szkło

Szkło — Szkło – twarde, przezroczyste ciało bezpostaciowe składające się głównie z krzemianów, powstałe w wyniku przechłodzenia stopionych surowców mineralnych i nieorganicznych bez etapu krystalizacji składników.

Właściwości szkła:

• dobra przepuszczalność promieniowania widzialnego (ok. 90%);
• bezpostaciowość – brak uporządkowania struktury w przestrzeni (cecha właściwa cieczom);
• sztywność i kruchość (cechy właściwe ciałom stałym);
• stan szklisty, w którym występuje szkło jest stanem termodynamicznie nietrwałym;
• duża wytrzymałość na ściskanie, mała wytrzymałość na rozciąganie i zginanie;
• brak stałej temperatury topnienia;
• mały współczynnik rozszerzalności cieplnej i stosunkowo niska przewodność cieplna (przeważająca większość szkieł);
• bardzo dobre właściwości elektroizolacyjne (w temp. pokojowej); jest dielektrykiem;
• odporność na wpływ czynników atmosferycznych;
• odporność na działanie kwasów (z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego), znacznie mniejsza odporność na działanie zasad;
• gęstość szkła sodowo-wapniowego wynosi ok. 2,5 g/cm³.

Właściwości szkła są również uzależnione od sposobu produkcji oraz w mniejszym stopniu od składu chemicznego.

Rodzaje szkła:

• szkło kwarcowe (krzemionkowe) – szkło używane do wyrobu aparatury laboratoryjnej (duża odporność na zmiany temperatury i działanie kwasów);
• szkło borowo-krzemowe (borowo-krzemianowe) – służące do wyrobu szkła laboratoryjnego oraz sprzętu kuchennego (duża odporność na nagłe zmiany temperatury i działanie związków chemicznych);
• szkło wysokoglinowe – szkło twarde, charakteryzujące się dużą odpornością na działanie czynników chemicznych, używane do produkcji włókien szklanych oraz żaroodpornych naczyń kuchennych;
• szkło ołowiowe (kryształowe) – szkło używane do produkcji wyrobów dekoracyjnych;
• szkło optyczne – używane w optyce;
• szkło sodowe – najczęściej stosowane w życiu codziennym, używane do produkcji opakowań szklanych, szyb okiennych, szklanek.

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), ołowiu (PbO), cynku (ZnO).

W produkcji wykorzystuje się również:

• surowce zawierające związki barwiące w celu otrzymania szkła barwnego:
  • tlenki miedzi (Cu₂O)  – barwa zielona lub niebieska,
  • tlenki żelaza – barwy od żółtej po niebieskozieloną,
  • związki złota – barwa czerwona,
  • związki manganu (VII) – barwa fioletowa;
• surowce zawierające związki odbarwiające, przyspieszające topienie lub przyspieszające klarowanie się masy szklanej.

Typowe szkło butelkowe (sodowo-wapniowe) składa się w 50% z piasku kwarcowego, czyli krzemionki (SiO₂), 16% stanowi węglan sodu (Na₂CO₃), 12% – węglan wapnia (CaCO₃), 18% stanowią potłuczone odpady szklane a pozostałe 4% – inne substancje (topniki, pigmenty).

Przebieg procesu produkcyjnego

Mieszanina surowców szklarskich (po uprzednim oczyszczeniu i rozdrobnieniu) umieszczona zostaje w piecu szklarskim, gdzie w temperaturze 1400-1500°C zachodzi wytapianie i klarowanie się masy szklanej. Następnie otrzymaną masę szklaną poddaje się stopniowemu ochładzaniu do temperatury, w której osiąga lepkość właściwą dla danej metody formowania.

Czynnikiem decydującym o postaci otrzymanego szkła jest prędkość jego stygnięcia:

• powolne stygnięcie powoduje uzyskanie szkła w postaci nieprzezroczystego kryształu;
• szybkie stygnięcie zapobiega krystalizacji, dzięki czemu szkło zachowuje przejrzystość.

Metody formowania wyrobów z masy szklanej:

• wydmuchiwanie automatyczne za pomocą sprężonego powietrza;
• dmuchanie z wykorzystaniem piszczeli;
• wyciąganie masy szklanej pionowe w górę;
• ciągnienie poziome po powierzchni roztopionego metalu;
• proces „szkła pływającego” – roztopiona masa szklana stygnie na warstwie ciekłej cyny, dzięki czemu powstaje gładka tafla szyby;
• wytłaczanie w prasach (produkcja wyrobów stołowych, szkła optycznego);
• walcowanie;
• rozwłóknianie masy szklanej – przeciskanie stopionej masy szklanej przez otwory o bardzo małej średnicy (produkcja włókna szklanego – światłowody, laminaty).

Otrzymane wyroby poddaje się:

• odprężaniu – usunięciu naprężeń wewnętrznych przez ogrzanie do temperatury 500°C, a następnie stopniowe ochładzanie;
• wykańczaniu (np. obcinaniu zbędnych części);
• zdobieniu (np. rzeźbieniu);
• hartowaniu – procesowi polegającemu na podgrzewania szkła do temperatury ok. 650 °C i gwałtownym studzeniu sprężonym powietrzem; proces ten ma na celu zwiększenie wytrzymałości szkła; szkło hartowane charakteryzuje się wysoce krystaliczną strukturą, dzięki czemu w przypadku rozbicia rozpada się na małe kawałki o nieostrych krawędziach, stosowane jest głównie w budownictwie i w produkcji szyb samochodowych.

• budownictwo (szkło okienne, szkło hartowane, szkło klejone, szkło refleksyjne, szkło nieprzezroczyste – marblit używany do dekoracji ścian, szkło ceramiczne stosowane w kominkach i kuchenkach elektrycznych);
• przemysł chemiczny i farmaceutyczny (szkło laboratoryjne);
• przemysł spożywczy (opakowania szklane);
• przemysł optyczny (soczewki obiektywów, pryzmaty, filtry);
• przedmioty codziennego użytku (np. szklanki);
• wyrób przedmiotów artystycznych (świeczniki, zwierciadła, puchary, kielichy).