Jako szkło powszechnie określa się materiały amorficzne powstałe wskutek szybkiego ochłodzenia cieczy, z pominięciem etapu krystalizacji. Z punktu widzenia strukturalnego jest to ciało stałe o nieperiodycznej sieci atomów. Zdolność do tworzenia szkieł, czyli zastygania w taką bezpostaciową masę wykazują tlenki krzemu, boru i fosforu, czyli kolejno SiO2, B2O3 oraz P4O10, a także ich stopy z innymi tlenkami, na przykład litowców, wapniowców. Jako pierwiastek elementarny selen, siarka, węgiel, krzem, tellur, arsen, german, bor i fosfor wykazują zdolności szkłotwórcze. Oprócz wcześniej wspomnianych substancji takie zdolności wykazują również niektóre silnie spolimeryzowane substancje organiczne takie jak polistyren oraz związki z grupą hydroksylową, na przykład gliceryna.
Właściwości szkła
W odróżnieniu od anizotropowych ciał krystalicznych szkła posiadają właściwości izotropowe. W trakcie ogrzewania materiał stopniowo mięknie i w sposób ciągły przechodzi od stanu, w którym jego właściwości przypominają ciało stałe do stanu, w którym można go określić mianem przechłodzonej cieczy, wykazującej znaczną lepkość. Zakres temperaturowy, w którym obserwuje się tę zmianę jest stosunkowo wąski, a określa się go zakresem przeobrażenia szkła. Można w nim zaobserwować kilka znacznych zmian – następuje szybka zmiana ciepła właściwego, współczynnika załamania światła i współczynnika rozszerzalności cieplnej oraz przenikalności elektrycznej. W temperaturach poniżej zakresu przeobrażenia, szkło charakteryzuje się twardością i kruchością. Wraz ze wzrostem temperatury staje się coraz bardziej plastyczne aż do przemiany w bardziej ruchliwą ciecz. Zakres przeobrażenia szkła kwarcowego przypada w okolicy 1500 K, natomiast dla szkieł krzemianowych w nieco niższych temperaturach, ok. 800-1000 K w zależności od dokładnego składu materiału.
Struktura szkła
Zarówno szkło kwarcowe, jak i krzemianowe posiadają strukturę zbliżoną do krystalicznych krzemianów. Jest ona złożona z tetraedrycznych grup SiO4, które łączą się, tworząc sztywny szkielet trójwymiarowy. Różnicą jest jednak ich uporządkowanie, gdyż w odróżnieniu od ciał krystalicznych o uporządkowanej sieci krystalicznej, grupy obecne w szkle wiążą się ze sobą w sposób nieuporządkowany. Układ szkła określa się jako pozornie trwały, co oznacza, że nie osiąga on stanu równowagi, ale wykazuje tendencje w stronę stanu krystalicznego. W normalnych warunkach ten proces przebiega tak bardzo powoli, że jest niezauważalny. Możemy to zaobserwować dopiero na bardzo starych szkłach. Tę szybkość można natomiast zwiększyć, stosując wyższe temperatury rzędu 1200-1400 K, w zależności od gatunku szkła. Zauważalną zmianą w szkle po krystalizacji jest charakterystyczne zmętnienie i zwiększona kruchość. Plastyczność masy szklanej można dowolnie zmieniać przy zastosowaniu odpowiedniej temperatury obróbki oraz formować poprzez wydmuchiwanie, prasowanie itp.
Przykładowe rodzaje materiałów szklanych
- Szkło sodowo-wapniowe 12,9% Na2O (soda), 11,6% CaO (wapno, węglan wapnia), 75,5% SiO2 (piasek szklarski).
- Szkło potasowo-wapniowe, gdzie Na2O zastąpiono K2
- Szkło sodowo-potasowo-wapniowe, zawiera zarówno tlenek sodu, jak i potasu.
- Szkło jenajskie 74,5% SiO2, 8,5% Al2O3, 4,6% B2O3, 7,7% Na2O, 3,9% BaO, 0,8% CaO, 0,1% MgO.
Szkło krzemianowe
To najpowszechniej stosowany gatunek szkła, który powstaje w wyniku stapiania piasku kwarcowego z sodą Na2CO3 i wapieniem CaCO3 w temperaturze ok. 1800 K. Dzięki zastosowaniu takich warunków możliwe jest wprowadzenie do masy tlenków krzemu, sodu i wapnia, czyli kolejno SiO2, Na2O i CaO. Podstawowym tlenkiem szkłotwórczym jest w jego składzie SiO2, a jego sieć przestrzenna to tzw. więźba krzemotlenowa, która zawiera podstawienia jonów pośrednich ze znajdującymi się w przestrzeniach jonami modyfikującymi. Pochodzą one z dodatkowo wprowadzonych tlenków, które mają na celu zmianę właściwości szkła.
Barwienie szkła
W celu zabarwienia szkła stosuje się dodatki tlenków metali przejściowych. Tlenki kobaltu skutkują zabarwieniem fioletowoniebieskim, tritlenek dichromu barwią szkło na zielono, a tlenki żelaza, w zależności od warunków w piecu, w atmosferze redukującej powodują zielone zabarwienie, a w utleniającej – brunatne. Barwienie szkła na kolor rubinowy odbywa się przez zastosowanie koloidalnie rozproszonego złota – masę szklaną topi się, a podczas rozkładu wydziela się złoto w rozdrobnieniu atomowym. Jest ono początkowo bezbarwne, jednak po powtórnym ogrzaniu do temperatury ok. 800-900 K i powolnym ochłodzeniu, staje się rubinowe. Podobny mechanizm stosuje się w celu uzyskania szkła o kolorze żółtym, jednak zamiast złota stosuje się koloidalne srebro.
Wzmacnianie szkła
Możliwe jest poprawienie jakości powierzchni szkła oraz takiej modyfikacji, aby nie występowały pęknięcia lub ich przemieszczenia. Są trzy główne typy procesów wzmacniania tego materiału:
- Hartowanie, w trakcie którego dochodzi do ogrzewania do wysokich temperatur, a następnie ochłodzenia w powietrzu lub oleju. Ponieważ powierzchnia ochładza się szybciej niż warstwa wewnętrzna, jej rozmiary nie mogą się dopasować. Wnętrze jest rozciągane przez powierzchnie, a powierzchnia ściskana przez wnętrze.
- Chemiczne hartowanie pozwala na osiągnięcie podobnych efektów jak podczas hartowania. Szkło umieszcza się w stopionej soli, która zawiera kationy potasu, na przykład w KNO3 podgrzewanej przez 12h w 500 o Dyfuzja powoduje wymianę jonów z Na+ na K+, gdyż rozpychają one zewnętrzną powierzchnię.
- Laminowanie szkła to metoda polegająca na umieszczeniu warstwy polimeru pomiędzy minimum dwie warstwy szkła. Jest to możliwe na dwa sposoby – szkła z polimerem można sprasować lub ciekły polimer można na takie warstwy wylać.
Surowce
Większość potrzebnych w procesie wytwórczym szkła substancji jest pochodzenia mineralnego. Są to między innymi: piasek, wapień, dolomit, anhydryt. Stosuje się jednak również substancje będące produktami przemysłu chemicznego, na przykład sodę. Obecnie na coraz większą skalę przykłada się wagę również do surowców wtórnych, czyli stłuczki szklanej. Dzielimy ją na dwie kategorie – stłuczkę szklaną, powstałą w procesie produkcyjnym, która po rozdrobnieniu nadaje się do ponownej obróbki, oraz stłuczkę obcą, czyli materiał pokonsumpcyjny, który w celu ponownego użycia musi zostać oczyszczony oraz uszlachetniony. Przeczytaj więcej o surowcach chemicznych do produkcji opakowań szklanych.
Recykling szkła
Kluczowym aspektem jest zrozumienie, że nie każde szkło nadaje się do recyklingu. Bardzo ważnym surowcem wtórnym jest stłuczka szklana, jednak takich materiałów jak pojemniki trwale połączone z innymi surowcami, ceramika, soczewki okularów, szkła żaroodporne, żarówki, strzykawki i tym podobne nie nadają się do ponownej obróbki. Recykling szkła jest procesem wieloetapowym, a pierwszym etapem jest właśnie odpowiednia segregacja odpadów. W punkcie odpowiedzialnym za recykling następuje ważenie oraz sprawdzanie odpadów do przydatności pod kątem powtórnego przetworzenia. Kolejnym etapem jest kruszenie oraz oczyszczanie z etykiet i drobnych zabrudzeń oddzielonych wcześniej materiałów. Po wstępnym oczyszczeniu następuje dzielenie odpadów na kolory i przewiezienie do huty szkła. To w takich zakładach odbywa się ich przetapianie w 1200oC na masę szklaną, z której formuje się nowe produkty. Ciekawe jest, iż przetwarzanie szkła, w przeciwieństwie do papieru czy tworzyw sztucznych, możliwe jest praktycznie bez końca. Właściwości szkła po przetapianiu nie zmieniają się.