Szkło - to materiał otrzymywany w wyniku stopienia tlenku krzemu (krzemionka, SiO2) z różnymi dodatkami dobranymi w odpowiednich proporcjach, a następnie szybkiego ochłodzenia tak, aby nie doszło do pełnej krystalizacji krzemionki, lecz aby w strukturze pozostało jak najwięcej fazy amorficznej, będącej formalnie rzecz biorąc przechłodzoną cieczą.
Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła jest piasek kwarcowy (SiO2) oraz dodatki, najczęściej: węglan sodowy (Na2CO3) i węglan wapniowy (CaCO3), topniki: tlenki boru i ołowiu (B2O3, PbO) oraz barwniki, którymi są zazwyczaj tlenki metali przejściowych (kadm, mangan i inne). Surowce są mieszane, topione w piecu w temperaturze 1400-1500 °C, po czym formowane w wyroby przed pełnym skrzepnięciem. Produkcja szkła znana była już ponad pięć tysięcy lat temu. W I wieku p.n.e. znano metodę wytwarzania przedmiotów przez wydmuchiwanie, w XIX wieku wynaleziono metodę odlewania.
Właściwości szkła:
materiał izotropowy
słaby przewodnik dla elektryczności
materiał o dużej odporności chemicznej (nie jest odporny na działanie kwasu fluorowego i fosforowego)
właściwości mechaniczne szkła budowlanego:
gęstość szkła budowlanego 2400-2600 kg/m3
wytrzymałość na zginanie 30-50 MPa
wytrzymałość na ściskanie 800-1000 MPa
Właściwości szkła są uzależnione od sposobu wytopu, oraz w ograniczonym zakresie od składu chemicznego.
Rodzaje szkła:
szkło jenajskie zwane też szkłem boro-krzemianowym - po raz pierwszy wynalezionym w Jenie, które cechuje stosunkowo niska temperatura topnienia (ok. 400 °C), łatwość formowania i jednocześnie wysoka odporność 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.
Niektóre rodzaje szkła budowlanego:
szkło okienne - jest to szkło płaskie, najczęściej produkowane metodą ciągnioną, w grubościach od 2 do 10 mm. Przepuszczalność światła zależy od grubości i waha się od 85% do 77%
szkło płaskie walcowane - produkowane najczęściej jako wzorzyste w grubościach od 3 do 7 mm
szkło płaskie zbrojone - z wtopioną metalową siatką, w taflach o grubości od 5 do 8 mm
szyby zespolone - zestawy złożone z dwóch lub trzech szyb przedzielonych przekładką dystansową i połączonych szczelnie na obwodzie, obecnie najczęściej używane do szklenia okien
szkło hartowane - o większej wytrzymałości mechanicznej i większej odporności na gwałtowne zmiany temperatury. Otrzymywane przez poddanie szkła zwykłego odpowiedniej obróbce termicznej polegającej na podgrzaniu do temperatury 620 - 680°C i niezbyt szybkim ochłodzeniu sprężonym powietrzem - co powoduje zmianę jego mikrostruktury - tworzy się bardzo regularna sieć drobnych kryształków krzemionki poprzedzielana niewielkimi domenami fazy amorficznej. Na skutek takiej wysoce krystalicznej struktury, przy rozbiciu szkło to rozpada się na małe kawałeczki o nieostrych krawędziach. Używane w budownictwie i do produkcji szyb samochodowych
szkło refleksyjne - szkło płaskie o powierzchni pokrytej warstwą innego materiału, przepuszcza światło, ale posiada duży współczynnik odbicia promieniowania. Zastosowanie takiego szkła latem zabezpiecza pomieszczenia przed nagrzaniem, zimą ogranicza wypromieniowanie ciepła z wnętrza. Przez możliwość naniesienia warstwy refleksyjnej o różnej barwie - daje ciekawe efekty architektoniczne na elewacjach budynków
szkło elektroprzewodzące - z naniesioną powłoką z materiału elektroprzewodzącego
szkło nieprzezroczyste (marblit) - w postaci płyt i płytek używanych do dekoracji ścian
Szczególnym zastosowaniem szkła jest produkcja tzw. włókna szklanego; powstaje ono przez przeciskanie stopionej masy szklanej przez otwory o b. małej średnicy. W zależności od średnicy i składu włókno takie ma dwa główne zastosowania:
światłowód; dzięki wewnętrznemu odbiciu impulsy świetlne w odp. przygotowanym włóknie szklanym mogą bez znaczącego osłabienia pokonywać ogromne odległości; dodatkowo jedno włókno światłowodowe może przekazywać jednocześnie wiele takich impulsów o różnych częstotliwościach, dzięki czemu przepustowość informacyjna światłowodu jest gigantyczna w porównaniu z tradycyjnymi miedzianymi przewodami. Światłowody mają ogromne i wciaż rosnące zastosowanie w teleinformatyce.
tkaniny i maty szklane służące do zbrojenia sztucznych żywic czyli produkcji tzw. laminatów. W połączeniu z żywicami poliestrowymi (tańszymi) lub epoksydowymi (droższymi, ale wytrzymalszymi i odporniejszymi) tworzą lekki, wytrzymały i odporny materiał konstrukcyjny powszechnie stosowany w lotnictwie, szkutnictwie, przemyśle samochodowym etc. W wypadku droższych i bardziej wymagających konstrukcji włókna szklane bywają uzupełniane lub zastępowane węglowymi lub aramidowymi, jednak jako podstawowy składnik laminatów długo pozostaną dominujące, zwł. ze wzgledu na stosunkowo niską cenę.
Szkło piankowe
Szkło piankowe - materiał pochodzenia mineralnego stosowany w budownictwie do izolacji termicznych i akustycznych. Otzrymywany z roztopionego szkła prze dodanie domieszek pianotwórczych. Jest nieprzeźroczyste, odporne na korozję biologiczną i chemiczną, niepalne. W obecności płomieni nie wydziela gazów toksycznych. Produkowane w dwóch odmianach:
czarne - struktura o zamkniętych porach, ciężar objętościowy ok. 140 kg/m3
białe - struktura o porach otwartych, ciężar objętościowy ok. 300 kg/m3
Szkło czarne posiada lepsze parametry izolacyjne i mniejszą nasiąkliwość niż białe, które z kolei cechuje większa wytrzymałość na obciążenia mechaniczne. Zastosowanie szkła piankowego: izolacja fundamentów, ścian, stropów i stropodachów, czasem jako samodzielną ścianę działową, nawet jako przegrodę ogniową.
Wełna szklana
wełna szklana - materiał izolacyjny pochodzenia mineralnego stosowany w temperaturach do + 700 oC. Właściwości, technologia produkcji i zastosowanie są podobne do wełny mineralnej. Wełna szklana otrzymywana jest w wyniku topienia w temperaturze + 1000 oC piasku kwarcowego, stłuczki szklanej z dodatkiem skał takich jak: garbo, dolomit lub wapień. Rozstopiony surowiec poddaje się procesowi rozwłókniania, do otrzymanych włókien dodaje się lepiszcze. Wyrób w postaci płyt, mat, otulin (mat lamelowych, czyli mat oklejonych impregnowanym papierem, folią aluminiową), granulatu (luzem) stosuje się do izolacji termicznej i akustycznej w budownictwie. Ciężar objętościowy od 20 kg/m3 do 150 kg/m3. Wyroby w postaci welonu stosuje się jako osnowę do produkcji niektórych rodzajów pap.
Krzemionka topiona (fused silica) to materiał otrzymywany w wyniku ultra szybkiego schładzania idealnie czystej ciekłej lub gazowej krzemionki, w wyniku czego uzyskuje się substancję zwierającą wyłącznie fazę amorficzną, bez żadnego udziału fazy krystalicznej.
Topiona krzemionka, jest materiałem o znacznie podwyższonej odporności mechanicznej w stosunku do zwykłego szkła. Topioną krzemionkę moża poddawać dość dużym obciążeniom zginającym i rozciągającym. Jest ona też dość odporna na uderzenia. Cienkie włókna topionej krzemionki można formować w bardzo małe pętle, a nawet można je supłać w węzły.
Ze względu na brak jakichkolwiek zanieczyszczeń i dodatków na powierzchni topionej krzemionki występuje bardzo duża liczba grup silanolowych (Si-OH), co powoduje, że "klei" się ona do zwykłego szkła i wielu tworzyw sztucznych, które normalnie nie można łączyć ze zwykłym szkłem. Ze względu na bardzo dużą czystość posiada ona także bardzo wysoką przezroczystość zwłaszcza w zakresie światła ultrafioletowego i podczerwonego.
Topiona krzemionka jest też szkło-podobnym materiałem o najwyższej znanej spośród innych rodzajów szkła temperaturze mięknięcia. Traci ona swoje własności mechaniczne dopiero w temperaturze pow. 1100 ° C. Posiada też ona wyjątkowo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej.
Wszystkie te cechy powodują, że topioną krzemionkę wykorzystuje się do konstruowania światłowodów, oraz bardzo cienkich rurek, które wykorzystuje się jako kolumny w chromatografii gazowej.
Jest ona także wykorzystywana do produkcji lamp, soczewek i pryzmatów mających pracować w bardzo wysokich temperaturach, oraz okien w batyskafach i głębinowych aparatach fotograficznych.
