Kołacz Joanna

13.12.2010 r.

TBHP W10

Praca kontrolna nr 1 z Technik wytwarzania z materiałoznawstwem

Temat: Szkło i sposoby jego otrzymywania

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

Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła jest piasek kwarcowy oraz dodatki, najczęściej: węglan sodu (Na₂CO₃) i węglan wapnia (CaCO₃), topniki: tlenek boru (B₂O₃) i tlenek ołowiu(II) (PbO) oraz pigmenty, którymi są zazwyczaj tlenki metali przejściowych, kadmu, manganu i inne. Surowce są mieszane, topione w piecu 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.

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.

Klasyfikacja szkła:

• Szkło budowlane: płaskie walcowane i ciągnione, zespolone, hartowane, barwne nieprzejrzyste, piankowe, szkła budowlane są zazwyczaj szkłami sodowo-wapniowo-potasowo-krzemianowymi.

Niektóre rodzaje szkła budowlanego:

• Szkło okienne

• Szkło płaskie walcowane

• Szkło płaskie zbrojone

• Szkło płaskie barwione w masie (Szkło barwne)

• Szyby zespolone

• Szkło hartowane

• Szkło klejone

• Szkło refleksyjne

• Szkło elektroprzewodzące

• Szkło nieprzezroczyste (marblit)

• Szkło ceramiczne tworzywo szklano-ceramiczne

• Ponadto ze szkła produkowane są wyroby takie, jak np. pustaki szklane, wełna szklana.

• Szkło jenajskie zwane też szkłem boro-krzemianowym - wynalezione w Jenie, cechujące się 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 - 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.

• Szkło sodowe: CaO, SiO₂, Na₂O. Ma bardzo duże zastosowanie w życiu codziennym, wykonane są z niego np. opakowania szklane, szyby, szklanki.

• Szkło sodowo-potasowe uszlachetnione barem.

Szkło i wyroby ze szkła

1. Surowce

1. Podstawowe:

• piasek szklarski - kwarcowy (krzemionka SiO₂)

• węglan sodowy (Na₂CO₃)

• węglan potasowy (K₂CO₃)

• wapienie (głównie CaCO₃)

• minia ołowiowa (PbO)

2. Pomocnicze - ułatwiające i przyspieszenie topienie masy szklanej

• sulfat Na₂SO

• saletry (azotany): NaNO₃, KNO₃, Ba(NO₃)₂

• arszenik AsO₃

3. Dodatkowe - nadają określone własności

• barwniki

• środki klarujące

• środki mącące

Produkcja szkła

Przygotowanie zestawu szklarskiego

Surowce wykorzystywane do produkcji szkła są wpierw odważone, następnie po wymieszaniu są zasypane do szklarskich pieców.

Topienie masy szklanej

ogrzewanej do bardzo wysokiej temperatury- kilka tysięcy °C. Tak wysoką temperaturę zapewniają palniki gazowe.

Procesy prowadzące do gotowego produktu to:

• Prasowanie,

• Ciągnienie masy szklarskiej,

• Proces walcowania,

• Proces wydmuchiwania lub wtłaczania w odpowiednie formy,

• Odprężanie,

• Hartowanie 

Produkcja szkła płaskiego- na powierzchni stopionej cyny (c) po zastosowaniu chłodzenia (d); dalsze chłodzenie na wałkach (e);cięcie szkła przecinakiem (f)




Przykładowe sposoby otrzymywania szkła:

Metoda Zol-żel (sol-gel) może stanowić dobrą alternatywę otrzymywania szkieł dla specjalnych zastosowań. Pozwala ona uzyskiwać materiały w temperaturach znacznie niższych niż w przypadku tradycyjnej metody topienia.
Pozwala ona uzyskiwać cienkie warstwy na różnych podłożach, takich jak np. folia szklana, materiały włókniste.
Szkła otrzymane w procesie zol-żel charakteryzuje wysoka czystość chemiczna, są one także wolne od pęcherzy, smug i wtrąceń.
Proces ten bazuje na mieszaninach cieczy.

Sposób wytwarzania szkła piankowego stosowano drobno zmieloną na sucho mieszankę szkła z dodatkiem sadzy gazowej, albo sadzy lampowej, wodorotlenku strontu albo węglanów wapnia, magnezu lub innych środków spieniających. Następuje intensywne wywiązywanie się gazu, powodujące szybkie wypełnienie formy pianką szklaną. Zawartość formy ochładza się tak, że powstaje warstwa zewnętrzna, która utrzymuje kształt.

---