Szkło jest bezpostaciową substancją otrzymywaną ze stopionej mieszaniny odpowiednich materiałów (tlenków), która przy chłodzeniu ze stanu ciekłego przechodzi w stan szklisty, odpowiadający stanowi przeobrażonej cieczy przechłodzonej. Temperatura przeobrażenia zależy od składu chemicznego szkła i wynosi 400- 600^oC dla zwykłych szkieł sodowo - wapniowych, a 1200^oC dla szkła kwarcowego. W temperaturach niższych od temperatury przeobrażenia szkło wykazuje właściwości ciał stałych, jest twarde, sztywne i kruche.

Najważniejszym materiałem wykazującym zdolności szkłotwórcze jest krzemionka, która wchodzi w skład wszystkich szkieł znajdujących praktyczne zastosowanie. Szkłotwórcze są również trójtlenek boru (B₂O₃), stopy SiO₂ i B₂O₃ z tlenkami potasowców wapniowców, a także z tlenkiem ołowiu, dwutlenek germanu, pięciotlenek fosforu, tlenek arsenu i fluorek berylu.

Istotnymi zaletami szkła jako materiału konstrukcyjnego są: odporność na działanie czynników atmosferycznych oraz rozcieńczonych kwasów i zasad, odporność na działanie podwyższonej temperatury, przezroczystość, gładkość i połysk powierzchni, niepalność, łatwość kształtowania w stanie plastycznym, nieprzenikalność dla cieczy i gazów, mała przewodność cieplna i elektryczna oraz taniość. Dzięki temu szkło znalazło powszechne zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu i nauki, w budownictwie, komunikacji, w lecznictwie oraz gospodarstwie domowym. Najważniejszymi wadami szkła są kruchość i wrażliwość na zmiany temperatury.

Istnieje bardzo wiele odmian szkła różniących się składem chemicznym i własnościami, sposobem formowania i wyglądem. Najogólniej wg przeznaczenia można je podzielić na budowlane, techniczne, gospodarcze i do wyrobu opakowań, wg wyglądu - na przezroczyste (bezbarwne, barwne lub łączone) ora zmącone (nie barwione, czyli mleczne, barwione, zwane opalowymi i łączone), wg składu chemicznego - na krzemowo - sodowo - wapniowe (zwane też szkłem zwykłym), borowo - krzemowe, boranowe, bezsodowe, cyrkonowe, kobaltowe, kryształowe, kwarcowe, ołowiowe itd.

Proces technologiczny wyrobu szkła

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.

Szkło można wytworzyć z samej krzemionki. Wystarczy stopić ją w temperaturze około 2000 K i stop odpowiednio schłodzić, aby otrzymać szkło. Postępując tak otrzymuje się szkło krzemionkowe. Szkło to ma niezwykle cenne właściwości. Jest bardzo twarde, odporne na działanie wody i kwasów oraz na działanie wysokiej temperatury i gwałtowne jej zmiany. Wytwarzanie tego szkła jest jednak trudne i kosztowne, więc jego produkcję ogranicza się do szczególnych rodzajów wyrobów, przeznaczonych przeważnie do wyspecjalizowanych laboratoriów naukowych.

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 900-1200oC. 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 której rozpyla się związek metalicznej cyny. Wnika ona w powierzchnię szkła dając wzrost odporności mechanicznej i nadając połysk [12].

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. Na rysunku nr 1 przedstawiono proces technologiczny wyrobu szkła.

Rodzaje szkieł i ich zastosowanie

• Szkło budowlane dzieli się na szkło okienne (płaskie płyty o grubości 2-6mm) oraz szkło zbrojone (płaskie płyty z wtopioną siatką metalową stosowane do szklenia i na ścianki działowe), szkło na elementy budowlane (luksfery, dachówki), szkło matowe i deseniowe oraz marblity (płyty o różnej grubości i barwie stosowane na ozdobne wykładziny). Zasadnicza cecha 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.

• 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 przewodnościa 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.

• Osobną grupę materiałów szklanych stanowi tzw. szkło bezpieczne, trudno tłukące się, o szczególnie korzystnych właściwościach wytrzymałościowych. Rozróżnia się szkło bezpieczne:

• zbrojone siatka metalową;

• wielowarstwowe;

• hartowane;

• polerowane i niepolerowane;

Szkło zbrojone i wielowarstwowe pęka pod wpływem uderzeń, ale nie rozpada się na ostre odłamki, szkło hartowane rozpada się na odłamki o zaokrąglonych krawędziach. Szkło zbrojone jest stosowane przede wszystkim w budownictwie, szkło wielowarstwowe i hartowane na szyby w pojazdach mechanicznych, osłony lamp kineskopowych, okulary ochronne.

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 ostanim 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).

---