Surowce pomocnicze w technologii szkła

Prezentacja na temat: "Surowce pomocnicze w technologii szkła"— Zapis prezentacji:

1 Surowce pomocnicze w technologii szkła
Surowce klarujące (wspomagające odgazowanie stopu) siarczan sodu Na2SO4 lub inne surowce siarczanowe + reduktor (najczęściej węgiel) azotany (saletry) NaNO3; KNO3 i arszenik As2O3 Barwniki: związki metali przejściowych: Co, Ni, Mn, Cr, Cu, Fe, Ti i inn.; związki kadmu, selenu, siarki: CdS, CdSe; metale w rozproszeniu koloidalnym (pyrozole): Ago, Auo, Cuo, Seo

2 Składy chemiczne szkieł przemysłowych
Szkła krzemianowe szkło gospodarcze szkło opakowaniowe szkło budowlane Składy szkieł w przeliczeniu na tlenki w % wagowych Stosowane surowce SiO Na2O CaO MgO 3-5 Al2O ,5-2,5 piasek kwarcowy soda Na2CO3 wapień CaCO3 dolomit CaCO3.MgCO3 skalenie (np. Na2O.A2O3.6SiO2)

3 Składy chemiczne szkieł przemysłowych
Szkła boranowo-krzemianowe szkło techniczne szkło laboratoryjne Szkła typu PYREX (SiO2-B2O3-R2O) Składy szkieł w przeliczeniu na tlenki w % wagowych Stosowane surowce SiO B2O Al2O R2O 0,6-4 (Na2O, K2O) piasek kwarcowy kwas borowy H3BO3 boraks Na2B4O7 skalenie lub tlenek i wodorotlenek glinu K2O - potaż K2CO3 Na2O - soda Na2CO3

4 Składy chemiczne szkieł przemysłowych
Szkła krzemianowo - ołowiowe szkło kryształowe szkło optyczne szkło oświetleniowe Składy szkieł w przeliczeniu na tlenki w % wagowych Stosowane surowce szkło optyczne (ciężki flint) SiO2  PbO  K2O  15 4 piasek kwarcowy minia Pb3O4 (2PbO.PbO2) potaż K2CO3 szkło kryształowe

5 Realizacja procesów zeszklenia w praktyce
Przygotowanie zestawów surowcowych Topienie Klarowanie i ujednoradnianie stopu

6 Szkła Szkliwa studzenie do temperatury formowania
rozdrabnianie przez szok termiczny formowanie mielenie na mokro zeszklenie (witryfikacja) przygotowanie gęstwy odprężanie nanoszenie na powierzchnię wyrobu

7 Przygotowanie zestawów surowcowych:
Odważanie surowców Mieszanie Kontrola jednorodności zestawu Transport do agregatu cieplnego

8 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 (  600oC ) Tworzenie się i topienie eutektyku CaNa2(CO3)2 . Na2CO3 ( oC)

9 Topienie Dysocjacja termiczna węglanów
CaCO3  CaO + CO2 ( 912oC) CaNa2(CO3)2CaO+Na2O+2CO2 ( 960oC) Tworzenie się krzemianów Na2CO3 + 2SiO2  Na2SiO3+CO2 ( oC) CaO + SiO2  CaSiO3 (1010oC) Topienie krzemianów (do 1100oC) Roztwarzanie się ziaren krzemionki w stopie krzemianowym

10 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

11 Klarowanie (odgazowanie) i ujednaradnianie stopu
- szybkość unoszenia się pęcherzy w stopie r – średnica pęcherza (ds - do) – różnica gęstości szkła i gęstości gazu w pęcherzu  - lepkość lepkość optymalna dla procesu klarowania: dPs (lg = 1-2)

12 Klarowanie (odgazowanie) i ujednaradnianie stopu
Proces klarowania – przyspiesza dodatek środków klarujących . Są to związki chemiczne rozkładające się w temperaturach, w których stop osiąga niską lepkość sprzyjającą klarowaniu (powyżej 1200oC) Siarczany: Na2SO4  O2 + SO2 Saletry + arszenik: NaNO3 + As2O3  O2 Temperatury klarowania szkieł przemysłowych  1450oC

13 Klarowanie (odgazowanie) i ujednaradnianie stopu Ujednaradnianie stopu
Przetrzymywanie stopionej i wyklarowanej masy szklanej w temperaturze nieco niższej niż temperatura klarowania; Wyrównywanie stężeń poszczególnych składników na drodze dyfuzji; Ujednaradnianie można przyspieszyć przez zastosowanie mieszania mechanicznego;

14 Formowanie Metody formowania ze stopu
wydmuchiwanie (ręczne, maszynowe) wyciąganie tafli, rur, prętów (pionowe, poziome) walcowanie

15 Formowanie Metody formowania ze stopu
formowanie tafli na kąpieli metalicznej (metoda float prasowanie (wyroby grubościenne – kształtki budowlane, popielnice itp.) rozwłóknianie (włókna krótkie i długie)

16 Formowanie

17 Formowanie Szkło płaskie
Metoda Pittsburga – formowanie tafli szkła ze swobodnej powierzchni (wyciąganie pionowe), blok formujący zanurzony jest całkowicie w masie szklanej Przekrój poprzeczny przez studnię podmaszynową typu Pittsburgh: C-most kształtki sklepieniowe bloki formujące L-bloki chłodnice wodne

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

19 Formowanie Szkło płaskie – metoda float

20 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 ,5 dPs celem usunięcia naprężeń, wywołanych nierównomiernym studzeniem warstw zewnętrznych i wewnętrznych wyrobu

21 Właściwości szkieł: Technologiczne, odnoszące się do stopu:
lepkość napięcia powierzchniowe skłonność do krystalizacji Użytkowe, odnoszące się do wyrobów (zeszklonego stopu): odporność chemiczna właściwości termiczne: współczynnik rozszerzalności cieplnej, przewodność cieplna, odporność na szoki termiczne właściwości mechaniczne: twardość, odporność na uderzenia (udarność), odporność na zginanie, moduł sprężystości właściwości optyczne: współczynnik załamania światła, dyspersja współczynnik odbicia, przepuszczalność światła właściwości elektryczne: oporność elektryczna objętościowa (skrośna)

22 Właściwości szkieł: lepkość
Lepkość – tarcie wewnętrzne; bariera energetyczna przepływów lepkościowych Zmiany lepkości w funkcji temperatury stopów szkłotwórczych Charakterystyczne punkty na krzywej lepkości: ln charakterystyka punktu 14,5-13 zakres transformacji 10 – 5 zakres obróbki palnikowej 7,65 punkt mięknięcia wg Litlettona 5 – 3 zakres formowania 3 – 2 topienie i klarowanie stopu

23 Właściwości szkieł: lepkość
Znaczenie technologiczne lepkości: warunkuje właściwości szkłotwórcze stopów; warunkuje procesy topienia, klarowania, formowania wyrobów

24 napięcia powierzchniowe
Właściwości szkieł: napięcia powierzchniowe zmiana energii swobodnej danej fazy, związana ze zmianą rozwinięcia powierzchni tej fazy o jednostkę Znaczenie napięcia powierzchniowego w stopach szkłotwórczych: ułatwia zaokrąglanie powierzchni; umożliwia wykorzystanie politury ogniowej przy formowaniu szkła – szkło float; umożliwia formowanie tafli szkła na kąpieli metalicznej – szkło float; umożliwia wyciąganie wyrobów o kształcie cylindrycznym – rury, pręty, włókna szklane; utrudnia odgazowanie masy, ujednorodnienie, topienie

25 Właściwości szkieł: skłonność do krystalizacji
Stopy szkłotwórcze samoistnie dążą do przekrystalizowania ponieważ stan krystaliczny jest stanem stabilnym, o najniższej energii swobodnej i najniższej entropii; Krystalizacji przeszkadza wysoka lepkość stopów. Dla każdego szkła istnieje optymalny zakres temperaturowy w którym szkło najchętniej krystalizuje. Stopy szkliste nie mogą w tym zakresie temperaturowym być przetrzymywane przez dłuższy okres czasu.

26 Podstawowe właściwości szkieł krzemianowych
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] 90o 800o Współczynnik załamania światła nd ≈ 1,5 1,4

27 Specjalne technologie otrzymywania substancji amorficznych
Metoda CVD reakcje w fazie gazowej Metoda zol – żel reakcje w fazie ciekłej

28 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 + O SiO2 + 2Cl2 Osadzanie par produktów reakcji (SiO2) na zimnym podłożu (zeszklenie) – warstwy amorficzne, włókna światłowodowe.

29 METODA CVD Zastosowanie:
Wytwarzanie cienkich warstw o różnych własnościach Wytwarzanie preform do wyciągania włókien światłowodowych

30 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); Podstawowe reakcje chemiczne – hydroliza (1) i polikondensacja (2) Si(OR)4 +H2O (OR)3SiOH + ROH (1) R- CnHm (OR)3SiOH + HOSi(OR) (OR)3Si-O-Si(OR)3 + H2O (2)

31 Otrzymywanie substancji amorficznych poprzez reakcje w fazie ciekłej (zol-żel)
Podstawowe przemiany fizyczne: roztwór zol żel szkło

32 METODA ZOL – ŻEL Przemiana żelu w szkło tlenkowe
konieczna obróbka termiczna: - suszenie - wygrzewanie do temperatury około 900oC

33 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

34 METODA ZOL-ŻEL ZASTOSOWANIE:
- otrzymywanie cienkich powłok o różnych własnościach - otrzymywanie włókien nieorganicznych Metoda stosowana wówczas gdy tradycyjna hutnicza metoda topienia zawodzi!!!!