwe
c
0,72 - 10-3 (J/kg - K)
Średni współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej między 20°C i 300°C
?
9 - 10-6K-1
Przewodność cieplna
?
1 W/(m - K)
Średni współczynnik załamania promieniowania w zakresie widma widzialnego (od 380 do 780 nm)
n
1,5
Współczynnik rozszerzalności liniowej
?20-400
9,0 - 10-6/K
Wytrzymałość na naprężenia zginające
12-30 N/mm2
Wytrzymałość na ściskanie
400 N/mm2
Normy definiujące wyroby bazowe ze szkła sodowo-wapniowo-krzemianowego, od PN EN 572-2 do PN EN 572-7 [8-13], określają wymagania dotyczące wymiarów i jakości szkła w stosunku do optycznych i/lub widocznych błędów. Definicja szkła float, ciągnionego szkła płaskiego, wzorzystego szkła walcowanego, polerowanego szkła zbrojonego, wzorzystego szkła zbrojonego i szkła profilowego zbrojonego i niezbrojonego zastąpiła obowiązujące wcześniej definicje szkła okiennego (teraz: płaskiego szkła ciągnionego) z normy DIN 1249-1 [14], szkła lustrzanego (teraz: szkła float) z normy DIN 1249-3 [15], szkła lanego (teraz: wzorzystego szkła walcowanego i polerowanego szkła zbrojonego).
1.2.1. Badania fizyczne szkła
Badania fizyczne obejmują:
- badanie lepkości w funkcji temperatury,
- badanie średniego współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej oraz wyznaczenie punktów charakterystycznych na krzywej dylatometrycznej Td - Tg -Tm,
- oznaczanie współczynnika załamania światła (refraktometrycznie),
- badanie gęstości szkła metodą piknometryczną oraz metodą wagi hydrostatycznej,
- badanie wtrąceń w szkle (krystalicznych szklistych smug, łezek),
- badanie współczynnika przepuszczalności światła i liczbowe wyrażanie barw (patrz: spektrofotometryczne właściwości optyczne szkła),
- badanie naprężeń wewnętrznych (różnicy dróg optycznych).
Badanie lepkości w funkcji temperatury
Znajomość lepkości danego szkła jest konieczna do prawidłowego prowadzenia procesu topienia, klarowania, formowania i obróbki, gdyż kształtowanie wyrobów może się odbywać jedynie do określonej lepkości szkła. Badanie ma na celu określenie, jaka lepkość szkła jest najbardziej odpowiednia dla poszczególnych czynności produkcyjnych.
Istnieje wiele metod pomiaru małych lepkości w wysokiej temperaturze (? = 101,5-105 dPas) oraz w niskich temperaturach (? = 107-1017 dPas). Lepkość szkła w funkcji temperatury w zakresie 102-105 dPas (log ? = 2÷5) wykonuje się zgodnie z normą PN-ISO 7884-2: 2004 [16], przy użyciu wysokotemperaturowego wiskozymetru rotacyjnego typu 403 firmy Bähr-Gerätebau. Maksymalna temperatura badań wynosi 1350°C. Temperaturę dla granicznych wartości badanego zakresu lepkości wyznacza się przez ekstrapolację.
Do badań potrzeba ok. 200 g gotowego szkła pod postacią kawałka o dowolnym kształcie lub ok. 50 g szkła w postaci grysu 1-3 mm. Grys zostaje wsypany do tygla platynowego, przetopiony do objętości wynikającej z wymagań aparaturowych, a następnie umieszczony wraz z wrzecionem platynowym w wiskozymetrze. Po osiągnięciu górnej temperatury pracy wiskozymetru i roztopieniu próbki następuje zanurzenie wrzeciona. Po osiągnięciu stabilizacji temperatury wszystkich elementów następuje powolne studzenie próbki przy jednoczesnym obrocie wrzeciona z zadaną prędkością obrotową (pomiar I: 10 obr/min oraz pomiar II: 80 obr/min). Opór stawiany przez szkło jest przedstawiany jako zależność lepkości od temperatury.
Badania dylatometryczne średniego współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej szkła oraz wyznaczenie punktów charakterystycznych na krzywej dylatometrycznej Td - Tg - Tm
Badanie wykonuje się według normy PN-67/S-1306 [17]. Zasada pomiaru polega na zarejestrowaniu zmian długości próbki szkła przy wzroście temperatury z określoną stałą prędkością, a następnie obliczeniu średniego współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej (? ) dla dowolnego zakresu temperatur według wzoru (1.1):
(1.1)
gdzie:
t1 - dolna temperatura zakresu pomiarowego, K (°C),
t2 - górna temperatura zakresu pomiarowego, K (°C),
l1 - długość próbki przy temperaturze t1,
l2 - długość próbki przy temperaturze t2.
