Aktualne wydanie

2019 07 okladka

 

       7-8/2019

 

20190444Swiat-Szkla-V4B-BANNER-160x600-PLEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 

banner konferencja 04 2019

 RODO

 LiSEC SS Konfig 480x120

  

VITRUM Swiat Szkla Web

 

ift 480x105px RFT19 engl 

 

 GP19-480x105px

 

 GLASS 480X120

 

Uszlachetnianie powierzchni szkła
Data dodania: 31.08.11

Uszlachetnianie powierzchni szkła

Chemiczna odporność szkła to zdolność przeciwstawiania się niszczącemu działaniu aktywnych środków chemicznych. Przy czym szkło, w porównaniu z innymi materiałami, odznacza się dużo większą odpornością na warunki atmosferyczne i na działanie substancji chemicznych. Ze względów praktycznych odporność na działanie wody ma największe znaczenie, zwłaszcza że tlen rozpuszczony w wodzie przyśpiesza procesy korozyjne szkła.

 


Nieco o strukturze szkła
Działanie kwasów na szkło zależy od wymiany jonowej, natomiast działanie zasad zależy od hydrolizy wiązań szkieletu krzemowego szkła. Energia aktywacji procesu korozji szkła wynosi około 20 kcal/mol, co odpowiada energii aktywacji dla procesu dyfuzji jonu N+ w szkle. Również pary i gazy wpływają na korozję warstw powierzchniowych i wewnętrznych szkieł. Działanie atmosfery powoduje zwietrzenie powierzchni szkła wskutek chemicznych zmian na szkle, wywoływanych działaniem H2O, CO2 i SO2 oraz powoduje iryzację spowodowaną powstaniem warstwy ochronnej żelu krzemionkowego na powierzchni.



Jedną z osobliwości nieorganicznych szkieł tlenkowych jest różnica w strukturze oraz w składzie chemicznym warstw powierzchniowych i wewnętrznych.

Związane jest to ze zmianą powierzchni szkła bezpośrednio po jego otrzymaniu pod wpływem czynników atmosferycznych. Powstaje wtedy cienka warstwa powierzchniowa o innym składzie chemicznym i innych właściwościach fizycznych od pozostałej masy szkła. Wskutek hydrolizy na powierzchniach szkieł tlenkowych, krzemianowych powstaje błonka o bardzo małej grubości (od 10 do 350 Å), w zależności od rodzaju szkła. Struktura warstwy powierzchniowej szkła może zmieniać się także w wyniku dyfuzji jonów z warstw wewnętrznych na powierzchnię, a także w procesie otrzymywania i technicznej obróbki szkła.



W wielu szkłach wskutek niedoskonałej technologii w procesie topienia mogą powstać izolowane krystalicznie zarodki lub krystality na powierzchni szkła. Wywołują one wewnętrzne naprężenia lokalne, które na granicy mikrokrystalitów mogą tworzyć mikroszczeliny, stanowiące typowe defekty struktury szkła. Natomiast defekty struktury szkła czasami mogą powodować zakłócenia realnej struktury szkła.



Niedoskonałości struktury szkła stanowią mikroszczeliny w sieci, zakłócenie struktury wywołanej domieszkami innych atomów, rozerwane łańcuchy lub sieci oraz różnego rodzaju mikroniejednorodności (uporządkowania atomowe bądź molekularne).
Typowe defekty struktury szkła stanowiące submikroszczeliny i mikroszczeliny mogą być różnej natury i różnego pochodzenia. Z uwagi na to, że są one nieco mniejsze od długości fali światła, stosuje się do ich analizy – między innymi – metody mikroskopii elektronowej i skaningowej, mikroanalizy rentgenowskiej itp.



Wytrzymałość mechaniczna szkła
Wytrzymałość mechaniczna materiałów jest to stosunek największej siły, jaką może przenieść próbka badanego materiału, do pierwotnego przekroju próbki.

Do właściwości mechanicznych zalicza się: wytrzymałość mechaniczna na ściskanie, wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie, wytrzymałość mechaniczna na zginanie, wytrzymałość mechaniczna na uderzenie, twardość. Powszechnie stosowane szkła sodowo-wapniowo-krzemianowe charakteryzują się następującymi składami, na przykład:
– szkło płaskie: 79,69% SiO2, 15,55% Na2O, 5,92 CaO, 3,95 MgO, 1,45% Al2O3, 0,2 K2O, 0,2 SO3, 0,04 Fe2O3;
– szkło opakowaniowe: 72% SiO2, 13% Na2O, 10% CaO, 2% MgO, 2% Al2O3, 0,5% K2O, 0,3 % SO3.



Wytrzymałość mechaniczna na ściskanie wytwarzanych szkieł mieści się w zakresie 6-16 [kG/m2]. Według Gehelhoffa i Thomasa wytrzymałość na ściskanie zależy od następujących tlenków, podanych w kolejności malejącego ich wpływu: Al2O3, SiO2, MgO, ZnO, B2O3, Fe2O3, CaO, PbO, Na2O i K2O.



Wytrzymałość na ściskanie zależy ponadto od występowania wad masy, obróbki cieplnej, stanu powierzchni i innych czynników.

Wytrzymałość na zginanie jest wielkością złożoną, gdyż w przedmiocie zginającym występują z jednej strony naprężenia ściskające a z drugiej rozciągające. O zniszczeniu szkła przy zginaniu decydują naprężenia rozciągające, gdyż szkło zginane pęknie prędzej pod wpływem naprężeń rozciągających niż ściskających. Wytrzymałość przeciętnych szkieł na zginanie mieści się w zakresie 0,4-1,2 [kG/m2]. Według Gehelhoffa i Thomasa główne tlenki, ze względu na ich wpływ na wytrzymałość na zginanie, można uporządkować następująco: CaO, BaO, PbO, ZnO, MgO, B2O3, Fe2O3, SiO2, Al2O3. Tlenki podane są według malejącego wpływu.



Wytrzymałość mechaniczna na uderzenie jest to zjawisko towarzyszące gwałtownemu zetknięciu się dwóch ciał, z których przynajmniej jedno znajduje się w ruchu. Powstająca przy uderzeniu siła nazywana jest siłą uderzenia. Wytrzymałość na uderzenie sprowadza się do wytrzymałości na zginanie, gdyż uderzenie dąży do zgniecenia materiału.

Wytrzymałość teoretyczna szkła doskonałego na rozrywanie według Kruithofa i Zijstry powinna wynosić 1-3.105 [kG/cm2]. Wady struktury w szkłach rzeczywistych obniżają tą wytrzymałość do wartości rzędu 4.104 [kG/cm2], która jest osiągana poprzez pojedyncze wzorce włókien szklanych. Mikrowady na powierzchni powodują dalsze obniżenie wytrzymałości do wartości rzędu mniej niż 104 [kG/cm2], osiąganej przez świeże szkła z politurą ogniową lub kwasową, lecz w stosunkowo krótkim czasie. Nawet bez umyślnych uszkodzeń takie szkła wykażą wytrzymałość rzędu 103 [kG/cm2].



Twardość jest to odporność na zarysowanie lub zeszlifowanie, ogólnie – na wnikanie w głąb szkła innego sztywniejszego materiału. W pojęciu twardości mieści się zarazem pojęcie mechanicznej wytrzymałości masy, jak i energii powierzchniowej. Z twardością wiąże się także ścieralność. Zjawisko to zależy od drgań nieuniknionych i odporności na zarysowanie. Twardość szkła zależnie od jego składu chemicznego wynosi 5-7 w skali Mohsa. Zazwyczaj określa się mikrotwardość, która mieści się w przedziale 400-1200 [kG/mm2].



Metody uszlachetniania powierzchni szkła
Obecność powierzchniowych wad w szkle w przeważającej mierze obniżają wytrzymałość.
Dlatego też metody zmierzające do podwyższenia wytrzymałości polegają na ich usunięciu, zabezpieczeniu szkła przed powtórnym uszkodzeniem lub poddaniu powierzchni szkła układom naprężeń ściskających, zdolnych do przezwyciężenia wpływu wad na wytrzymałość. Uzyskane tymi sposobami szkła swą wytrzymałością przewyższają znacznie wartości dla szkieł nieobrobionych.

 

 szkło hartowane
 
 Rys. 1. Powierzchnia szkła hartowanego

 

Termiczne wzmacnianie szkła
Termiczne wzmacnianie szkła, tzw. hartowanie szkła, polega na podgrzaniu szkła do temperatury takiej, by z jednej strony wykazywało dostateczną sztywność i nie ulegało deformacji w czasie operacji przemysłowych, z drugiej by miało dostatecznie niską lepkość dla szybkiej relaksacji wewnętrznych naprężeń. W czasie schładzania powietrzem następuje usztywnienie i skurcz powierzchni, podczas gdy obszary wewnętrzne pozostają płynne. W procesie dalszego ochłodzenia kurczliwość wnętrza szkła jest ograniczona przez usztywnione warstwy zewnętrzne, co w konsekwencji prowadzi do tego, że po całkowitym ostygnięciu na powierzchni działają naprężenia ściskające, kompensowane przez siły rozciągające panujące we wnętrzu. W stanie końcowym procesu zanika rozkład temperatury, a pozostaje jedynie rozkład naprężeń. Hartowanie termiczne pozwala na otrzymanie szkieł o znacznie wyższej wytrzymałości mechanicznej, niż w przypadku szkieł normalnie odprężonych.

 

Trawienie chemiczne
Polepszenie własności wytrzymałościowych uzyskać można drogą chemicznego trawienia szkła w roztworach zawierających kwas fluorowodorowy. W początkowej fazie procesu ciecz trawiąca przenika do spękania i zaokrągla jego pierwotnie ostre zakończenie, na skutek czego następuje jakościowa zmiana tej wady w koncentrator naprężeń o mniejszym stopniu szkodliwości. Końcowa wytrzymałość zależy nie tylko od grubości usuniętej warstwy, ale też od jakości powierzchni otrzymanej po trawieniu, co związane jest ze składem cieczy trawiącej, jej temperatury oraz sposobem realizacji procesu.

 

Wymiana jonowa
Inną metodą jest powierzchniowa wymiana jonowa. Wymiana ta pozwala na znaczne zwiększenie wytrzymałości szkła na zginanie w stosunku do szkła nie poddanego takiemu procesowi, a także zwiększenie wytrzymałości na uderzenie zginające (udarność) oraz podwyższenie twardości. Z dotychczasowych danych teoretycznych i praktycznych wynika, że najlepsze wyniki wzmacniania szkła sodowo-wapniowego uzyskuje się stosując stopiony azotan potasu KNO3, a temperatura obróbki szkła powinna być o około 100oC niższa od temperatury transformacji.

 

 szkło wzmocnione
 

 0 min, 20oC

 
 szkło wzmocnione

 30 min, 70oC

 
 szkło wzmocnione

 60 min, 70oC

 Rys. 2. Elektronogramy emisyjne powierzchni szkła sodowo-krzemianowego o zawartości
0,426% wag. FeO+Fe2O3 w poszczególnych fazach etapowego trawienia InHF w temperaturze
70oC w czasie 0,30 oraz 60 min.



Uszlachetnianie szkła na gorąco
Uszlachetnianie szkła „na gorąco” polega na poddawaniu szkła o temperaturze 450-600°C działaniu SnCl4, który po zetknięciu się z gorącą powierzchnią szkła ulega rozkładowi termicznemu, tworząc na powierzchni szkła powłokę tlenową. Ponadto następuje dyfuzja tlenku cyny do warstw powierzchniowych szkła. Tworzą się wiązania strukturalne ze szkłem, w wyniku czego zmieniają się znacznie właściwości powierzchni szkła, a mianowicie wzrasta gładkość powierzchni szkła, a zatem odporność na zarysowanie, wzrasta twardość szkła, co powoduje wzrost wytrzymałości mechanicznej na uderzenie o około 30%. Naniesiona powłoka jest odporna na działanie ciepłej wody, pary i ługów oraz zmiennych warunków atmosferycznych.



Metoda napylania AlCl3
Inny sposób uszlachetniania powierzchni szkła został przedstawiony w patencie WO 2004/096724 zarejestrowanym w Niemczech. Założeniem patentu jest napylanie z fazy gazowej chlorku glinu AlCl3 lub uwodnionego chlorku glinu AlCl3 . 6 H2O, które sublimują odpowiednio w temperaturach 183°C i około 195°C. Opary doprowadzane są odpowiednim systemem do powierzchni gorącego szkła. Powierzchnia szkła jest rozgrzewana do zakresu temperatury transformacji ±150 K. Uszlachetnianie zostało przeprowadzone na kilku rodzajach szkieł. Próbki ze szkła typu float poddane obróbce AlCl3 wykazały przyrost mikrotwardości oraz wzrost wytrzymałości na zginanie do 67%. Dla szkła piankowego zaobserwowano wzrost wytrzymałości na ściskanie do około 50%, dla włókien szklanych ze szkła typu C wzrost wytrzymałości na rozciąganie przekroczył 250%.



Metoda uszlachetniania powierzchni szkła nanocząsteczkami związków glinu
Metoda uszlachetniania powierzchni szkła nanocząsteczkami związków glinu dotyczy zastosowania wcześniej przygotowanych nanocząstek związków glinu, które nanoszone są na powierzchnię szkła na gorącym odcinku uformowanych wcześniej wyrobów szklanych (w przypadku opakowań, baloników żarówkowych) lub też bezpośrednio przy formowaniu szkła płaskiego metodą float, walcowaniu szkła, wyciąganiu rur szklanych, włókna oraz w procesie przetwórstwa szkła (w tym przypadku nanocząstki związków glinu mogą być napylane na zimną powierzchnię szkła a następnie podgrzewane do temperatur bliskich temperaturze transformacji szkła), gdzie nanocząstki wbudowują się na powierzchnię szkła w zakresie temperatur transformacji. Po takim napylaniu proces dyfuzji nanocząstek na powierzchni szkła odbywa się w etapie odprężania uformowanych wyrobów szklanych (szkło opakowaniowe, baloniki żarówkowe, szkła płaskiego, włókien szklanych, czy też szkła przetwarzanego). W wyniku napylania nanocząstek związków glinu na powierzchnię szkła i obróbce w zakresie temperatur transformacji uzyskujemy modyfikację struktury powierzchni szkła poprzez jony glinu. Zmodyfikowana powierzchnia szkła według wynalazku wykazuje się podwyższoną trwałością hydrolityczna, jak również znacznym wzrostem właściwości mechanicznych, co przedstawiono na rysunkach 1 i 2.

 

 
 szkło wzmocnione
 Rys. 3. Przyrost mikrotwardości dla szkła płaskiego float i opakowaniowego.
 
 szkło wzmocnione
 Rys. 4. Przyrost wytrzymałości na zginane szkła płaskiego float


Podsumowanie
Analizując przedstawione metody uszlachetniania powierzchni szkła, należy stwierdzić, że każda z nich na swój sposób wpływa w mniejszym lub większym stopniu na poprawę stanu powierzchni szkła. Niewątpliwie ostatnia z przedstawionych metod dotycząca uszlachetniania powierzchni szkła przez nanoszenie nanocząstek związków glinu daje nowe, niespotykane możliwości, zarówno w obszarze szkła opakowaniowego, szkła płaskiego, jak i włókien szklanych.

 

Jan Wasylak, Marcin Drajewicz
Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

 

Literatura
[1] Bochyński Zenon: Badanie struktury i stopnia wewnętrznego uporządkowania w nieorganicznych szkłach tlenkowych. Wyd. Naukowe Uniwersytetu im. A. Mickiewicza, Poznań, 1980.
[2] Technologia szkła. Praca zbiorowa. Wyd. Arkady, Warszawa 1987.
[3] Holland L.: The properties of glass surfaces. Londyn, 1964.
[4] N.F. Borrelli: Microoptics Technology. Marcel Dekker, New York, 1999, pp. 72–80.
[5] D.E. Packham: Surface energy, surface topography and adhesion. “International Journal of Adhesion & Adhesives” 23 (2003) 437–448.
[6] Somorjai GA: Principles of surface chemistry. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall; 1972.
[7] Patent WO 2004/096724. Niemcy, 2004.
[8] Postępy technologii ceramiki, szkła i budowlanych materiałów wiążących. „Polski Biuletyn Ceramiczny” vol. 91. Polskie Towarzystwo Ceramiczne, Kraków, 2005.

 

patrz też

- Korozja hydrolityczna szkła płaskiego , Zofia Pollak, Świat Szkła 11/2010

- Inkluzje siarczku niklu w szkle , M. Reben, J. Wasylak, M. Szumiński, S. Bielecki, Świat Szkła 1/2010

- Poprawa właściwości fizykochemicznych szkła float, Marcin Drajewicz, Jan Wasylak, Świat Szkła 12/2008 

- Zmiana budowy wewnętrznej szkła – hartowanie i odprężanie, Marcin Drajewicz, Manuela Reben, Katarzyna Cholewa-Kowalska, Świat Szkła 6/2007

- Uszlachetnianie powierzchni szkła , Jan Wasylak, Marcin Drajewicz, Świat Szkła 12/2006

 

oraz:

Budowa wewnętrzna i właściwości szkła konstrukcyjnego , Dobrosława Jaśkowska, Świat Szkła 3/2009

- Zabezpieczenie szkła architektonicznego na placu budowy, Tomasz Wierzchowski, Świat Szkła 12/2008

- Korozja szkła okiennego w warunkach aglomeracji miejsko-przemysłowej, Janusz Faber, Świat Szkła 9/2005

- Metoda sensorów szklanych w analizie przemian chemicznych korozji szkła, Elżbieta Greiner-Wronowa, Świat Szkla 5/2005

 

 

 

 

 

01 chik
01 chik