Składy chemiczne szkieł przemysłowych

Składy chemiczne szkieł przemysłowych

Szkła krzemianowe

szkło budowlane szkło

opakowaniowe szkło gospodarcze

Składy szkieł w przeliczeniu

na tlenki w % wagowych Stosowane surowce

SiO₂ 70-75 Na₂O 14-17

CaO 8-12

MgO 3-5 Al₂O₃ 0,5-2,5

piasek kwarcowy soda Na₂CO₃

wapień CaCO₃

dolomit CaCO₃^.MgCO₃ skalenie (np.

Na₂O^.A₂O₃^.6SiO₂)

Realizacja procesów zeszklenia w praktyce

Przygotowanie zestawów surowcowych

Topienie

Klarowanie i ujednoradnianie stopu

Przygotowanie zestawów surowcowych:



Odważanie surowców



Mieszanie



Kontrola jednorodności zestawu



Transport do agregatu cieplnego

Topienie

Procesy fizyczne i reakcje chemiczne zachodzące w zestawach surowcowych podczas ogrzewania (zestaw surowcowy: piasek SiO₂, soda Na₂CO₃,wapień CaCO₃)

Usuwanie wody

Przemiany polimorficzne (SiO2)

Ulatnianie się składników (węglan sodu)

Tworzenie się podwójnych węglanów

CaCO₃ + Na₂CO₃  CaNa₂(CO₃)₂ (  600^oC )

Tworzenie się i topienie eutektyku CaNa2(CO3)2 . Na2CO3 (740-800^oC)

Topienie

Dysocjacja termiczna węglanów CaCO₃  CaO + CO₂ ( 912^oC)

CaNa₂(CO₃)₂CaO+Na₂O+2CO₂ ( 960^oC)

Tworzenie się krzemianów

Na₂CO₃ + 2SiO₂  Na₂SiO₃+CO₂ (720-900^oC) CaO + SiO₂  CaSiO₃ (1010^oC)

Topienie krzemianów (do 1100^oC)

Roztwarzanie się ziaren krzemionki w stopie krzemianowym

Klarowanie (odgazowanie) i ujednaradnianie stopu

Klarowanie – usunięcie ze stopu pęcherzy gazowych.

Czynniki determinujące proces klarowania:

 lepkość

 napięcia powierzchniowe

Podwyższenie temperatury powoduje:

 obniżenie lepkości i napięć powierzchniowych

 sprzyja procesowi klarowania

Formowanie

Metody formowania ze stopu

wydmuchiwanie (ręczne, maszynowe)

wyciąganie tafli, rur, prętów (pionowe, poziome)

walcowanie

Formowanie

Metody formowania ze stopu

formowanie tafli na kąpieli metalicznej (metoda float

prasowanie (wyroby grubościenne – kształtki budowlane, popielnice itp.)

rozwłóknianie (włókna krótkie i długie)

Formowanie

Formowanie

Szkło płaskie

Metoda float – formowanie tafli szkła na kąpieli cynowej (układ poziomy); druga strona tafli – poler ogniowy; likwidacja falistości

Formowanie

Szkło płaskie

Zeszklenie (witryfikacja) i odprężanie (stabilizacja struktury)

Witryfikacja – obniżenie temperatury wyrobu do lepkości powyżej 10¹³ dPs (temperatura witryfikacji, zeszklenia, transformacji) – wyrób nabiera cech ciała stałego

Wolne studzenie wyrobu w zakresie lepkości 10¹³ - 10^14,5 dPs celem usunięcia naprężeń, wywołanych nierównomiernym studzeniem warstw zewnętrznych i wewnętrznych wyrobu

Podstawowe właściwości szkieł krzemianowych

Właściwość Rodzaj szkła

Na₂O-CaO-SiO₂ SiO₂

Gęstość (g/cm³) ≈ 2,5 2,2

Wytrzymałość na zginanie (kG/mm²) ≈ 6,4 7,0

Twardość wg skali Mohra ≈ 5 – 6 6,0

Współczynnik rozszerzalności

cieplnej 1/deg (α) ≈ 70 – 100 ּ10^-7 5ּ10^-7

Odporność na nagłe zmiany

temperatury (studzenie) ΔT [^oC] 90^o 800^o

Współczynnik załamania światła n_d ≈ 1,5 1,4

Specjalne technologie otrzymywania substancji amorficznych

Metoda CVD reakcje w fazie gazowej

Metoda zol – żel reakcje w fazie

ciekłej

Otrzymywanie substancji amorficznych poprzez reakcje z fazy gazowej (CVD)

Surowce wyjściowe w formie ciekłej dozowane do palnika plazmowego

Przejście w stan pary (SiCl₄, TiCl₄, GeCl₄)

Reakcje w fazie gazowej (hydrolizy lub utlenienia):

SiCl₄ + 2H₂O SiO₂ + 4HCl SiCl₄ + O₂ SiO₂ + 2Cl₂

Osadzanie par produktów reakcji (SiO₂) na zimnym podłożu (zeszklenie) – warstwy amorficzne, włókna

światłowodowe.

METODA CVD

Zastosowanie:

 Wytwarzanie cienkich warstw o różnych własnościach

 Wytwarzanie preform do wyciągania włókien światłowodowych

Podstawowe reakcje chemiczne – hydroliza (1) i polikondensacja (2)

Si(OR)₄ +H₂O (OR)₃SiOH + ROH (1) R- C_nH_m

(OR)₃SiOH + HOSi(OR)₃ (OR)₃Si-O-Si(OR)₃ + H₂O (2)

Otrzymywanie substancji amorficznych poprzez reakcje w fazie ciekłej (zol-żel)

roztwór wyjściowy stanowią organiczne związki pierwiastków (najczęściej alkoholany i estry) rozpuszczone w alkoholu z dodatkiem wody oraz katalizatora (HCl, NaOH);

Otrzymywanie substancji amorficznych poprzez reakcje w fazie ciekłej (zol-żel)

Podstawowe przemiany fizyczne:

roztwór

zol

żel

szkło

METODA ZOL – ŻEL

 Przemiana żelu w szkło tlenkowe konieczna obróbka termiczna:

- suszenie

- wygrzewanie do temperatury około 900oC

METODA ZOL-ŻEL

 Procesy, zachodzące podczas obróbki termicznej:

 - kontynuacja reakcji hydrolizy i polikondensacji

 - usuwanie wody fizycznej i chemicznej (grupy OH)

 - utlenianie części organicznych

 - zapadanie się por; zagęszczanie żelu

METODA ZOL-ŻEL

 ZASTOSOWANIE:

 - otrzymywanie cienkich powłok o różnych własnościach

 - otrzymywanie włókien nieorganicznych

Metoda stosowana wówczas gdy

tradycyjna hutnicza metoda topienia zawodzi!!!!