Steklo

Čaša iz večbarvnega stekla, izdelana v t.i. tehniki millefiori, odkrita v enem od grobov antične Emone. Čaša je del zbirke Mestnega muzeja Ljubljana
Sodobni rastlinjak Kraljevega hortikulturnega društva v Wisleyju, Surrey, Anglija.

Stêklo je amorfna (nekristalinična), praviloma prozorna trdnina, ki ima veliko praktično, tehnološko in dekorativno uporabnost, na primer kot okensko steklo, posoda, izolacijski materiel (steklena volna) in optično vlakno za hiter prenos optičnih signalov. Osnovna sestavina stekla je silicijev dioksid (kremen, SiO2).

Najbolj znano in zgodovinsko najstarejše je natrijevo (ali soda-apno) steklo, iz katerega so narejene na primer steklenice in okensko steklo. Natrijevo steklo vsebuje poleg kremenčevega peska tudi sodo (Na2CO3), ki zniža tališče, mlet apnenec (CaCO3), ki poveča njegovo trdnost in kemijsko odpornost, in v manjše količine dodatkov. Med taljenjem potečeta naslednji kemijski reakciji:

SiO2 + Na2CO3 → CO2 + Na2SiO3
SiO2 + CaCO3 → CO2 + CaSiO3

Med druge najbolj znane vrste stekla spadajo kremenčevo steklo, ki se proizvaja iz čistega silicijevega dioksida. Svinčevo ali kristalno steklo ima velik lomni količnik in se uporablja za izdelavo dragih brušenih in nebrušenih izdelkov in optičnih elementov (leče, prizme). Borovo steklo je zelo odporno proti kemikalijam in spremembam temperature in se uporablja predvsem za izdelavo laboratorijske steklovine.

Brezbarvno steklo se proizvaja iz zelo čistih surovin, ker ga že zelo majhne količine nečistoč tako ali drugače obarvajo. Za barvanje stekla se v talino dodajajo kovinski oksidi ali soli: železo ga obarva zeleno rumeno, kromov oksid zeleno, bakrov oksid modro, manganov oksid vijolično in zlato rdeče.

V znanosti se izraz steklo uporablja mnogo širše in zajema vse trdnine, ki imajo amorfno (nekristalinično) zgradbo in steklast prehod, ko se segrevajo proti temperaturi tališča. Med stekla v tem smislu spadajo tudi porcelani in mnogo termoplastov. Te vrste stekla se lahko proizvedejo iz zelo različnih gradiv: kovinskih zlitin, talin ionskih spojin, vodnih raztopin, molekularnih tekočin in polimerov. Polimerna stekla (poliakrilati, polikarbonati, polietilen tereftalati) so zaradi majhne gostote pogosto mnogo bolj primerna kot tradicionalna silicijeva stekla (steklenice, očesne leče).

Fizikalne lastnosti

Optične lastnosti

Steklo se izjemno uporabno predvsem zaradi njegove prepustnosti za vidno svetlobo, katere polikristalinične snovi praviloma ne prepuščajo.[1] Posamezni kristaliti so lahko prozorni, njihove fasete (ploskve med zrni) pa svetlobo odbijejo ali razpršijo, kar ima za posledico razpršen odboj svetlobe. Steklo ne vsebuje notranjih gradbenih podenot, ki bi bile povezane mejnimi ploskvami, zato ne sipa svetlobe. Površina stekla je običajno gladka, ker se med strjevanjem molekule podhladijo in se zato ne utegnejo zložiti v pravilno kristalno geometrijo, ampak se podrejajo površinski napetosti, ki jih zlaga v mikroskopsko gladko površino. Te lastnosti dajejo steklu prozornost, ki se ohrani tudi če steklo delno absorbira svetlobo, se pravi če je obarvano.[2]

Steklo lahko po zakonih optike brez sipanja lomi, odbija in prepušča svetlobo, zato je uporabno za izdelavo okenskega stekla in leč. Običajna stekla imajo lomne količnike okoli 1,5. Z dodajanjem manj gostih primesi, na primer bora, se lomni količnik zmanjša (kronsko steklo), z dodajanjem bolj gostih primesi, na primer kremena (kremenčevo steklo) ali svinčevega oksida (svinčevo steklo), pa se lahko poveča do vrednosti 1,8. V zadnjem času se namesto svinčevega oksida uporabljajo manj strupeni oksidi, na primer cirkonijev, titanov in barijev oksid. Stekla z visokim lomnim količnikom, ki se uporabljajo za izdelavo brušene ali nebrušene steklene posode, dajejo bolj kromatično razpršeno svetlobo, podobno kot diamant, zato se običajno (netočno) imenujejo kristalna stekla.

Steklena plošča skladno s Fresnelovimi enačbami pri normalnih pogojih v zraku odbije približno 4 % vpadne svetlobe, se pravi da (zaradi dveh površin) prepusti približno 90 % vpadne svetlobe. Stekla z dodatkom germanijevega oksida se uporabljajo v elektroniki, na primer kot optična vlakna za prenos svetlobnih signalov.

Druge lastnosti

Steklo je prozorna tekočina z zelo visoko viskoznostjo in amorfno zgradbo, ki se začne mehčati pri 500-700 °C. V raztaljenem stanju se lahko piha, valja, vleče, ekstudira in uliva v različne votle izdelke, plošče ali zelo zapleteno oblikovane predmete. Steklo, ki ni laminirano ali kako drugače (termično) obdelano, je krhko in lomljivo, po drugi strani pa izredno trdno. Prenese do 30-krat večje tlačne obremenitve kot beton ali kamen in je zato zelo uporabno na številnih področjih.

Stekla so dobri toplotni in električni izolatorji, nimajo nobenega vonja in se zaradi gladke površine lahko čistijo. Odporna so na večino kislin, topil in drugih agresivnih kemikalij in so zato primerna za izdelavo posod za shranjevanje živil in večine kemikalij.

Silikatna stekla

Sestavine

Fulgurit

Osnovna surovina silikatnih stekel je silicijev dioksid (SiO2). Silikatno steklo nastaja v naravi s posteklitvijo kremena v kremenčevem pesku med udarom strele. Pri tem nastanejo votle, razvejane, koreninam podobne strukture, imenovane fulgurit.

Čisto kremenčevo steklo je sestavljeno iz relativno čistega kremena. Od drugih stekel se razlikuje po tem, da ne vsebuje sestavin, ki se običajno dodajajo v steklo. Kremenčevo steklo ni kristalinično in nima pravega tališča in je uporabno samo za nekatere posebne namene. Zaradi visoke temperature steklastega prehoda (preko 1200 °C) se ne uporablja zelo pogosto.[3]

Kremenčevemu steklu so običajno dodajajo snovi, ki poenostavijo proizvodni proces. Ena od njih je natrijev karbonat (soda, Na2CO3), ki zniža temperaturo steklastega prehoda. Slaba stran dodajanja sode je, da postane steklo vodotopno, kar običajno ni zaželeno. To pomanjkljivost se odpravi z dodajanjem kalcijevega oksida (CaO), ki se običajno dodaja kot apnenec (CaCO3), magnezijevega oksida (MgO) ali aluminijevega oksida (Al2O3). Dodatki hkrati povečajo tudi kemijsko obstojnost stekla. Takšno steklo vsebuje 70-74 masnih % SiO2 in se imenuje natrijevo (ali soda-apno) steklo.[4] Natrijevo steklo obsega 90 % svetovne proizvodnje stekla.

Večina stekel vsebuje dodatke, ki spremenijo njegove lastnosti. Svinčev oksid poveča njegov lomni količnik, kar daje, predvsem brušenemu steklu, zelo lep »briljanten« videz. Lomni količnik poveča tudi barij. Torijev oksid poveča lomni količnik in zmanjša sipanje svetlobe, zato se je torijevo steklo nekoč uporabljalo za izdelavo zelo kakovostnih leč. Zaradi radioaktivnosti so ga v sodobnih lečah za očala zamenjali z lantanom. Steklo z dodatkom železa dobro absorbira infrardeče valovanje in se uporablja na primer za toplotne filtre na filmskih projektorjih. Steklo s cerovi(IV) oksidi dobro absorbira ultravijolično valovanje.[5]

V nadaljevanju so opisane najbolj pogoste vrste stekla, njihova sestava, lastnosti in uporabnost.

  • Taljeni kremen ali taljeno kremenovo steklo je steklast silicijev dioksid (SiO2), v katerem so molekule SiO2 urejene naključno oziroma da nimajo kristalne strukture. Steklo ima zelo majhen temperaturni razteznostni koeficient, je zelo trdo in odporno proti visokim temperaturam (1000-1500 °C). Je najbolj odporno proti staranju, ker ne vsebuje alkalij, ki bi jih izpirala voda. Uporablja se v visokotemperaturnih aplikacijah, na primer v cevnih pečeh, svetlobnih ceveh, talilnih lončkih itd.
  • Natrijevo ali okensko steklo vsebuje 72 % kremena, 14,2 % natrijevega oksida (Na2O), 10,0 % kalcijevega oksida (CaO), 2,5 % magnezijevega oksida (MgO) in 0,6 % aluminijevega oksida (glinica, Al2O3). Je prozorno, enostavno za pripravo in najprimernejše za ravno (okensko) steklo. Ima visok temperaturni koeficient in majhno temperaturno obstojnost (500-600 °C). Uporabno je za okensko steklo, žarnice in namizni pribor. Steklo za posodo, na primer steklenice, vrče in kozarce, vsebuje več aluminijevega in kacijevega oksida in manj natrijevega in magnezijevega oksida, ki sta bolj topna v vodi. Steklo je zato bolj odporno proti vodni koroziji.
  • Natrijevo borosilikatno steklo (Pyrex, Boral) vsebuje 81 % kremena, 12 % borovega oksida (B2O3), 4,5 % natrijevega oksida in 2 % aluminijevega oksida. Ima mnogo manjši temperaturni razteznostni koeficient (7740 Pyrex CTE: 3,25x10-6 K-1)[6] kot natrijevo steklo (9×10−6 K-1)[7] in je zato dimenzijsko mnogo bolj stabilno in bolj odporno proti pokanju zaradi hitrih temperaturnih sprememb. Uporablja se predvsem za laboratorijsko steklovino, kuhinjsko posodo, optične elemente in avtomobilske žaromete.
  • Svinčevo ali kristalno steklo vsebuje 59 % kremena, 25 % svinčevega oksida (PbO), 12 % kalijevega oksida (K2O), 2 % natrijevega oksida, 1,5 % cinkovega oksida (ZnO) in 0,4 % aluminijevega oksida. Zaradi velike gostote ima velik lomni količnik in zato bolj »brilijanten«  ali »kristalen« videz, čeprav ni kristal. Ima tudi veliko elastičnost in se lahko obdeluje, proti segrevanju pa ni najbolj odporno.
  • Oksidno steklo vsebuje 90 % aluminijevega oksida in 10 % germanijevega dioksida (GeO2). Steklo je izjemno prozorno in se uporablja za izdelavo optičnih vlaken. Svetlobne izgube so samo 5 % na kilometer vlakna.[8] Večina optičnih vlaken je kljub temu izdelana iz stekel, katerih osnovna surovina je kremen.

Proizvodnja

V proizvodnji stekla po šaržnem postopku se surovine najprej zmeljejo in zmešajo in nato prenesejo v talilno peč. Peči za masovno proizvodnjo natrijevega stekla so običajno ogrevane s plinom. Manjše peči ali talilni lonci za proizvodnjo posebnih stekel so lahko ogrevani tudi z elektriko.[4] Po taljenju se mora steklovina homogenizirati in rafinirati, se pravi da se morajo iz nje odstraniti vsi mehurčki. Sledi končna obdelava s pihanjem, iztiskanjem, valjanjem in ulivanjem.

Valjanje stekla je postopek za proizvodnjo ravnega stekla, ki temelji na valjanju delno ohlajene steklovine. Steklo ima pogosto napake zaradi napak v valjih in neenakomerno debelino zaradi ovalnosti in slabe nastavitve valjev. Postopek se zaradi teh pomanjkljivosti vedno bolj opušča.

Večina ravnega steklo za okna in podobne aplikacije se proizvaja po tako imenovanem plavajočem postopku, ki sta ga v letih 1953 do 1957 razvila Sir Alastair Pilkington in Kenneth Bickerstaff v britanski steklarni Pilkington Brothers. Postopek ima v primerjavi z valjanjem številne prednosti in se je hitro uveljavil po celem svetu. Postopek temelji na ulivanju staljenega stekla na gostejšo tekočino, običajno na raztaljen kositer, ki da steklu popolnoma ravno površino in enakomerno debelino. Zgornjo stran stekla se izpostavi dušiku pod visokim tlakom, kar ima podoben učinek kot poliranje.[9] Po tem postopku se proizvede približno 90 % ravnega stekla.

Votlo steklo za steklenice in kozarce se proizvaja s pihanjem ali stiskanjem. Tovrstno steklo vsebuje malo več aluminijevega in kalcijevega oksida, ki poboljšata obstojnost proti vodi.

Ko dobi steklo končno obliko, se običajno žari, da se sprostijo notranje napetosti. Sledi končna obdelava (površinska obdelava, laminiranje, premazovanje...), ki izboljša kemijsko odpornost stekla, trdnost ali optične lastnosti.

Barva

Steklo se lahko izdela prozorno in ploščato ali pa ga, kot kaže ta krogla steklarne Brehat iz Bretanje, oblikujemo v druge oblike in barve.

Steklo se barva na dva načina: z dodajanjem električno nabitih kovinskih ionov (ali barvnih centrov), ki so enakomerno porazdeljeni po celotni masi stekla, in z obarjanjem fino razpršenih delcev, na primer v fotokromnih lečah za očala.[10] Okensko steklo je zaradi majhne debeline na videz brezbarvno, čeprav ga že 0,1 % železovega(II) oksida (FeO) [11] obarva rahlo zeleno, kar je opazno na debelejšem steklu in na prelomih. Dodatno FeO in Cr2O3 se uporabljata za barvanje zelenih steklenic. Žveplo, ogljik in železove soli v steklu tvorijo železove polisulfide, ki obarvajo steklo od rumenkaste do skoraj črne barve.[12] Talina stekla dobi jantarno barvo tudi v redukcijski zgorevalni atmosferi. Majhne količine manganovega dioksida (MnO2) lahko izničijo zelenkast odtenek, ki ga povzroča železov(II) oksid. Umetniško steklo se barva po skrbno varovanih recepturah s specifičnimi kombinacijami kovinskih oksidov, temperatur in časa staranja raztaljene steklovine.

Zgodovina silikatnega stekla

Slovenski izraz gláževina (steklene črepinje), angleški glass in nemški Glas izvirajo iz poznega Rimskega cesarstva. Rimljani so v svojih steklarnah v Trierju steklo imenovali glesum. Beseda je verjetno germanskega izvora in je pomenila prozorno lesketajočo se snov.[13]

Naravno steklo, predvsem vulkanski obsidijan, so uporabljale že mnoge kamenodobne skupnosti za izdelavo ostrega orodja in orožja. Obsidijan je bil zaradi omejenih virov zelo cenjeno trgovsko blago. Arheološke raziskave kažejo, da so prvo pravo steklo proizvedli v severni Siriji, Mezopotamiji ali Starem Egiptu.[14] Najstarejši znani stekleni predmeti iz sredine 3. tisočletja pr. n. št. so koralde, ki so morda nastale kot stranski proizvod proizvodnje kovin (žlindra) ali fajanse, sintrane keramike, podobne steklu.

Steklo je spadalo med luksuzne materiale, zaradi nesreč, ki so doletele civilizacije v pozni bronasti dobi, pa se je njegova proizvodnja očitno ustavila. Tehnologija in proizvodnja stekla se je ponovno razvila po letu 1730 pr. n. št. v južni Aziji.[15] Zdi se, da se je v stari Kitajski steklarstvo razvilo pozno v primerjavi s proizvodnjo keramike in kovin. V Rimskem cesarstvu so bili stekleni predmeti razširjeni po celem cesarstvu. Uporabljali so se predvsem v gospodinjstvih, industriji in pokopih.

V srednjem veku se je raba stekla zelo razširila. Iz njega so izdelovali posodo, okensko steklo in nakit. V 10. stoletju so začeli izdelovati tudi barvna steklena okna stolnic in cerkva. Po tem so najbolj slovele stolnica v Chartresu (1194-1250), bazilika Saint Denis (1144), kapela Saint-Chapelle (1239-1248)[16] in stolnica v Gloucestru (1072–1104).[17] Barvno steklo se je še posebej uveljavilo po oživitvi gotske arhitekture v 19. stoletju. V renesansi so postala velika barvna cerkvena okna zaradi spremembe arhitekture manj pomembna, začela pa so se širiti v zasebnih hišah. Barvne steklene plošče so bile sprva majhne in v oknih sestavljene s svinčeno zalivko, z razvojem tehnologije pa so postajale vedno večje in cenejše. V 20. stoletju je postalo steklo tako poceni, da so z njim obložene tudi izredno velike zgradbe.

Vrste stekla

Sklici

  1. M.W. Barsoum (2003). Fundamentals of ceramics. 2. izdaja. Bristol: IOP. ISBN 0-7503-0902-4.
  2. D.R. Uhlmann, N.J. Kreidl, urednika (1991). Optical properties of glass. Westerville, OH. American Ceramic Society. ISBN 0-944904-35-1.
  3. M.I. Ojovan (2004). Formation in Amorphous SiO2 as a Percolation Phase Transition in a System of Network Defects. JETP Letters 79 (12): 632–634. Bibcode: 2004JETPL..79..632O. doi: 10.1134/1.1790021.
  4. 4,0 4,1 B.H.W.S. de Jong (1989). Glass. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. 5. izdaja. A12. VCH Publishers, Weinheim, Nemčija, str. 365–432. ISBN 978-3-527-20112-9.
  5. G.H. Pfaender (1996). Schott guide to glass. Springer. str. 135, 186. ISBN 978-0-412-62060-7. Pridobljeno 8. februarja 2011.
  6. Pyrex data sheet. Corning, Inc. Pridobljeno 15. maja 2012.
  7. AR-GLAS. Schott, N.A., Inc data sheet.
  8. Mining the sea sand. Seafriends.org.nz. Pridobljeno 15. maja 2012.
  9. PFG Glass. Pridobljeno 24. oktobra 2009.
  10. W. Vogel (1994). Glass Chemistry. 2. izdaja. Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K. ISBN 3-540-57572-3.
  11. T.P. Seward, urednik (2005). High temperature glass melt property database for process modeling. Westerville, Ohio: American Ceramic Society. ISBN 1-57498-225-7.
  12. D.M. Issitt. Substances Used in the Making of Coloured Glass. 1st.glassman.com.
  13. R.W. Douglas (1972). A history of glassmaking. Henley-on-Thames: G T Foulis & Co Ltd. ISBN 0-85429-117-2.
  14. The History of Glass. Glass Online. Pridobljeno 29. oktobra 2007.
  15. J.A.J. Gowlett (1997). High Definition Archaeology: Threads Through the Past. Routledge. ISBN 0-415-18429-0.
  16. R. Hughe (1963). Byzantine and Medieval Art. Paul Hamlyn.
  17. J. Harvey (1961). English Cathedrals. Batsford.

Zunanje povezave