Szkło i jego właściwości termiczne

Szkło jest niezwykle wszechstronnym i eleganckim materiałem. Cieszy się coraz większą popularnością w wykańczaniu wnętrz. Nowoczesne pomieszczenia nie mogą się obejść bez szklanych płyt na ścianach, stolików, szklanych balustrad czy nawet szklanych ścianek działowych. Warto jednak wiedzieć, jakimi właściwościami, szczególnie termicznymi, charakteryzuje się szkło. Dzięki tej wiedzy będziemy mogli łatwiej i jeszcze efektywniej wkomponować szklane dodatki w swoje wnętrze.

Szkło i proces jego produkcji

Szkło w języku specjalistycznym określane jest jako tak zwany nieorganiczny materiał amorficzny. To dość skomplikowane i niewiele mówiące określenie. Przekładając to na prostszy język można powiedzieć, że układ cząsteczek tworzących ciało stałe, będące materiałem amorficznym, jest chaotyczny i nieuporządkowany, bardziej przypominając układ cząsteczek w cieczach. Wpływa to między innymi na właściwości krystaliczne szkła. Materiał ten powstaje w efekcie szybkiego schłodzenia płynu i doprowadzenia go do stanu stałego z pominięciem etapu krystalizacji. Szkło tradycyjnie wytwarzane jest z piasku kwarcowego z dodatkiem węglanu sodu i węglanu wapnia. 

Dodatkowo, w czasie produkcji szkła, aby uzyskać efekt zabarwienia kolorystycznego, dodawane są pigmenty, najczęściej w postaci tlenków metali przejściowych, kadmu czy manganu. Wszystkie składniki są mieszane i topione w piecu w temperaturze około 1200-1300 oC. Tak przygotowane szkło zyskuje właściwości plastyczne i może być dowolnie formowane.

Właściwości szkła

Właściwości szkła, a szczególnie jego właściwości cieplne mają ogromne znaczenie nie tylko w potencjalnym wykorzystaniu i użytkowaniu materiałów wykonanych ze szkła, ale również, a może nawet przede wszystkim, w samym procesie produkcji. Właściwości cieplne szkła są szczególnie ważne w procesie jego stapiania. Do najistotniejszych cech należą rozszerzalność cieplna, jak i naprężenia wewnętrzne szkła oraz wytrzymałość na zmiany temperatury.

Rozszerzalność cieplna

Rozszerzalność cieplna określana jest jako właściwość fizyczna materiału, w tym przypadku – szkła. Należy ona do grupy właściwości termicznych, czyli zmieniających się pod wpływem temperatury i jej wzrostu lub spadku. Rozszerzalność cieplna jest w rezultacie zmianą objętości przedmiotów. Dla zobrazowania poziomu rozszerzalności cieplnej różnych materiałów stosuje się współczynnik rozszerzalności cieplnej oznaczany symbolem COE. Współczynnik ten wskazuje na procent zmiany długości w stosunku do zmiany temperatury i mieści się w dużym przedziale wartości. Dla porównania, o ile współczynnik COE dla szkła krzemionkowego wynosi 5, o tyle dla szkła gospodarczego to już wartość 150. Szklarze i profesjonalni wytwórcy szkła doskonale wiedzą, że współczynnik COE jest ściśle uzależniony od składu chemicznego szkła. Dzięki temu są w stanie płynnie manipulować tymi właściwościami, w zależności od wymaganego zastosowania szkła w konkretnej sytuacji.

Naprężenia w szkle

Powstawanie ewentualnych naprężeń w szkle jest mocno uzależnione właśnie od zjawiska rozszerzalności cieplnej. Naprężenia w szkle zmieniają się w procesie studzenia materiału. Wynikają one z niejednorodnej utraty ciepła przez warstwy wewnętrzne oraz zewnętrzne. Rozkład naprężeń powoduje, że w warstwach zewnętrznych występują siły ściskające, a w wewnętrznych siły rozciągające. Nie jest to zjawisko pożądane, a więc w celu jego wyeliminowania stosuje się odprężanie szkła w procesie jego stapiania.

Wytrzymałość termiczna

O ile wcześniej wspomniane właściwości termiczne szkła mają duże znaczenie na etapie produkcyjnym, o tyle wytrzymałość termiczna jest szczególnie istotną jego cechą użytkową. To właśnie wytrzymałość termiczna określa odporność szkła (jako materiału końcowego) na nagłe zmiany temperatury. 

Wytrzymałość termiczna szkła testowana jest poprzez naprzemienne zanurzanie szkła w gorącej, a następnie zimnej kąpieli, aż do momentu pęknięcia szkła. Rozpiętość wytrzymałości termicznej szkła jest niezwykle szeroka i kształtuje się ona od 100oC dla szkła gospodarczego, przez 300oC dla szkła borowo-krzemowego, aż do 1000oC w przypadku szkła krzemionkowego. Dzięki tak ogromnej rozpiętości, szkło znajduje szerokie zastosowanie zarówno użytkowe, jak i w przemyśle.

Źródło: Szklarz Warszawa – sprzedaż i obróbka szkła