Kysličníková skla Technická univerzita v Liberci Nekovové materiály, 5. MI Doc. Ing. K. Daďourek 2008
Druhy amorfních látek
Přírodní skla Vulkanická skla : zásaditá 45 až 50 % SiO 2 sideromelan kyselá perlit, obsidián Skla jiného původu : tektity impaktní skla fulgurity frikcionity Lybijské pouštní sklo
Historie skel Prvý výskyt asi 3000 let PNL v Babylonii natronová skla Egyptská skla : 70 % SiO 2 + 10 % CaO + 20 % Na 2 O 100 let PNL vynález sklářské píšťaly 300 let NL Římské sklo přechod k masové produkci s potaší ze dřeva ( K 2 O místo Na 2 O)
Příklady starověkých skel Egyptské sklomáčení hliněného jádra Římské foukané sklo
Struktura kysličníku křemičitého
Skutečnost v prostoru Křemenné čtyřstěny tvoří složitou prostorovou strukturu z prostorově orientovaných a nerovinných šestiúhelníků, průmět do roviny jsou pravidelné šestiúhelníky.
Křemenné sklo Amorfní struktura kysličníku křemičitého Teploty : tuhnutí 1710 o C, skelný přechod 600 o C, odskelnění 1050 o C. Hustota 2,2 g/cm 3 (křemen 2,65 g/cm 3 ) - typické Velmi prudká změna viskozity špatně zpracovatelné Teplotní roztažnost 5*10-7 K -1, křemen o řád víc. Snese velké tepelné šoky. Dokonalý elektrický izolátor, malá tepelná vodivost Propouští i UV a IČ záření nad 90 % v intervalu 250 až 4700 nm. Vynikající chemická odolnost (kromě silných alkalií). Rozpustnost pouze v kyselině fluorovodíkové Důležitý v chemickém a potravinářském průmyslu Dilatometry, délkové normály
Zpracovatelnost skla Musí být dostatek času Meze zpracovatelnosti
Tavicí přísady do skla Křemenné sklo - vadí vysoká teplota tuhnutí a vysoká viskozita taveniny. Špatná zpracovatelnost. Snížení - tavicí přísada některý z alkalických kysličníků, sodný nebo draselný. Tím poklesne teplota tuhnutí až na 900 o C, poklesne silně i viskozita taveniny, současně se však sníží silně i chemická odolnost skla a zvýší jeho elektrická vodivost a tepelná roztažnost. Vznikne tzv. vodní sklo. Málo chemicky odolné, rozpustné ve vodě
Modifikátory do skla Zlepšení především chemické odolnosti - modifikační přísada kysličník vápenatý nebo hořečnatý. Z těchto tří složek pak dostáváme běžná křemičitá skla. Mívají okolo 75 % kysličníku křemičitého, zbytek jsou tavicí a modifikační přísady. Jejich teplota tuhnutí je okolo 1010 o C, teplota skelného přechodu 530 až 560 o C. Odskelnění zpravidla nenastává. Chemická odolnost je tím větší, čím menší je množství alkalických kysličníků ve skle.
Princip působení
Teorie Zachariasena a Warrena 1932-1933 Sklotvorné kysličníky tvoří sklo bez příměsí koordinační číslo 3 až 4 Si, B, P, Ge, As, Be Tavicí přísady kationty s velkým poloměrem koordinační číslo nad 6 Rozbíjejí řetězce, přidat až 50 % - Na, K Stabilizační přísady koordinační číslo 4 až 6 Ca, Mg
Postup výroby skla 1 vznik silikátů 2 tvorba skloviny 3 homogenizace 4 čeření 5 - zpracování
Vlastnosti silikátových skel Velmi pevná a tvrdá. Vysoké moduly pružnosti, proto jen velmi málo deformovatelná. Při pokojové teplotě jsou velmi křehká, nejsou schopna žádné plastické deformace a nesnášejí rázové zatížení. Tepelná roztažnost je okolo 5.10-6 K -1. Při pokojové teplotě elektrické izolátory, s rostoucí teplotou však vodivost skla exponenciálně roste (od 200 o C velmi silně). Skla s větším obsahem alkalických kysličníků mají značnou povrchovou elektrickou vodivost na povrchu blanka hydrolyzovaných silikátů, která může i značně pohlcovat vlhkost. Pevnost silně závislá na způsobu namáhání. Běžně pevnost v tlaku 1 GPa, v ohybu 0,1 GPa a v tahu 0,08 GPa. Pevnost v tahu velmi silně závisí na rozměrech. Tyčka 1 mm má 0,1 GPa, vlákno 0,1 mm má 0,5 GPa a vlákno 30 mikrometrů má 1 GPa.
Charakteristické body viskozity Transformační bod (skelný přechod) t g = 2*10 13 Poise (jako led při 0 o C) Bod uvolnění vnitřního pnutí 10 13 Poise Littletonova teplota měknutí (deformace vlastní váhou) 4,5*10 7 Poise přestáváme považovat za pevnou látku - těsto Bod spékání 10 6 Poise (prášek se speče) Interval tvarování skla 10 3 až 10 4 Poise (pro lisování a foukání skloviny) (jako med až máslo) Bod tavení 10 2 Poise (řídký med) Porovnání : olej, glycerin 10 Poise, voda 0,01 Poise
Možnosti chlazení skla K. Rychlost ochlazování pod teplotou uvolnění pnutí v = K / a 2 (K/min), 5 K/min L. Rychlost ochlazování nad teplotou uvolnění pnutí v = L / a 2 (K/min), 18 K/min Tloušťka výrobku a (cm), hodnoty pro 5 mm okenního skla
Výpočet pevnosti skla Obdobně i pro další hodnoty, sumační pravidlo
Průchod světla sklem Sklem projdou jen asi 2/3 dopadajícího záření
Spektrální propustnost skla
Zvláštní druhy skel Okrasná skla obsahují různé kysličníky přechodových kovů. které upravují jejich optické vlastnosti. přídavek PbO olovnatý nebo též český křišťál zvýšený lesk a snadná brousitelnost (v českém křišťálu je K 2 O místo Na 2 O anglický kř.) přídavek kysličníků železa velmi častý, vlastně nečistoty ze surovin v oxidačním prostředí barví červenohnědě, v redukčním zeleně. Pivní lahve. přídavek kysličníku kobaltu modrá barva Technická (laboratorní) skla nutno zvýšit chemickou odolnost a snížit teplotní roztažnost. přídavek B 2 O 3 Pyrex, Simax přídavek několika procent Al 2 O 3 Sial
Speciální použití skel Vlákna do kompozitů a p. - velmi často tak zvané E-sklo, má vysoký elektrický odpor, dobré tvářecí vlastnosti. Složení okolo ternárního eutektika 62 % CaO 23 % SiO 2 15 % Al 2 O 3. Glazury na keramiku skelný povrch k uzavření pórů. Ze skla se nejprve vyrábí frita vlastně prášek z rozemletého skla, ze kterého se dělá vodní suspenze nanášená na keramiku před výpalem. Složení okolo 60 % Al 2 O 3, 20 % SiO 2, 10 % B 2 O 3, 10 % PbO. Smalty na železné předměty chemická ochrana povrchu, sklovina musí dlouhodobě odolávat i tepelným šokům. Opět suspenze z frity, složení okolo 70 % SiO 2, 15 % B 2 O 3, 10 % CaF, 5 % Al 2 O 3.
Kalené sklo Sklo je prudce ochlazeno, tím je vyvoláno vnitřní pnutí Na povrchu je tlak zvýšená odolnost proti rázům Vznikne-li trhlina, poruší rovnováhu napětí a sklo se rozpadne na kousky
Další vývoj : Minulost - 15. století : Vývoj bezbarvého skla s pomocí KMnO 4 Čechy : vývoj českého křišťálu 17. století Anglie : vývoj olovnatého křišťálu Počátek 20. Století : počátek strojní výroby skleněných předmětů optimální složení 73 % SiO 2 + 11 % CaO + 14 % Na 2 O Polovina stolení float glas technologie Nový vývoj : Borosilikátová skla (chemická) křemenné sklo fluoridová a sulfidová skla (neoxidická) Kovová skla
Princip Float glas -Roztavené sklo plave na roztaveném cínu -Díky povrchovému napětí se roztáhne po povrchu tak jako olejová skvrna na vodě -Gravitace a povrchové napětí způsobí, že je horní i dolní povrch skla rovinný a rovnoběžný -Dlouho bylo patentově chráněno. Dnes základní metoda výroby tabulového skla (dříve válcování).