Szkło krzemowe, zwane również kwarcowym lub krzemionkowym, to rodzaj najwyższej jakości szkła wykonanego prawie wyłącznie z czystej krzemionki. Ditlenek krzemu (SiO2) stanowi aż 99,9% masy surowca i determinuje walory użytkowe materiału.
Jak powstaje szkło krzemionkowe?
Surowcem wyjściowym do produkcji szkła krzemowego są wysokiej jakości kryształy górskie. Podstawowa metoda wyrobu polega na topieniu kwarcu w warunkach próżni lub atmosfery obojętnej w temperaturze ok. 2000°C. Proces przeprowadza się w piecu elektrycznym lub płomieniowym, a stopiony materiał jest następnie powoli schładzany.
Alternatywnie szkło krzemionkowe można również otrzymać za pomocą stapiania drobnoziarnistego piasku kwarcowego. Wskutek uwięzienia mikroskopijnych pęcherzyków powietrza produkt charakteryzuje się jednak efektem opalizacji.
Najwyższej jakości szkło kwarcowe oznaczane symbolem JGS-1 wytwarza się obecnie z syntetycznej krzemionki (SiCl4). Poddana działaniu płomienia tlenowo – wodorowego stapia się ona w surowiec o wyjątkowej czystości. Produkt jest wolny od pęcherzyków oraz inkluzji i gwarantuje optymalne parametry optyczne.
Fizyczne i chemiczne właściwości szkła krzemowego
Szkło krzemowe charakteryzuje się niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej. Oznacza to, że jest odporne na szok termiczny. Ogrzane do bardzo wysokich temperatur (nawet 1100°C) nie pęknie nawet pod wpływem nagłego ochłodzenia w wodzie.
Istotne atuty użytkowe szkła kwarcowego to również:
- doskonała przejrzystość;
- minimalne przewodnictwo ciepła i elektryczności;
- wysoka przepuszczalność promieniowania UV oraz IR;
- relatywnie wysoka wytrzymałość na ściskanie oraz rozciąganie.
Na uwagę zasługują też wyjątkowe właściwości chemiczne szkła krzemowego. Jest ono odporne na działanie wody oraz kwasów (z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego). Mankamentem materiału jest natomiast niska odporność na działanie alkaliów.
Czym szkło krzemowe różni się od innych rodzajów szkła?
W porównaniu z innymi typami szkła wykorzystywanymi w przemyśle (np. szkłem typu float lub szkłem technicznym) szkło kwarcowe odznacza się wyjątkową przejrzystością, trwałością i przepuszczalnością dla promieni ultrafioletowych oraz podczerwonych. Ta ostatnia właściwość wiąże się z niską absorpcją promieniowania elektromagnetycznego.
Chemiczna wytrzymałość i wysoka temperatura transformacji sprawiają, że szkło krzemowe sprawdza się w bardzo specyficznych zastosowaniach naukowych i industrialnych. Mimo stosunkowo wysokiej ceny jest więc surowcem praktycznie nie do zastąpienia w wielu gałęziach produkcji.
Szkło kwarcowe – najważniejsze zastosowania
Szkło krzemowe jest szeroko wykorzystywane w optyce, zwłaszcza fotometrii oraz spektroskopii. Produkuje się z niego sprzęt pomiarowy, naświetlarki, promienniki UV, soczewki optyczne, szkiełka mikroskopowe i wzierne, a także soczewki laserowe oraz pryzmaty lustra. Popularnym zastosowaniem komercyjnym są również solaria, w których poziom przepuszczalności promieniowania ultrafioletowego jest szczególnie istotny.
Ze względu na wysoką odporność fizyczną i chemiczną szkło krzemionkowe znajduje zastosowanie w wyrobie naczyń laboratoryjnych takich jak tygle, zlewki, parownice, wanienki do wyżarzania czy łódeczki do spalań. Jest również niezastąpione jako wysokiej jakości szkiełko zegarkowe oraz surowiec do wyrobu żaroodpornych płytek ceramicznych.
Ze szkła kwarcowego produkuje się także rdzenie światłowodów telekomunikacyjnych. O wysokiej przydatności w tym kontekście decydują parametry przeźroczystości oraz niskiej dyspersji.
Inne perspektywiczne pola zastosowań szkła krzemowego obejmują produkcję półprzewodników, przemysł oświetleniowy, elektronikę oraz fotografię. Po poddaniu metalizacji może być ono wykorzystane również do wyrobu precyzyjnych obwodów mikrofalowych.
Wybór optymalnego szkła krzemowego
Szkło kwarcowe klasyfikowane jest w zależności od stopnia czystości, który wpływa na końcowe cechy produktu. W optyce preferuje się wykorzystanie najwyższej jakości szkła JGS-1 powstałego z syntetycznej krzemionki. Klasy jakości JGS-2 i JGS-3 wiążą się z odpowiednio niższymi parametrami użytkowymi.
Dla każdego przemysłowego zastosowania wskazane jest więc wybranie szkła krzemowego, które łączy wymogi jakościowe z ekonomiczną racjonalnością. Uniwersalnie standardy kategoryzacji materiału ułatwiają podjęcie optymalnej decyzji.