1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest ocena towaroznawcza wyrobów szklanych.

2. Część teoretyczna.

Właściwości szkła

• materiał odporny na działanie czynników atmosferycznych, może chronić przed deszczem, wiatrem,

• 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

• duża odporność na działanie odczynników chemicznych, można w nim swobodnie trzymać kwasy (wyjątek stanowi kwas fluorowodorowy, który roztwarza szkło - ta właściwość znalazła zastosowanie do grawerowanie wzorów na szkle za pomocą kwasu fluorowodorowego) oraz większość zasad,

• wykazuje małą przewodność elektryczną i cieplną, przez co szkło jest stosowane jako materiał izolacyjny,

• jest substancją niepalną, więc nie stanowi zagrożenia pożarowego,

• ze stopionej masy szklarskiej łatwo formuje się różne kształty produktów,

• jest tworzywem przeźroczystym, przepuszcza niemal 90 % promieni słonecznych, wykazując jednocześnie zdolność do selektywnej absorpcji,

• jest nieprzepuszczalne dla gazów oraz cieczy,

• kruchość i wrażliwość na zmiany temperatury.

Surowce i proces technologiczny produkcji szkła

Surowce używane w produkcji szkła:

• piasek kwarcowy (szklarski), stanowiący niemal 70 % masy całego zestawu surowcowego. Piasek szklarski musi być bardzo czysty i drobnoziarnisty. Wprowadza on krzemionkę, czyli tlenek krzemu (IV) - SiO₂.

• soda kalcynowa, jest następnym niezwykle ważnym substratem w produkcji szkła. Wprowadza do mieszanki surowcowej sód w postaci węglanu wapnia (Na₂CO₃).

• mączka wapienna, czyli rozdrobnione kamienie wapienne, głównie kredy i wapienie, są źródłem węglanu wapnia (CaCO₃).

• dolomity - skały, których głównym składnikiem są sole węglanowe wapnia i magnezu (MgCO₃∙ CaCO₃).

• stłuczka szklana, czyli potłuczone kawałki szkła, będące odpadami w produkcji przemysłowej tego tworzywa.

• Surowce mącące, klarujące, barwiące szkło.

Proces technologiczny wytwarzania wyrobów szklanych jest wieloetapowy i wymaga zachowania wielu parametrów tak, aby wyrób końcowy spełniał oczekiwania wizualne oraz techniczne. Do najważniejszych parametrów produkcji, od których zależy jakość produktu końcowego jest temperatura, odpowiednie warunki atmosfery i ciśnienie gazów. Wpływ tych warunków na jakość szkła jest następujący: temperatura decyduje o skuteczności topnienia składników, warunki atmosfery decydują o czystości szkła, ciśnienie gazów odpowiada za jednorodność masy szklanej.

Szkło jest substancją powstałą w skutek stopienia w bardzo wysokiej temperaturze(1573^oC) piasku kwarcowego SiO₂, wapienia CaCO₃ i sody (węglanu sodu) Na₂CO₃, które następnie są szybko chłodzone. Podczas produkcji naczyń szklanych na początku przygotowywany jest zestaw szklarski, będący odpowiednią mieszaniną komponentów. Zestaw ten trafia do pieca (wanny szklarskiej) i topi się w temperaturze ok. 1500^oC. Następnie masa szklana wypływa i jest formowana poprzez pocięcie jej na porcje nazywane kroplami. Trafiają one do maszyny nadającej opakowaniu szklanemu odpowiedni kształt. Uformowane opakowanie jest uszlachetniane na gorąco związkami cyny. Potem następuje proces studzenia i uszlachetniania na zimno.

Podczas produkcji szkła pozostałe operacje także wpływają na uzyskanie wyrobu szklanego jak najwyższej jakości. Zalicza się do nich sporządzanie mieszaniny produktów spełniających określone wymagania, ich topnienie w specjalnych piecach. Następnie ich odpowiednie uformowanie oraz tzw. odprężanie wyrobów już uformowanych i na końcu wykańczanie (malowanie, polerowanie). Każdy
z wymienionych procesów dzieli się na fazy, podczas których panują różne warunki.

W procesie sporządzania mieszaniny surowców ważna jest dokładne odważanie poszczególnych składników, ich wymieszanie, uformowanie w postaci kostek i dozowanie do pieców.

W procesie topnienia surowców prowadzi się: odwodnienie mieszanki wcześniej przygotowanej, topnienie krzemionki, która jest surowcem „szkłotwórczym” , mieszanie i schładzanie masy szklanej w celu jej ujednorodnienia, usuwanie powstałych pęcherzyków.

Podczas procesu topnienia gromadzą się pęcherzyki gazów takich jak CO₂, SO₂, O₂, które są produktami reakcji chemicznych zachodzących podczas procesu. Proces topnienia musi być prowadzony w odpowiedniej temperaturze, co powoduje zmianę charakterystyki uzyskiwanego produktu. Ma to wpływ na jego przeznaczenie. Proces topnienia odbywa się w przedziale 900-1200°C. Po stopnieniu otrzymuje się masę gotową do dalszej przeróbki, tzn. ciągnięcia i walcowania.

W procesie formowania wyróżnia się takie czynności jak walcowanie, ciągnięcie, wytłaczanie, prasowanie, wydmuchiwanie. Czynności te powodują nadawanie odpowiedniej formy stopionej masie. Wykonuje się je poprzez obróbkę ręczną lub mechaniczną. Dawniej większość czynności wykonywano ręcznie, dziś tylko wydmuchiwanie szkła jest czynnością nadal wykonywaną ręcznie.

W procesie uszlachetniania na gorąco uformowane wcześniej butelki czy słoiki przechodzą do tunelu w którym rozpyla się związek metalicznej cyny. Wnika ona w powierzchnię szkła dając wzrost odporności mechanicznej i nadając połysk.

W procesie odprężania wyróżnia się: ponowne podgrzewanie, kontrolowane, wolne schładzanie. Proces odprężania to właściwie minimalizowanie takiej wady szkła jak zbyt duże naprężenia wewnętrzne. Wadę tą nabywa masa szklana podczas procesów formowania, gdzie w szybki sposób schładza się. Aby usunąć tę wadę należy uformowaną już masę poddać ponownemu ogrzaniu do temperatury bliskiej temperaturze topnienia i pozostawić do powolnego wystygnięcia w temperaturze otoczenia. W procesie uszlachetniania na zimno szkło staje się jeszcze bardzie lśniące i estetyczne.

W procesie wykańczania wyróżnia się kilka czynności, które można wykonać celem nadania masie szklanej odpowiednich walorów estetycznych. Do tych czynności zalicza się rzeźbienie (żłobienie
w materiale różnych wzorów), rytowanie (żłobienie, lecz bardziej precyzyjne), trawienie (lekkie rozpuszczenie wierzchniej warstwy szkła za pomocą kwasu fluorowodorowego, następnie pokrycie materiału warstwą ochronną (np. kalafonią) i następnie rytowanie wzorów na tak powstałej powierzchni. Potem ponownie zanurza się przedmiot w kwasie celem pozbycia się ostrych krawędzi). Kolejną czynnością jest matowienie (inaczej tworzenie nieprzezroczystego szkła), malowanie, iryzowanie (uzyskiwanie mieniących się powierzchni szkła) i łuszczenie klejem. Łuszczenie polega na wpuszczaniu kleju w zmatowioną powierzchnię szkła i przy wysychaniu kleju następuje jego kurczenie i odrywanie wraz z niepotrzebnymi częściami szkła.

PROCES TECHNOLOGICZNY PRODUKCJI SZKŁA

SPORZĄDZENIE ZESTAWU SZKLARSKIEGO (ODMIERZANIE, ODWAŻANIE, MIESZANIE, BRYKIETOWANIE, DOSTARCZENIE DO PIECÓW)

TOPNIENIE

FORMOWANIE (WYDMUCHIWANIE,WALCOWANIE,WYTŁACZANIE,CIĄGNIĘCIE,ODLEW)

USZLACHETNIANIE NA GORĄCO

ODPRĘŻANIE WYROBÓW SZKLANYCH

USZLACHETNIANIE NA ZIMNO

WYKAŃCZANIE: RZEŹBIENIE, RYTOWANIE, TRAWIENIE, MATOWANIE, MALOWANIE, IRYZOWANIE, ŁUSZCZENIE KLEJEM.

Rodzaje szkła, podział ze względu na skład chemiczny zestawu szklarskiego, podział ze względu na zastosowanie, charakterystyka poszczególnych grup.

1. Ze względu na skład chemiczny wyróżnia się:

• szkło sodowo-wapniowe (najtańsze) stosowane często do produkcji butelek i innych opakowań. Charakteryzuje się kolorem zielonkawym co jest spowodowane jego zanieczyszczeniem przez związki żelaza.

• szkło potasowo-wapniowe często stosowane do wyrobu różnego rodzaju szkła laboratoryjnego
  i stołowego. Jest to czyste szkło z połyskiem, droższe od sodowo-wapniowego, i bardziej odporne na zmiany temperatury.

• szkło ołowiowe stosowane do wyrobu szkieł stołowych (wazonów). Jest droższe, a podczas uderzenia wydaje dźwięk podobny do kryształu.

• szkło borowo-krzemowe jest również stosowane w produkcji szkła laboratoryjnego oraz
  w produkcji naczyń żaroodpornych ponieważ odznacza się odpornością na działanie wysokich temperatur i działanie środków chemicznych.

• szkło krzemionkowe stosowane jest głównie do produkcji soczewek, aparatów do destylacji oraz zbiorników na kwas. Jego główną zaletą jest to, że jest odporne na uszkodzenia mechaniczne oraz wytrzymałe pod względem termicznym i chemicznym.

2. Ze względu na zastosowanie:

• szkło budowlane - zasadnicza cechą szkła budowlanego jest mały współczynnik pochłaniania dźwięku, a duży współczynnik jego odbicia , dzięki czemu uzyskuje się izolacyjność akustyczną. Produkuje się go z różnych gatunków szkła, najczęściej z krzemowo - sodowo - wapniowego. Dzieli się na:

• szkło okienne - jest to szkło płaskie, najczęściej produkowane metodą float (szkło płynie
  w postaci wstęgi na powierzchni ciekłej cyny). Szkło float może być produkowane w grubościach od 2 do 19 mm. Szkło do stosowania w budownictwie dostępne jest standardowo w grubościach od 3 do 12 mm. Przepuszczalność światła zależy od grubości oraz zawartości tlenku żelaza w masie szklanej. Szkło o niskiej zawartości tlenku żelaza nazywane jest szkłem odbarwianym lub ekstra białym,

• szkło płaskie walcowane - produkowane najczęściej jako szkło ornamentowe (wzorzyste)
  w grubościach od 3 do 8 mm,

• szkło płaskie zbrojone - z wtopioną metalową siatką zbrojeniową, w taflach o grubości od 5 do 8 mm,

• szkło płaskie barwione w masie (szkło barwne)- podczas wytopu szkła dodawane są składniki, które powodują zabarwienie masy szklanej na pożądany kolor. Najczęściej są to związki metali ciężkich,

• szyby zespolone - zestawy szyb złożone z dwóch, trzech lub więcej pojedynczych szyb przedzielonych ramką dystansową, które produkuje się z dwustopniowym uszczelnieniem krawędzi zespolenia,

• szkło hartowane - o większej wytrzymałości mechanicznej i większej odporności na powierzchniową różnicę temperatur. Otrzymywane przez poddanie szkła zwykłego odpowiedniej obróbce termicznej polegającej na podgrzaniu do temperatury 680-720 °C i bardzo szybkim schłodzeniu 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 klejone - w wypadku jego stłuczenia, warstwy folii zabezpieczają przed przebiciem
  i utrzymują kawałki szkła w niezmienionej pozycji. Używane w budownictwie i do produkcji szyb samochodowych,

• szkło refleksyjne - szkło płaskie, które w procesie on-line (metoda pirolityczna) lub off-line (metoda magnetronowa), poddawane jest obróbce polegającej na napyleniu specjalnej selektywnej powłoki, która przepuszcza światło, ale posiada duży współczynnik odbicia promieniowania podczerwonego. Zastosowanie takiego szkła latem zabezpiecza pomieszczenia przed nagrzaniem, zimą ogranicza wypromieniowanie ciepła z wnętrza pomieszczenia. 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,

• szkło ceramiczne tworzywo szklano-ceramiczne - używane głównie jako szkło kominkowe
  i w kuchenkach elektrycznych. Jego odporność temperaturowa sięga 750 °C. Ma bardzo mały współczynnik rozszerzalności cieplnej, skąd wynika wysoka odporność na szok termiczny,

• szkło techniczne obejmuje dużą ilość gatunków, zależnie od przeznaczenia. Rozróżnia się:

• szkło laboratoryjne bardzo odporne na działanie chemikaliów i bardzo wysokiej temperatury, stosowane na naczynia laboratoryjne i części aparatury chemicznej, farmaceutycznej
  i biologicznej,

• szkło elektrotechniczne izolatorowe o dużej elektrycznej odporności właściwej, małej stratności dielektrycznej i dużej wytrzymałości mechanicznej, stosowane na izolatory nisko-
  i wysokonapięciowe,

• szkło elektropróżniowe charakteryzuje się podobnymi właściwościami jak izolatorowe, a ponadto odpowiednim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej (dla umożliwienia łączenia z metalami) oraz określoną pojemnością i przewodnością cieplną, stosowane na lampy radiowe, lampy kineskopowe, rurki neonowe, na elementy urządzeń próżnioszczelnych łączonych z kowarem, molibdenem i wolframem,

• szkło optyczne o absolutnej jednorodności i bezbarwności, odprężane termicznie, stosowane na soczewki, pryzmaty, lustra i inne elementy przyrządów optycznych,

• szkło kwarcowe najodporniejsze na działanie rozcieńczonych kwasów, ale mało odporne na działanie zasad, odporne również na szybkie zmiany temperatury i działanie wysokich temperatur rezystywności. Stosowane jest na elementy przyrządów optycznych, aparatury laboratoryjnej odpornej cieplnie i chemicznie, w radiotechnice i lampach kwarcowych,

• szkło specjalne np. strzykawkowe, na termometry, lustrzane, dozometryczne, oświetleniowe, ognioodporne, ampułkowe, ochronne,

• szkło gospodarcze stosowane na wyroby dla gospodarstwa domowego lub przedmioty ozdobne, jest najczęściej szkłem krzemowo- sodowo - wapniowym z ewentualnymi dodatkami zwiększającymi przezroczystość i połysk. Do tej grupy zalicz się również szkło kryształowe, odznaczające się dużym współczynnikiem załamania światła i pięknym dźwiękiem.

• szkło na opakowania jest również szkłem krzemowo - sodowo - wapniowym. Służy do wyrobu wszelkiego rodzaju szklanych opakowań dla przemysłu spożywczego, chemicznego, farmaceutycznego, kosmetycznego i innych. Ze względu na niska cenę stosowane powszechnie, mimo małej wytrzymałości na uderzenia i dość dużego ciężaru.

Inne grupy materiałów szklanych i ich zastosowanie.

• szkło piankowe wytwarza się ze zmielonego szkła i dodatków gazotwórczych np. wapieni. Dzięki porowatej strukturze charakteryzuje się ono mała przewodnością cieplną i duża zdolnością pochłaniania dźwięku. Stosowane jest jako materiał izolujący cieplnie i akustycznie.

• włókna szklane są produkowane z różnych gatunków szkła, zależnie od przeznaczenia. Są odporne na działanie rozpuszczalników organicznych, kwasów. Stosowane są na tkaniny techniczne, dekoracyjne i ochronne oraz do zbrojenia tworzyw sztucznych; w tym ostatnim przypadku
  w postaci tkanin, mat lub włókna ciętego

• wata szklana jest wytwarzana z luźnych włókien szklanych (ze szkła zwykłego) o średnicy ok. 30µm. Dzięki małej przewodności cieplnej stosowana jest jako materiał termoizolacyjny.

• szkło krystaliczne tzw. pyroceram , otrzymuje się dzięki specjalnym dodatkom wywołującym krystalizację i obróbce cieplnej. Pyroceram jest nie przezroczysty, o barwie beżowo - brązowej. Charakteryzuje się jednorodna, drobnoziarnista strukturą, wysoką wytrzymałością mechaniczną, bardzo dużą odpornością na ścieranie i twardością oraz wysoką temperaturą mięknięcia. Stosowany jest na części aparatury chemicznej i laboratoryjnej (np. moździerze), zastępując
  w wielu przypadkach kamienie szlachetne i półszlachetne (zwłaszcza agat).

3. Przedstawienie wyników przeprowadzonych badań, obserwacji.

Rodzaj szkła	Charakterystyka	Średnica	Wysokość	Waga	Waga z wodą	Pojemność naczynia
Butelka	Zgrubienia na naczyniu, obrzeża zatopione, w masie szklanej pęcherzyki, szkło bezbarwne, gładka błyszcząca powierzchnia zdobiona, stabilnie oparta na podłożu	59 mm	162 mm	188 g	501 g	313 ml
Mały słoik	Szkło bezbarwne, gładki, błyszczący, obrzeża bez zgrubień, brak ostrych krawędzi, stabilność naczynia, obrzeża zatopione	59 mm	96 mm	168 g	392 g	224 ml
Kieliszek wysoki	Bezbarwny, gładki, błyszczący, zdobiony, obrzeża bez zgrubień, stabilność, gładkie krawędzie	43 mm	11,1 mm	45 g	72 g	27 ml
Szklanka	Przeźroczysta, obecność zgrubień na obrzeżach, matowa, gładka, stabilna, masa szklana z pęcherzykami, liczne smugi	64 mm	106 mm	131 g	404 g	273 ml
Kieliszek mały	Bezbarwny, gładkie krawędzie, stabilny, błyszczący, gładki, obrzeża zatopione, niezdobiony	37 mm	54 mm	64 g	109 g	45 ml
Mała butelka	Kolor brązowy (ciemny odcień), bez zgrubień i nierówności, niestabilna, gładka, błyszcząca, brak zdobień	37 mm	92 mm	60 g	107 g	47 ml

Sprawdzenie równomierności rozłożenia szkła w ściankach naczynia szklanego: 4,03 mm; 4,3 mm; 3 mm; 3,09 mm; 4,03 mm; 3 mm; 5,01 mm; 2,09 mm; 5 mm; 6,05 mm; 2,04 mm; 3 mm; 5 mm; 7 mm; 4 mm; 3,3 mm; 4,3 mm; 5 mm; 4,9 mm; 4 mm; 5 mm; 1,9 mm; 2,0 mm; 1,8 mm; 2,7 mm; 3 mm; 4,3 mm; 6,3 mm; 3 mm; 4 mm

Rozrzut: 6,05 - 1,8 mm= 4,25 mm

4. Wnioski

Badanie wyrobów szklanych zostało przeprowadzone na następujących naczyniach: kieliszek wysoki, kieliszek, szklanka, słoik duży, słoik mały, duża butelka. Po dokonaniu oceny zewnętrznej tych wyrobów można stwierdzić, że ich powierzchnia jest gładka, błyszcząca, naczynia są stabilne. Na niektórych naczyniach zaobserwowano wady np. na szklance zostały zaobserwowane zgrubienia na obrzeżach, kieliszek posiadał pęknięcie. Badane wyroby różnią się między sobą pod względem wymiarów - średnicy, wysokości, szerokości. Posiadają różną pojemność np. szklanka 273 ml, kieliszek 45 ml. Rozrzut szkła wynosi 6,05 - 1,8 mm=4,25 mm. Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że różnice w wymiarach, pojemnościach, wyglądzie badanych wyrobów wynikają z ich różnego przeznaczenia, zastosowania, zastosowanego procesu produkcji oraz użytych surowców.

---