SiO
2 jako kryształ –
kwarc
Szkło — według amerykańskiej normy
ASTM
-162 (1983) szkło zdefiniowane jest jako nieorganiczny materiał, który został schłodzony do
stanu stałego
bez
krystalizacji
.
Rys techniczny
W literaturze można spotkać wiele definicji szkła, czy stanu szklistego. Najbardziej popularne jest definiowanie tego stanu w oparciu o budowę wewnętrzną, mianowicie, że nie posiada ona
uporządkowania dalekiego zasięgu
. Sposób rozmieszczenia podstawowych elementów sieci przestrzennej szkła przypomina rozmieszczenie molekuł w cieczy, lub nawet gazie.
Molekuły
te nie posiadają możliwości przemieszczania się ani możliwości ruchu albo możliwość ta jest ekstremalnie mała z powodu bardzo dużej
lepkości
. Z punktu widzenia termodynamiki, szkło jest materiałem nietrwałym – stan energetyczny sieci amorficznej jest wyższy od jej krystalicznego odpowiednika. Z tego względu, każde szkło wykazuje dążność do krystalizacji, jednak nie dochodzi do niej nawet po bardzo długim czasie, z powodu
lepkości
.
Wartość lepkości w warunkach normalnych jest taka sama jak dla krystalicznych ciał stałych. Wiele szkieł po prostu nie skrystalizuje nigdy, w dowolnej skali czasowej.
Twierdzenie, że szkło jest cieczą lub
przechłodzoną cieczą
jest nieścisłe, bowiem ze względu na właściwości
reologiczne
, szkło jest ciałem stałym. Określenie
ciecz przechłodzona
oznacza tylko tyle, że dana substancja poniżej
temperatury krystalizacji
znajduje się w stanie ciekłym ze wszystkimi tego konsekwencjami, tj. nadal jest płynna – jej molekuły mogą się między sobą przemieszczać – innymi słowy jej lepkość jest nadal mała. W przypadku szkła tak klasycznego – z
więźbą krzemionkową
– jak zeszklonych metali – mamy do czynienia z substancją, która poza wszelką wątpliwością jest w stanie stałym. Znanych jest wiele materiałów krystalicznych, które „płyną” o wiele bardziej intensywnie niż szkła i nie odbiera im się miana ciał stałych.
Szkła tradycyjne – tj. takie, które w sposób naturalny przechodzą ze stopu do stanu szklistego, posiadają w swojej budowie uporządkowanie bliskiego zasięgu – jest to jedna z przyczyn dużego wzrostu lepkości stopu w miarę zmniejszania się temperatury. Zjawisko to w efekcie prowadzi do tego, że materiał zastyga „zamrażając" w sobie strukturę cieczy. Innymi słowy opory wewnętrzne są tak duże, że uniemożliwiają krystalizację. Żeby do niej doszło stop musi przebywać w warunkach, w których z termodynamicznego punktu widzenia krystalizacja jest możliwa i dodatkowo kiedy lepkość stopu jest na tyle mała, aby ruchy molekuł były możliwe. Zdolność do krystalizacji (wzrostu kryształów) maleje tutaj wraz ze spadkiem temperatury. W przypadku metali, aby uzyskać
stan szklisty
, konieczne jest bardzo szybkie chłodzenie (mowa tu o „szybkościach” studzenia rzędu ok. 106 K/s), które uniemożliwi utworzenie krystalicznej struktury.
Surowce
Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła jest
piasek kwarcowy
oraz dodatki, najczęściej:
węglan sodu
(Na2CO3) i
węglan wapnia
(CaCO3), topniki:
tlenek boru
(B2O3) i
tlenek ołowiu(II)
(PbO) oraz pigmenty, którymi są zazwyczaj
tlenki
metali przejściowych
,
kadmu
,
manganu
i inne. Surowce są mieszane, topione w
piecu
w temperaturze 1200–1300 °C (dzięki dodaniu węglanu sodu), po czym formowane w wyroby przed pełnym skrzepnięciem. Naturalne szkło, jak
obsydian
, wykorzystywano jako broń w Ameryce. Produkcja szkła znana była już ponad pięć tysięcy lat temu. W
I w. p.n.e.
znano metodę wytwarzania przedmiotów przez wydmuchiwanie, w
XIX
w. wynaleziono metodę odlewania. Po dodaniu do masy szklanej odpowiednich tlenków metali można otrzymać
szkło barwne
. Przykłady:
Rys historyczny
Szkło znane jest ludzkości od niepamiętnych czasów. Kultury żyjące w pobliżu
wulkanów
miały dostęp do szkła występującego naturalnie w rozmaitych rodzajach i zabarwieniach[1].
Archeolodzy ustalili, że zaczęto je produkować najpierw w
Mezopotamii
, a najstarsze ślady jego użytkowania pochodzą sprzed 3,5 tys. lat. Według klasycznej historii mineralogii rzymskiego historyka
Pliniusza Starszego
, to
feniccy kupcy
przypadkowo wytopili szkło w ognisku przy transporcie kamienia około 5000 p.n.e.[1]
Thilo Rehren z University College of London i Edgar Pusch z Pelizaeus-Museum w
Hildesheim
opisali w czasopiśmie
Science
odkrycie w północnym
Egipcie
pozostałości fabryki szkła z roku 1250 p.n.e.[]
Technika wytwarzania cienkich, płaskich szyb okiennych została udoskonalona w XIV wieku we francuskiej
Normandii
. Rzemieślnicy wydmuchiwali wówczas pojedyncze szyby, zwane
gomółkami
szklanymi. Wytrawny szklarz był w stanie wydmuchać ok. tuzina szyb dziennie i dlatego w średniowieczu szklane okna były kosztownym luksusem.
Stopione szkło przeznaczone na jedną szybkę wydmuchiwało się w dużą bańkę za pomocą piszczeli szklarskiej. Następnie bańkę się spłaszczało i przyczepiało do końcówki żelaznego pręta, o nazwie przylepiak, który robotnik obracał najszybciej, jak potrafił. Spłaszczona bańka szkła rozkładała się jak wachlarz i tworzyła koło o średnicy od 1 do 2 m. Z okrągłych, płaskich tafli szkła, odpowiednio przyciętych, wyrabiano małe okienka, przeznaczone głównie dla kościołów. "Wole oko" w środku koła było najmniej przezroczyste, ale wykorzystywano i te fragmenty, ponieważ szyby były bardzo drogie.
Nowoczesne metody prasowania szkła fabrycznie udoskonalono i wdrożono do stosunkowo niedrogiego masowego wytwarzania przemysłowego w
Stanach Zjednoczonych
w XIX wieku. Nadal najwięcej szkła, i to szkła o najlepszym profilu techniczno-architektonicznym, produkuje się właśnie tam, np. na liniach taśmowych koncernu
DuPont
,
PPG
w
Pittsburghu
oraz
Asahi
w
Japonii
i innych producentów, głównie w
Wielkiej Brytanii
i
Niemczech
[1].
Właściwości szkła
Szkło wapienno – sodowe stanowi około 90% produkowanego szkła.
- Substancja bezpostaciowa, tzn. nie ma uporządkowanej budowy wewnętrznej
- Nie posiada stałej temperatury topnienia
- materiał
izotropowy
- słaby
przewodnik
dla elektryczności
- materiał o dużej odporności chemicznej (nie jest odporny na działanie
kwasu fluorowodorowego
)
- właściwości mechaniczne szkła budowlanego:
Właściwości szkła są uzależnione od sposobu wytopu oraz w ograniczonym zakresie od składu chemicznego.
Klasyfikacja szkła
- Szkło budowlane: płaskie walcowane i ciągnione, zespolone, hartowane, barwne nieprzejrzyste,
piankowe
, szkła budowlane są zazwyczaj szkłami sodowo-wapniowo-potasowo-krzemianowymi.
- Szkło jenajskie zwane też szkłem boro-krzemianowym – wynalezione w
Jenie
, cechujące się stosunkowo niską temperaturą topnienia (ok. 400 °C), łatwością formowania i jednocześnie wysoką odpornością na nagłe zmiany temperatury. Jest ono stosowane w
sprzęcie laboratoryjnym
i kuchennym. Jego odmianą jest szkło
pyrex
, które posiada skład znacznie ulepszony w stosunku do szkła jenajskiego.
-
Szkło ołowiowe (kryształowe)
– przepuszczalne dla
ultrafioletu
, o bardzo wysokim
współczynniku załamania światła
. Jest bezbarwne lub o odcieniu żółtym lub fioletowym. Gęstość 3,4–4,6 g/cm³. Używane do produkcji wyrobów dekoracyjnych, soczewek optycznych, przezroczystych osłon przed
promieniowaniem rentgenowskim
(o grubości równoważnej zwykle 2 lub 5 mm
ołowiu
) i
promieniowaniem gamma
.
- Szkło optyczne. Stosowane na potrzeby optyki. Trzech głównych producentów Schott (RFN), Ohara (Japonia), Corning (Francja). Ważne cechy takiego szkła to m.in. współczynnik załamania i gęstość.
- Szkło sodowe: CaO, SiO2, Na2O. Ma bardzo duże zastosowanie w życiu codziennym, wykonane są z niego np. opakowania szklane, szyby, szklanki.
Niektóre rodzaje szkła budowlanego
Karafka z kolorowego szkła
- Szkło okienne – jest to szkło płaskie, najczęściej produkowane metodą
float
(szkło płynie w postaci wstęgi na powierzchni ciekłej
cyny
). Inną wykorzystywaną jeszcze metodą jest metoda
szkła ciągnionego
(metoda Furcault'a). Jednak tą metodą szkło produkowane jest coraz rzadziej. Szkło float może być produkowane w grubościach od 2 do 19 mm. Szkło do stosowania w budownictwie dostępne jest standardowo w grubościach od 3 do 12 mm. Przepuszczalność światła zależy od grubości oraz zawartości tlenku żelaza w masie szklanej. Szkło o niskiej zawartości tlenku żelaza nazywane jest szkłem odbarwianym lub ekstrabiałym.
- Szkło płaskie walcowane – produkowane najczęściej jako szkło ornamentowe (wzorzyste) w grubościach od 3 do 8 mm.
- Szkło płaskie zbrojone – z wtopioną metalową siatką zbrojeniową, w taflach o grubości od 5 do 8 mm.
- Szkło płaskie barwione w masie (często stosowana jest nazwa handlowa – Antisol) – szkło takie posiada cechę pochłaniania energii promieniowania słonecznego, dlatego nazywane jest też szkłem przeciwsłonecznym. Ze względu na własności absorpcji promieniowania słonecznego szkło takie w budownictwie poddawane jest procesowi hartowania, aby zwiększyć jego odporność na powierzchniową różnicę temperatur.
- Szyby zespolone – zestawy szyb złożone z dwóch, trzech lub więcej pojedynczych szyb przedzielonych ramką dystansową, które produkuje się z dwustopniowym uszczelnieniem krawędzi zespolenia.
- Szkło hartowane – o większej wytrzymałości mechanicznej i większej odporności na powierzchniową różnicę temperatur. Otrzymywane przez poddanie szkła zwykłego odpowiedniej obróbce termicznej polegającej na podgrzaniu do temperatury 620–680 °C i bardzo szybkim schłodzeniu sprężonym powietrzem – co powoduje zmianę jego mikrostruktury – tworzy się bardzo regularna sieć drobnych kryształków krzemionki poprzedzielana niewielkimi domenami fazy amorficznej. Na skutek takiej wysoce krystalicznej struktury, przy rozbiciu szkło to rozpada się na małe kawałeczki o nieostrych krawędziach. Używane w budownictwie i do produkcji szyb samochodowych.
-
Szkło klejone
- W wypadku jego stłuczenia, warstwy folii zabezpieczają przed przebiciem i utrzymują kawałki szkła w niezmienionej pozycji. Używane w budownictwie i do produkcji szyb samochodowych.
- Szkło refleksyjne – szkło płaskie, które w procesie on-line (metoda pirolityczna) lub off-line (metoda magnetronowa), poddawane jest obróbce polegającej na napyleniu specjalnej selektywnej powłoki, która przepuszcza światło, ale posiada duży
współczynnik odbicia
promieniowania podczerwonego. Zastosowanie takiego szkła latem zabezpiecza pomieszczenia przed nagrzaniem, zimą ogranicza wypromieniowanie ciepła z wnętrza pomieszczenia. Przez możliwość naniesienia warstwy refleksyjnej o różnej barwie – daje ciekawe efekty architektoniczne na
elewacjach
budynków.
- Szkło elektroprzewodzące – z naniesioną powłoką z materiału elektroprzewodzącego.
- Szkło nieprzezroczyste (marblit) – w postaci płyt i płytek używanych do dekoracji ścian.
- Szkło ceramiczne
tworzywo szklano-ceramiczne
– używane głównie jako szkło kominkowe i w
kuchenkach elektrycznych
. Jego odporność temperaturowa sięga 750 °C. Ma bardzo mały
współczynnik rozszerzalności cieplnej
, skąd wynika wysoka odporność na szok termiczny.
- Ponadto ze szkła produkowane są wyroby takie, jak np.
pustaki szklane
,
wełna szklana
.
Szczególnym zastosowaniem szkła jest produkcja tzw. włókna szklanego. Powstaje ono przez przeciskanie stopionej masy szklanej przez otwory o b. małej średnicy. W zależności od średnicy i składu włókno takie ma dwa główne zastosowania:
-
Światłowód
dzięki wewnętrznemu odbiciu impulsy świetlne w odpowiednio przygotowanym włóknie szklanym mogą bez znaczącego osłabienia pokonywać ogromne odległości. Dodatkowo jedno włókno światłowodowe może przekazywać jednocześnie wiele takich impulsów o różnych częstotliwościach, dzięki czemu przepustowość informacyjna światłowodu jest gigantyczna w porównaniu z tradycyjnymi miedzianymi przewodami. Światłowody mają ogromne i wciąż rosnące zastosowanie w
teleinformatyce
.
- Tkaniny i maty szklane służące do zbrojenia sztucznych żywic czyli produkcji tzw.
laminatów
. W połączeniu z żywicami poliestrowymi (tańszymi) lub
epoksydowymi
(droższymi, ale wytrzymalszymi i odporniejszymi) tworzą lekki, wytrzymały i odporny materiał konstrukcyjny powszechnie stosowany w lotnictwie, szkutnictwie, przemyśle samochodowym itp. W wypadku droższych i bardziej wymagających konstrukcji włókna szklane bywają uzupełniane lub zastępowane
węglowymi
lub
aramidowymi
.
Szkło artystyczne
Szkło monumentalne, o dziwacznych quasi-naturalnych kształtach. Praca amerykańskiego artysty w szkle,
Dale Chihuly’ego
Tradycyjnie szkło stanowi medium dla artystów. Na
weneckiej
wyspie
Murano
nadal utrzymywana jest od XIII wieku tradycja precyzyjnego i kolorowego hutnictwa i dmuchanego
szkła weneckiego
. Nadal jest to światowe centrum dla artystów i amatorów szkła. Znajduje się tam Museo Vetrario, czyli Szklane Muzeum, ze szkłem wytwarzanym lokalnie, a także archeologicznymi znaleziskami z Egiptu i Libanu – kultury
Fenicji
, której to kupcy, według rzymskiego historyka
Pliniusz Starszego
, podobno przypadkowo stworzyli szkło w ognisku około 5000 p.n.e.[1]
Niewątpliwie najwięcej różnorodnego szkła artystycznego wyrabia się obecnie w Stanach Zjednoczonych. Amerykańskie, indywidualne hutnictwo szkła artystycznego pochodzi jeszcze z czasów kolonialnych, kiedy to wytapiano przedmioty gospodarstwa domowego z charakterystycznego zielonkawego szkła ze specjalnie promowanymi w nim zastygniętymi bąbelkami powietrza – dla ozdoby. Obecnie w USA pracuje wielu indywidualnych artystów, a sztuka w szkle jest nauczana i praktykowana na uniwersytetach, w tym w nurcie postmodernizmu. Wielu drobnych twórców wyrabia rzeźby i naczynia, szklane kwiaty, figury, ostatnio w asyście komputerów. Tradycyjnie są to wyroby naczyń w pełnych, jaskrawych lub zaciemnionych barwach z hut w
Appalachach
[2].
W latach 20. XX wieku głównym miejscem rozkwitu ceramiki, osobliwych szkliw i szkła w amerykańskim stylu
art déco
było
Cincinnati
, szczególnie pracownia Rockwood Pottery. Wyroby Rockwood Pottery były nagradzane na licznych wystawach w Europie. Po krachu giełdy te tradycje poszły do lamusa, lecz ostatnio są ponownie kontynuowane[3].
Osobno Harvey Littleton zapoczątkował nowy kierunek sztuki w szkle dmuchanym, wykonanym w małych, gabinetowych warunkach zamiast w hutach szkła. Nauczał pokolenia nowych dmuchaczy i artystów na
University of Wisconsin-Madison
.
Studentem Littletona był
Dale Chihuly
z
Tacoma
. Jego
instalacje
zarówno w ogrodach botanicznych na zewnątrz lub te wkomponowane w rośliny i pnie, jak i wężopodobne
żyrandole
zawieszone na stalowych linach pod wielkimi kopułami, składają się często z setek elementów wykonanych w tzw. szkle spiralnym, wzorowanym na weneckim, przybiera fantastyczne pseudonaturalne kształty. Chihuly opanował cale zagadnienie fabrykatu sztuki jako komercyjnego przedsięwzięcia – spisywanie jego warsztatu, książek i katalogów przypisanych jego autorstwu oraz wystaw muzealnych, to operacja wymagająca całego sztabu ludzi, A jego tournée muzealne przemieszczają się z pleneru do muzeum i z powrotem,niby jak teatr wędrowny, tyle, ze inscenizacje instalacji ulegają radykalnym zmianom i przystosowaniom[4].
Przedostatnia Times Square Ball (2008). Aktualna jest także wyrobem dmuchaczy z Irlandii, aczkolwiek podświetlona jest po raz pierwszy w historii wyłącznie
diodami elektroluminescencyjnymi
Poza Stanami Zjednoczonymi artyści abstrakcyjni i komercyjni w szkle dmuchanym są szczególnie aktywni w Wenecji (i generalnie we Włoszech), Wielkiej Brytanii, Irlandii, Finlandii, Holandii, Szwecji, Danii i Japonii. Tradycje hiszpańskie w szkle ozdobnym są także kultywowane w Ameryce Południowej i Środkowej, w tym szczególnie idiosynkratycznie w Meksyku. Natomiast Brazylijska artystka Kim Poor (żona gitarzysty
Genesis
,
Steve'a Hacketta
jest ceniona za oryginalną technikę kładzenia szkła z rozpylonym, intensywnym pigmentem na stali[5]. Owoce jej sztuki są szeroko dostępne w postaci reprodukcji: okładek płyt wykonanych przezeń dla jej męża[6].
W Polsce, Czechosłowacji i Niemczech tradycyjnie od wieków popularne były: malarstwo na szkle, wyrób witraży kościelnych oraz cięte stołowe szkło ołowiowe (tzw. kryształy), uzyskane wpierw dmuchaniem szkła. Podobną tradycję mają Irlandczycy w postaci Waterford Crystal, wytwarzanym od XVIII wieku, głównie skupowanym w Stanach Zjednoczonych. Słynna świetlista noworoczna opadająca kula – Times Square Ball z
Nowego Jorku
jest tradycyjnie wytwarzana kawałek po kawałku w
Waterford
[7].
Tradycyjne
bombki
na choinkę są niemieckim wynalazkiem dmuchanego szkła artystycznego na miniaturową skalę. Jak sama tradycja choinki, rozprzestrzeniły się one globalnie.
Zobacz też
Przypisy
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3
A Brief History of Glass
. W: GlassOnline.com (portal Artenergy Publishing, międzynarodowej branży szklanej) [on-line]. Artenergy Publishing S.r.l., 1996-2009. [dostęp 2009-02-04].
- ↑ Mel Byars, Terence Riley:
The Design Encyclopedia, 2. wydanie
. Ann Arbor, Michigan: L. King Publishers; University of Michigan Digitized (skan bilioteczny Google'a), 2004; cyfrowo zeskanowany UMich: 2007-12-27, ss. 1–832; o Blenko Glass: s. 84. , . [dostęp 2009-02-04].
- ↑
The History of Rookwood Pottery
(
ang.
). W: Oficjalna strona internetowa Rockwood Pottery [on-line]. The Rookwood Pottery Company 1920 Race Street, Cincinnati, OH 45202, Ph 513.381.2510, 2004-2009. [dostęp 2009-02-04].
- ↑ Chihuly, Incorporated:
Dale Chihuly – Artist
(
ang.
). W: Oficjalna strona internetowa (portal artysty) [on-line]. 1998 – 2009 Chihuly, Incorporated, 1998 – 2009. [dostęp 2009-02-04].
- ↑
Kim Poor – Diaphanism © 1992
(
ang.
). Kim Poor, 1992. [dostęp 2009-02-04].
- ↑ Edward Lucie-Smith:
Kim Poor – An Appreciation
(
ang.
). Kim Poor, 1992. [dostęp 2009-02-04].
- ↑ Times Square Alliance:
New Year's Eve – About the Ball
(
ang.
). Times Square District Management Association, Inc, 2004–2009. [dostęp 2009-02-04].
Bibliografia
-
GlassOnline
(
ang.
). W: GlassOnline.com (portal Artenergy Publishing, międzynarodowej branży szklanej) [on-line]. Artenergy Publishing S.r.l., 1996-2009. [dostęp 2009-02-04].
- Heliodor Chmielewski (red.): Encyklopedia techniki: energia jądrowa. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1970, s. 475.
- Wacław Żenczykowski: Budownictwo ogólne. Wyd. 8. T. 1: materiały i wyroby budowlane. Warszawa: Arkady, 1976.
- Wacław Parczewski: Materiały Budowlane. Warszawa: PWN, 1975.
Linki zewnętrzne
-
A Brief History of Glass
(
ang.
). W: GlassOnline.com (portal Artenergy Publishing, międzynarodowej branży szklanej) [on-line]. Artenergy Publishing S.r.l., 1996-2009. [dostęp 2009-02-04].