TECHNOLOGIA MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH – LABORATORIUM		2010/2011
Katarzyna Plebanek, Krzysztof Szpak, Mateusz Ryba, Ewa Bulaga, Monika Proszowska, Karolina Wach, Dariusz Gałek, Krzysztof Kowaleczko		Rok III	Grupa 2
Numer Ćwiczenia 1,2	TOPIENIE ZESTAWÓW SUROWCOWYCH NA SZKŁA OBLICZANIE WŁAŚCIWOŚCI SZKIEŁ NA PODSTAWIE ICH SKŁADU CHEMICZNEGO	Ocena

1. Podstawy teoretyczne

Technologie otrzymywania szkieł przemysłowych oparte są z reguły na procesie topienia surowców i formowaniu wyrobów z przechłodzonego stopu.

Jako podstawowe surowce do topienia szkieł stosuje się surowce szkłotwórcze, które topiąc się, dają stop o dużej lepkości, uniemożliwiającej w normalnych warunkach jego przekrystalizowanie; dzięki temu stop, stygnąc, przechodzi na drodze ciągłych przeobrażeń strukturalnych w ciało stałe amorficzne (o nieuporządkowanej strukturze). Do surowców szkłotwórczych zalicza się przede wszystkim krzemionkę SiO₂, występującą w przyrodzie głównie w postaci piasków kwarcowych, oraz związki, wprowadzające tlenki boru B₂O₃ i fosforu P₂O₅. Obok surowców szkłotwórczych do produkcji szkieł stosuje się topniki i modyfikatory, mające na celu obniżenie temperatury topienia i intensyfikację tego procesu, a także modyfikację własności szkieł w zależności od ich przeznaczenia. Zaliczyć tu należy przede wszystkim surowce węglanowe (Na₂CO₃, K₂CO₃, CaCO₃, BaCO₃) a także tlenkowe (minia Pb3O4, ZnO). Do topienia szkieł używa się również surowców pomocniczych, jakimi są środki klarujące (wspomagające odgazowanie stopu), surowce barwiące (związki metali przejściowych), surowce odbarwiające (neutralizujące zabarwienie pochodzące od żelaza).

Proces technologiczny wytwarzania wyrobów szklanych składa się z następujących operacji:

Przygotowanie zestawu surowcowego (odważanie surowców,

mieszanie, kontrola jednorodności zestawu)

↓

Topienie zestawu surowcowego

↓

Klarowanie (odgazowanie) stopu, ujednorodnienie stopu

↓

Przechłodzenie stopu do temperatury „wyrobowej”

↓

Formowanie wyrobów z przechłodzonego stopu

↓

Odprężanie wyrobów i kontrola ich jakości

2. Wykonanie ćwiczenia

• Przeprowadzono topienie uprzednio przygotowanego zestawu surowcowego na szkło wg instrukcji podanej przez prowadzącego zajęcia,

• przeprowadzono obliczenia właściwości szkieł, korzystając ze we wzorów addytywności (proporcjonalnego wpływu każdego składnika na daną właściwość),

  • obliczono temperatury, w których lepkość η szkieł wynosi:

    10³ dPas 10⁵ dPas 10⁷ dPas 10¹³ dPas

Obliczenia przeprowadzono posługując się wzorami Ochotina:

gdzie:

t – temperatura odpowiadająca danej lepkości η

A₁, A₂, A_3, A₄, A₅ – współczynniki obliczeniowe (wartości podane w instrukcji – Tabela 4-3)

x₁, x₂, x₃, x₄, x₅ – zawartości procentowe (% wagowy) odpowiednich tlenków: SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, Na₂O

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń sporządzono wykresy lepkości w funkcji temperatury:

3. Opracowanie wyników

Podstawowe surowce:

• SiO₂ – krzemionka – piasek (64,5%)

• K₂O – K₂CO₃ (7,0%)

• PbO – minia Pb₃O₄ (17,5%)

• BaO – BaCO₃ (6,0%)

• ZnO (5,0%)

% mol	%wag sur/100g	sur/50g
SiO2 64,5%	SiO2 39,6	19.8
K2O 7,0%	K2CO3 11,16	5.58
PbO 17,5%	Pb3O4 89,7	44.85
BaO 6,0%	BaCO3 12,09	6.045
ZnO 5,0%	ZnO 4,2	2.1

%

%

%

%

%

(2Pb₃O₄) 1317,26g → 669,63g (3PbO)

x → 40

x = 78,67%

T_top = 1250ºC

Katarzyna Plebanek, Krzysztof Szpak, Dariusz Gałek, Krzysztof Kowaleczko

Rok III

Grupa 2 Zespół nr 2

II SiO2 CaO MgO Al2O3 Na2O	1 80 - - 10 10	2 70 15 - - 15	3 70 10 5 5 10
10^3	10^5	10^7	10^13
A1 – SiO2; A3 – CaO; A5 – Na2O; A2 – Al2O3; A4 – MgO

Obliczenia przeprowadzono posługując się wzorami Ochotina:

gdzie:

t – temperatura odpowiadająca danej lepkości η

A₁, A₂, A_3, A₄, A₅ – współczynniki obliczeniowe (wartości podane w instrukcji – Tabela 4-3)

x₁, x₂, x₃, x₄, x₅ – zawartości procentowe (% wagowy) odpowiednich tlenków: SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, Na₂O

Obliczono współczynnik rozszerzalności cieplnej wg wzoru:

Gdzie:

α – obliczany współczynnik rozszerzalności cieplnej

m_i – zawartość danego tlenku w % molowych

α_i – współczynniki obliczeniowe dla poszczególnych tlenków

Mateusz Ryba, Ewa Bulaga, Monika Proszowska, Karolina Wach

Rok III

Grupa 2 Zespół nr 1

I SiO2 CaO MgO Al2O3 Na2O	1 80 10 - - 10	2 70 - - - 30	3 70 8 4 3 15
10^3	10^5	10^7	10^13
A1 – SiO2; A3 – CaO; A5 – Na2O; A2 – Al2O3; A4 – MgO

gdzie:

t – temperatura odpowiadająca danej lepkości η

A₁, A₂, A_3, A₄, A₅ – współczynniki obliczeniowe (wartości podane w instrukcji – Tabela 4-3)

x₁, x₂, x₃, x₄, x₅ – zawartości procentowe (% wagowy) odpowiednich tlenków: SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, Na₂O

1)

10³ → t=16,73*80 + 0,63*10 +(-6,14)*10 = 1283,3

10⁵ → t=11,79*80 + 5,54*10 +(-3,58)*10 = 962,8

10⁷ → t=9,03*80 + 7,85*10 +(-1,33)*10 = 787,6

10¹³ → t=6,10*80 + 9,25*10 +(-0,04)*10 = 580,1

2)

10³ → t=16,73*70 +(-6,14)*30 = 986,9

10⁵ → t=11,79*70 +(-3,86)*30 = 717,9

10⁷ → t=9,03*70 +(-1,33)*30 = 592,2

10¹³ → t=6,10*70 +(-0,04)*30 = 425,8

3)

10³ → t=16,73*70 + 23,2*3 + 0,63*8 + 9,6*4 +(-6,14)*15 = 1192,04

10⁵ → t=11,79*70 + 16,8*3 + 5,54*8 + 10,5*4 +(-3,58)*15= 908,32

10⁷ → t=9,03*70 + 13,4*3 + 7,85*8 + 10,5*4 + (-1,33)*15= 757,15

10¹³ → t=6,10*70 + 9,9*3 + 9,25*8 + 5,3*4 +(-0,04)*15=551,3

1)

1 mol SiO₂ - 60,09

x moli SiO₂- 80,9

x=1,3

1mol CaO-56,08

x moli CaO-10

x=0,17

1mol Na₂O -61,99

x mola Na₂O- 10

Σ=1,63

1,63-100%

1,3- x%

x=79,75%

1,63-100%

0,17-x%

x=10,41%

1,63-100%

0,16-x%

x=9,82%

2)

1 mol SiO₂ -60,09

x mola SiO₂-70

x=1,16

1mol Na₂O-61,99

x mola Na₂O -30

x=0,48

Σ=1,64

1,64 -100%

1,16 – x%

x= 70,73%

1,64 -100%

0,48 – x%

x=29,27%

3)

1 mol SiO₂ -60,09

x moli SiO₂-70

x=1,16

1 molCaO – 56,08

x mola CaO-8

x=0,14

1 mol MgO- 40,3

x mola MgO- 4

x=0,09

1 mol Al₂O₃- 101,96

x mola Al₂O₃- 3

x=0,03

1 mol Na₂O- 61,99

x mola Na₂O-15

x=0,24

Σ=1,66

1,66-100%

1,16- x%

x=69,88%

1,66-100%

0,14-x

x=8,43%

1,66-100%

0,09-x

x=5,42%

1,66-100%

0,03-x%

x=1,8%

1,66-100%

0,24-x

x=14,46

Wnioski

Szkło powstaje w wyniku stopienia pewnych materiałów, np krzemionki, a następnie przez odpowiednie studzenie stopu. Stop w stanie ciekłym nazywany jest masą szklaną. Masa szklana stygnąc zwiększa swą lepkość, staje się plastyczna i ciągliwa a następnie przechodzi w ciało twarde, sprężyste i kruche, czyli staje się szkłem.

Szkło można wytworzyć z samej krzemionki. Wystarczy stopić ją w temp. ok. 2000 K i stop odpowiednio schłodzić, aby otrzymać szkło. Szkło krzemionkowe ma niezwykle cenne właściwości – jest bardzo twarde, odporne na działanie wody i kwasów oraz na działanie wysokiej temperatury. Główną wadą szkła krzemionkowego jest mała ciągliwość i plastyczność, nawet w wysokiej temperaturze topienia. Nie można zmniejszyć lepkości takiego szkła, przez zwiększanie temperatury, ponieważ zawarta w nim krzemionka paruje. Dodanie do krzemionki jednego z tlenków metali dwuwartościowych, np. wapnia magnezu itp. Również powoduje obniżenie się temperatury topnienia. Tworzą się krzemiany wapniowe, topiące się łatwo i rozpuszczające nadmiar krzemionki. Masa taka nie daje się normalnie przechłodzić, gdyż łatwo krystalizuje.

Z punktu widzenia chemicznego szkło jest roztworem krzemianów i krzemionki, ewentualnie również tlenków i soli, które nie weszły w reakcję z krzemionką, a także rozpuszczonych gazów i wody.