Kysličníková skla

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 % SiO2 – 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 % SiO2 + 10 % CaO + 20 % Na2O
100 let PNL – vynález sklářské píšťaly
300 let NL – Římské sklo – přechod k
masové produkci s potaší ze dřeva
( K2O místo Na2O)
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 oC, skelný přechod 600 oC,
odskelnění 1050 oC.
Hustota 2,2 g/cm3 (křemen 2,65 g/cm3) - 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 oC, 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 oC, teplota skelného
přechodu 530 až 560 oC. 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 oC 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)
tg = 2*1013 Poise (jako led při 0 oC)
Bod uvolnění vnitřního pnutí 1013 Poise
Littletonova teplota měknutí (deformace vlastní váhou) 4,5*107
Poise
– přestáváme považovat za pevnou látku - těsto
Bod spékání 106 Poise (prášek se speče)
Interval tvarování skla 103 až 104 Poise
(pro lisování a foukání skloviny) (jako med až máslo)
Bod tavení 102 Poise (řídký med)
Porovnání :
olej, glycerin – 10 Poise, voda – 0,01 Poise
Možnosti chlazení skla
K …. Rychlost ochlazování pod teplotou uvolnění pnutí
v = K / a2 (K/min), 5 K/min
L …. Rychlost ochlazování nad teplotou uvolnění pnutí
v = L / a2 (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 K2O místo Na2O – 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 B2O3 – Pyrex, Simax
přídavek několika procent Al2O3 – 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 % SiO2 – 15 % Al2O3.
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 % Al2O3, 20 % SiO2, 10 % B2O3, 10 % PbO.
Smalty na železné předměty – chemická ochrana povrchu, sklovina
musí dlouhodobě odolávat i tepelným šokům. Opět suspenze z frity,
složení okolo 70 % SiO2, 15 % B2O3, 10 % CaF, 5 % Al2O3.
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 KMnO4
Čechy : vývoj českého křišťálu – 17. století
Anglie : vývoj olovnatého křišťálu
Počátek 20. Století :
počátek strojní výroby skleněných předmětů
optimální složení 73 % SiO2 + 11 % CaO + 14 % Na2O
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).