Szkło jako tworzywo nieorganiczne charakteryzuje się szeregiem właściwości fizycznych i chemicznych, które to właściwości wykorzystywane są przez człowieka od czasów prehistorycznych.

Szczególną właściwością odróżniającą szkło od innych materiałów jest izotropia szkła odprężonego i bezpostaciowość, a także anizotropia szkła poddanego specjalnej obróbce, np. hartowanego. Istotną również cechą są właściwości elektroizolacyjne typowego szkła sodowo-wapniowokrzemianowego.

Opracowano także specjalne szkła o właściwościach przewodzących (elektrody szklane) i półprzewodnikowe, np. szkła germanowe.

W artykule tym omówione zostaną właściwości cieplne i termiczne szkła i wynikające stąd ograniczenia zastosowań.

Rozszerzalność cieplna
Szkło, jak każde ciało stałe, pod wpływem wzrostu temperatury powiększa swoje rozmiary i odwrotnie, w miarę obniżenia temperatury zmniejsza swoją objętość. Różne ciała ulegają temu zjawisku w różnym stopniu i wiąże się ono z różnym uporządkowaniem struktury materiału.

Szkło jest materiałem specyficznym i jego właściwości termiczne zależą w dużym stopniu od:
- składu chemicznego,
- stopnia nieuporządkowania struktury (defekty sieciowe),
- rodzaju i wielkości wyrobu ze szkła,
- szybkości ogrzewania i/lub chłodzenia wyrobu.

Wpływ składu chemicznego
Inną rozszerzalność cieplną wykazują szkła sodowo-wapniowo-krzemianowe, inną szkła borowokrzemianowe, a jeszcze inną szkła o dużej zawartości ołowiu. Zwiększanie ilości modyfikatorów, tj. związków potasu i sodu, w szkle krzemianowym powoduje przejście szkła w fazę rozpuszczalną w wodzie (tzw. szkło wodne wykorzystywane w procesie wytwarzania otulin elektrod spawalniczych, w przemyśle papierniczym itp.). Wobec tego istotnym parametrem szkła jest jego odporność na działanie wody, tzw. klasa hydrolityczna.

Przykład: budowlane szkło float powinno mieć co najmniej IV klasę hydrolityczną. Klasę hydrolityczną III posiada obecnie szkło zbrojone-polerowane Pyroshield firmy PILKINGTON.

Klasa hydrolityczna V powodowałaby ograniczenie stosowania szkła płaskiego tylko do wnętrz, gdyż opady atmosferyczne mogłyby powodować powierzchniową hydrolizę alkaliów w szkle i powstawanie praktycznie nieusuwalnych plam i zacieków na zewnętrznych powierzchniach oszkleń.

Wraz ze wzrostem klasy hydrolitycznej szkła wzrasta jego odporność chemiczna oraz przeważnie maleje współczynnik rozszerzalności cieplnej. Pod tym względem wyjątkowe właściwości w szkle wykazuje bor. Szkła borokrzemianowe obniżają współczynnik rozszerzalności liniowej znacznie, bez pogorszenia właściwości związanych z topieniem i formowaniem szkła.

Przykładem są szkła typu Pyrex, Termisil, Simax – charakteryzują się one współczynnikiem rozszerzalności liniowej wynoszącym 33.10^-7 K^-1 i pierwszą (I) klasą hydrolityczną. Do celów specjalnych (przemysł oświetleniowy, medycyna) stosuje się szkło kwarcowe, prawie w 100% zawierające SiO2. Szkła te są trudnotopliwne (temperatura topnienia kwarcu wynosi 1625oC) i bardzo trudne do formowania przedmiotów, nawet tak prostych, jak rury i pręty. Rozszerzalność termiczna szkła kwarcowego wynosi 5.10^-7 K^-1.

Niestety nie ma możliwości zmniejszenia takiej właściwości szkieł, jak kruchość, z wyjątkiem regulacji składu chemicznego szkła (np. dodatek związków boru, ołowiu i magnezu powoduje zmniejszenie kruchości szkła ale w stosunkowo niewielkim stopniu).

Dlatego szkło w każdej postaci ciała stałego jest słabo odporne na uderzenie i rozbicie. Szkła mają wielokrotnie większą wytrzymałość na ściskanie niż na rozrywanie, a co za tym idzie na zginanie. Znana jest właściwość szkieł o małej grubości, które dość znacznie odkształcają się pod wpływem obciążeń bez pęknięcia, nie mówiąc już o foliach szklanych, które można zwijać w rulon, jednakże nie można ich złożyć podwójnie, jak papier.

Wpływ defektów sieciowych szkła
W literaturze rozważanych jest kilka modeli budowy szkła:
- szło jako ciecz przechłodzona,
- szkło jako zespół związków chemicznych,
- szkło jako zespół krystalitów,
- szkło jako koloid,
- szkło jako polimer,
- szkło jako nieregularna sieć jonów,
- szkło jako zespół zdefektowanych jonami modyfikatorów łańcuchów i pasm tetraedrów krzemotlenowych.

W tym ostatnim modelu dałoby się wyjaśnić zmiany w rozszerzalności cieplnej szkła w zależności od stopnie nieuporządkowania mikrokrystalicznej struktury szkła. Zjawisko to jest związane nie tylko z procesem topienia i formowania szkła, ale także z tzw. przeszłością termiczną szkła. Wyraźnym tego przykładem są szkła hartowane termicznie i chemicznie, szkła termicznie i chemicznie wzmocnione oraz szkła kilkakrotnie podgrzewane i chłodzone lub odprężane.

Wpływ rodzaju i wielkości wyrobów ze szkła
Powszechnie wiadomo, że na właściwości wytrzymałościowe wyrobów ze szkła ma kształt i wielkość wyrobu, a także jakość jego powierzchni. Niekorzystne jest wytwarzanie wyrobów o ostrych krawędziach i o bardzo małych promieniach gięcia ścianek wyrobu ze szkła. Wiadomo też, że wyroby o dużych wymiarach wydłużają się znacznie bardziej niż wyroby małe. Ma to znaczenie przede wszystkim w szkłach płaskich i giętych stosowanych w architekturze.

Współczynnik rozszerzalności szkła definiuje się jako stosunek przyrostu długości wyrobu do jego początkowej długości α = ΔL/L [K^-1]. I tak dla szkła okiennego wynosi on najczęściej α = 90 x 10^-7 K^-1.

Stąd można wyliczyć, że np. szyba o długości 6000 mm (rozmiar „jumbo”) może wydłużyć się o 54 μ przy podgrzaniu o 1 K. Jeśli to podgrzanie nastąpi o około 100 K, to rozszerzenie tafli o takim rozmiarze wyniesie już 0,054x100=5,4 mm.

Taka rozszerzalność liniowa musi być uwzględniona w sposobie mocowania szkła elewacyjnego, często emaliowanego oraz wielkogabarytowych oszkleń narażonych na silne bezpośrednie nasłonecznienie.

Także wielokrotne zamrażanie i ogrzewania szkła może zmienić jego zdolność do wydłużania i kurczenia się aż do termicznego spękania wyrobu. Dotyczy to także wyrobów o różnej (zwłaszcza znacznej) grubości ścianek.

Wpływ szybkości ogrzewania i studzenia
Szybkość ogrzewania i studzenia szkła ma podstawowe znaczenie dla jego rozszerzalności cieplnej a także odporności termicznej. Szkła szybko ogrzewane i studzone w sposób spontaniczny przeważnie zawsze ulegają zniszczeniu (spękaniu) zaraz lub po pewnym czasie.

Nie dotyczy to procesów odprężania i hartowania szkła, które to procesy są ściśle kierowane. Również nagrzewanie nierównomierne szkła z wytworzeniem gradientu temperatur spowoduje niszczące naprężenia na granicy znacznych różnic temperatury.

Szybkość nagrzewania i studzenia szkła ma szczególne znaczenie dla wyrobów o znacznej grubości. Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej szkieł można obliczać z wykorzystaniem wzorów addytywnych, gdy znany jest skład chemiczny szkła lub należy go zmierzyć przy użyciu dylatometru (Chevenarda, Weissa).

Należy zaznaczyć, że w metodzie obliczeniowej występują różnice we wzorach dla szkieł borokrzemianowych i ołowiowych. Najczęściej wykorzystywane są współczynniki tlenkowe według A.A. Appena.

Zmiany współczynnika rozszerzalności szkieł pozwalają wnioskować o zmianach struktury szkła (relaksacja naprężeń, anomalia borowa czy rozluźnienie struktury).

Krzywa dylatometryczna pozwala na precyzyjne ustalenie parametrów odprężania czy też hartowania szkła, a także pozwala na sprawdzenie czy jest możliwe łączenie różnych typów szkieł, np. przy spajaniu dwóch szkieł lub w procesie wtapiania, tzw. „fusingu”.

Odporność termiczna szkła na nagłe zmiany temperatury
Z rozszerzalnością termiczną szkła, kształtem i wielkością wyrobu oraz sposobem chłodzenia bądź ogrzewania łączy się ściśle odporność termiczna szkła i wyrobów szklanych. Odporność szkła na zmiany temperatury określa się przez pomiar największej różnicy temperatur, jaką mogą wytrzymać bez spękania próbki szkła.

Metodą empiryczną jest ogrzewanie obtopionych na końcach prętów szklanych lub polerowanych kostek szklanych i wkładanie ich do zimnej wody.

W ten sposób ustala się jedną z cech fizycznych szkła, tj. jego odporność termiczną. Przy nagłych równomiernych ogrzaniach szkła jest średnio 8 razy bardziej wytrzymałe niż przy nagłych oziębieniach.

Niewątpliwie ma to związek z warstwami powierzchniowymi i wewnętrznymi szkła oraz stosunkowo niskim współczynnikiem jego przewodnictwa cieplnego. W praktyce częściej mamy do czynienia z ogrzewaniem i chłodzeniem szkła w warunkach atmosferycznych oraz w laboratoryjnych i przemysłowych.

Wielkość odporności szkła na zmiany temperatury można obliczyć z wzoru W.M. Hamptona:

Gdzie: ΔT – odporność termiczna
P – wytrzymałość szkła na rozciąganie
E – moduł sprężystości szkła
R – współczynnik kształtu (R= 1 ÷ 1,2)
α – współczynnik rozszerzalności termicznej

Jest to jeden z wzorów pozwalających na przybliżone określenie odporności szkła na zmiany temperatury.

Nie udało się, niestety, dotychczas opracować wzoru uniwersalnego, dającego dobrą zgodność z doświadczeniem dla wszystkich typów szkieł. Przyjęto, że szkło sodowo-wapniowo- krzemianowe posiada odporność termiczną około 90 K.

Szkło hartowane ma odporność 2- do 4-krotnie wyższą niż szkło dobrze odprężone. Np. szyby hartowane wytrzymują różnice temperatur do 270 K, podczas gdy takie same szyby dobrze odprężone tylko 70 K. Nie bez znaczenia jest także jakość powierzchni szkła.

Szkła o uszkodzonych (zarysowanych, zmatowionych) powierzchniach mają niższą odporność na nagłe zmiany temperatur. Odporność szkła na szybkie zmiany temperatur jest właściwością charakterystyczną szkła jako materiału i zależy od intensywności wymiany ciepła na jego powierzchni i od geometrycznych rozmiarów badanych próbek.

Poniżej podano zależność odporności termicznej od grubości szkła przy nagłym ochłodzeniu próbek w wodzie i w powietrzu.

Rys. 1. Zależność odporności termicznej szkła okiennego od warunków chłodzenia

Z powyższego przeglądu wynika, że pojedyncze szkło płaskie (okienne ciągnione, float) nie posiada cech szkła ogniochronnego. Także szyby zespolone nie mają cech szkła ognioodpornego. Jedynie szkło zbrojone siatką drucianą posiadało atest E30 ognioodporności wg Polskiej Normy. Taki atest może uzyskać szkło zbrojone Pyroshield firmy PILKINGTON.

Ognioodporność wyższej klasy może uzyskać szkło warstwowe/szyba zespolona, gdzie warstwa środkowa (przestrzeń międzyszybowa) wypełniona jest specjalnym żelem krzemionkowym, który zestala się pod działaniem wysokich temperatur i stanowi wówczas czasową zaporę (ścianę) powstrzymującą postęp ognia, dymu i innych produktów spalania.

Tabela 1. Zależność odporności termicznej od intensywności chłodzenia szkła

Znane są zastosowania szkła hartowanego do drzwi kominków. Szkło to powinno wytrzymać temperaturę płomienia około 300°C. Zdarza się jednak, że albo temperatury są wyższe w kominku, albo nagrzanie szkła nie jest równomierne względnie brak jest odpowiedniej dylatacji między szkłem a ramą drzwi i szkło hartowane pęka i wypada.

Niezawodne są w takim przypadku drzwi z dewitryfikatu czyli szkła o specjalnym składzie i specjalnej obróbce cieplnej, analogicznej jak w przypadku płyt do kuchni elektrycznych zwanych „ceramicznymi”.

Tadeusz Tarczoń
Kraków

Literatura
1. Technologia szkła, praca zbiorowa, Arkady W-wa 1962.
2. Sprawočnik po proizvodstvu stekla, praca zbiorowa, T.I Moskwa 1963.

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym

inne artykuły tego autora:

- Właściwości termiczne szkła , Tadeusz Tarczoń , Świat Szkła 1/2011

- Oszklenia bezpieczne w budownictwie , Tadeusz Tarczoń, Świat Szkła 10/2010  

- Materiały używane do budowy szkieł warstwowych , Tadeusz Tarczoń, Świat Szkła 6/2010 

- Podstawy prawne homologacji typu oszkleń bezpiecznych , Tadeusz Tarczoń, Świat Szkła 4/2009

- Materiały oszkleniowe dla pojazdów mechanicznych wg amerykańskiej normy ANSI/SAE Z26.1:1996 , Tadeusz Tarczoń, Świat Szkła 9/2008

- Produkcja, wymagania i badania szkła warstwowego , Tadeusz Tarczoń, Świat Szkła 9/2008

- Fasady. Rozwój i nowoczesność , Tadeusz Tarczoń, Świat Szkła 1/2007

- Przyciemnianie szyb samochodowych a homologacja , Tadeusz Tarczoń, Świat Szkła 7-8/2005

- Technologia wytwarzania oraz badania szkła hartowanego i laminowanego Część 2 , Tadeusz Tarczoń, Świat Szkła 5/2005

- Technologia wytwarzania oraz badania szkła hartowanego i laminowanego Część 1 , Tadeusz Tarczoń, Świat Szkła 4/2005

więcej informacji: Świat Szkła 1/2011

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne