|
Steklo: material, ki ga lahko večno recikliramo
Kaj je steklo?
V širšem pomenu je steklo produkt taljenja silicijevega dioksida z drugimi oksidnimi primesmi. Znanost pojmuje stekla kot trdne snovi, ki nastanejo pri hlajenju taline in se nahajajo v amorfnem (brez enotne strukture), nekristaliničnem stanju.
Načeloma je steklo torej podhlajena tekočina ali talina. Lahko je produkt organskih (npr. sladkor) ali anorganskih tekočin (npr. stopljen pesek), kot tudi večine tekočin pod pogojem, da je hitrost hlajenja dovolj velika, da njihova struktura "zamrzne" preden se pojavi kristalizacija. Če je hitrost hlajenja pri neki talini dovolj velika, praktično vsako staljeno snov lahko pripeljemo v "stekleno stanje". Zato pod stekla ne štejemo samo produkte iz kremena, temveč tudi substance kot so steklo iz akrila, celuloze in kovin.
V ožjem pomenu razumemo pod steklom samo strjeno talino nekaterih silikatov. Pri teh trdnih telesih ni moč govoriti o nobeni določeni kristalni strukturi, saj jih sestavljajo silikatni ioni zgrajeni iz tetraedrov Si04, ki se držijo skupaj s kovinskimi ioni in so popolnoma neenakomerno razporejeni.
Ločitev vezi Si-O-Si z vstavitvijo Na2O v mrežo stekla
Steklo je moč najti tudi v naravi, in sicer v obsidianu. To je trda, steklu podobna vulkanska kamnina, ki je nastala pri hlajenju lave.
Pri segrevanju se steklo zopet utekočini. Steklo je praviloma prozorno, lahko pa je tudi le deloma prozorno ali neprozorno, pa tudi barvno z dodatkom posebnih primesi.
Steklo ima veliko prednosti pred drugimi snovmi, predvsem zato, ker ga je mogoče stoodstotno predelati, zaradi njegove raznolike in enkratne uporabnosti, okolju prijazne pridelave in okolju prijaznih produktov iz stekla, izjemne kemijske odpornosti in raznolikih optičnih lastnosti.
Fizikalne in kemijske lastnosti
Pri amorfni (nekristalinični) snovi, kot je steklo, so (drugače kot pri kristaliničnih snoveh) molekule ali ioni neurejeni oz. urejeni le na zelo majhnih razdaljah ("podhlajena talina"), zato te snovi nimajo ostro omejenega tališča, ampak se zmehčajo v širših temperaturnih intervalih. Tako je tališče stekla med 500°C in 1650°C, odvisno od njegove sestave.
Natezna trdnost, ki ponavadi znaša med 280 in 560 kg na kvadratni centimeter, lahko pri posebno obdelanem steklu preseže 7000 kg/cm2. Relativna gostota zna�a od 2 do 8, tj. od vrednosti, ki je nižja od tiste pri aluminiju, do gostote jekla. Tudi pri optičnih in električnih lastnostih so vrednosti v velikem razponu.
S pihanjem, valjanjem, vlečenjem in ulivanjem je steklo moč obdelati v vse možne oblike. Steklo je posebej pomembno zato, ker je pri njegovi izdelavi moč v veliki meri vplivati na njegove lastnosti. Je higienično, ker ne prevzema nobenega okusa. Steklo prav tako nima vonja, njegovo gladko površino pa je lahko očistiti. Ker površina nima por, steklo ne prepušča plinov.
Ob majhnih obremenitvah reagira elastično, pri velikih pa je drobljiv. Steklo je izolator in slabo prevaja toploto. Steklo je odporno proti skoraj vsem kemičnim vplivom, relativno hitro ga najedajo le flourovodikova kislina in taline hidroksidov alkalijskih kovin. Za jedkanje stekla uporabljajo flourovodikovo kislino in nekatere druge flourove kisline. Alkalne raztopine steklo le najedajo, tako da npr. alkalna pralna sredstva v pomivalnih strojih praske na kozarcih le povečajo.
Talina stekla ima drugačne lastnosti, saj do neke mere prevaja elektriko, ker se pri raztapljanju ioni sprostijo.
Pridobivanje in predelava
Kemijsko pridobivanje
Glavna sestavina stekla je kremen, tj. silicijev dioksid (SiO2). Najdemo ga predvsem v pesku, kjer pa je pomešan z različnimi nečistočami. Zelo čistega najdemo v kameni streli. Pesek deluje kot osnova stekla, tako da ustvari stekleno mrežo, na primer s pomočjo barvnih oksidov. Ker pa ti steklo obarvajo (npr.železov (III) oksid steklo rjavo obarva), sme pesek vsebovati le 0,01 - 0.03 % železovega oksida. Kremen je glavna sestavina skoraj vseh stekel in od njega so odvisne tudi osnovne lastnosti in struktura stekla.
Silicijev dioksid je zelo trdna snov, kar je rezultat njegove zgradbe. Silicijevi atomi in atomi kisika, ki so v obliki tetraedra razporejeni okrog njih, tvorijo kristalno mrežo, pri čemer so atomi kisika znova povezani z atomi silicija. Nastane kristalna mreža, v kateri so vsi atomi med seboj povezani preko atomskih vezi. Kristalna mreža silicijevega dioksida je tako zelo podobna kristalni mreži diamanta.
Kremenov kristal:
Kremen ima zelo visoko tališče, 1700 °C. Vzrok temu so močne Si-O vezi, ki se morajo pri taljenju prekiniti. Pri hlajenju je talina gosto tekoča in se na koncu strdi, ne da bi kristalizirala. Nastane kremenovo steklo. Podobno kot pri kremenu so silicijevi atomi tudi v kremenovem steklu obdani s štirimi kisikovimi atomi v obliki tetraedra. Ti tetraedri pa niso razporejeni tako kot v kremenu, temveč so ostali v neredu, ki je bil navzoč v tekočini.
Talina kremena:
Kremenovo steklo je sorazmerno drago in zelo kvalitetno, saj ima zelo majhno toplotno razteznost, kar pomeni, da je zelo majhna nevarnost, da se steklo pri ekstremni menjavi temperature razleti. Poleg tega, da je kremenovo steklo obstojno proti toploti, je tudi odporno proti koroziji in prepustno za ultravijolične žarke.
Da bi bila izdelava stekla cenejša, pesku primešajo še nekatere druge snovi, večinoma sodo (Na2CO3). Ta snov kremenu zniža visoko tališče. V preteklosti so jo pridobivali iz egiptovskih jezer, ki so vsebovala sodo, ali pa tako, da so sežigali rastline, ki so vsebovala sodo, in nato luščili pepel. Danes sodo izdelujejo po Solvayevem postopku tako, da v raztopino kuhinjske soli uvajajo amoniak in CO2, pri čemer se obarja natrijev hidrogenkarbonat ("soda bikarbona"), ki ga s segrevanjem prevedejo v karbonat, sodo.
Pesku in sodi dodajo še zmleti apnenec (CaCO3), ki steklu poveča trdnost in kemijsko odpornost proti številnim kemijskim snovem. Pri segrevanju snovi izhaja ogljikov dioksid in nastajajo silikati, ki imajo podobno kot silicijev dioksid deloma mrežasto zgradbo.
SiO2 + Na2CO3 -> CO2 + Na2SiO3
SiO2 + CaCO3 -> CO2 + CaSiO3
Kot silikate označujemo različne oksokislin silicja. Te imajo deloma zelo zapleteno zgradbo. Najenostavnejša silicijeva kislina je ortosilicijeva kislina H4SiO4.
Tudi silikati preidejo pri hlajenju v stekleno stanje. Nastalo steklo je mešanica natrijevega in kalcijevega silikata, imenovano natrijevo-kalcijevo steklo ali "običajno steklo". Ta vrsta stekla se uporablja najpogosteje, čeprav je manj kvalitetno kot čisto kremenovo steklo in se pri velikih temperaturnih spremembah razleti. Vzrok za to leži v strukturi nastalega stekla. V natrijevem-kalcijevem steklu niso sklenjene vse silicijeve vezi Si-O. Tu natrijevi ioni nevtralizirajo negativne naboje nevezanih kisikovih atomov na robovih tetraedrov SiO44-.
Glede na uporabo stekla pri izdelavi dodajajo tudi druge surovine, kot na primer različne okside, ki steklo obarvajo. Kobaltov oksid steklo obarva modro, aurati ga obarvajo rdeče (rubinasto), svinčev oksid pa povzroči večji lom svetlobe, zato ga uporabljamo za kristalno steklo. Tudi druga barvila se lahko v mikroskopsko majhni obliki porazdelijo v snovi. Steklo kalijo npr. s kalcijevim fosfatom, cinkovim dioksidom in kriolitom. Pogosta je tudi kasnejša obdelava z brušenjem ali jedkanjem s flourovodikom. Za pridobivanje čiste brezbarvne snovi dodajajo manganov dioksid, saj ta odstrani zeleno in rjavo obarvanje, ki ga povzročijo sledi železa.
Tehnično pridobivanje in predelava stekla
Drobno zmletim surovinam dodajo 20 do 50 % odpadnega stekla. To zmes nato z generatorskim plinom v kadnih pečeh stalijo. Kadne peči so do 40 metrov dolge in do 6 metrov široke, temperatura v njih pa se giblje od 1000 do 1600 °C. V 24 urah dobijo med 100 in 400 tonami taline. Postopek taljenja je še posebno pomemben za kasnejšo čistost stekla.
Po sintranju, tj. stiskanju in segrevanju, pri čemer nastajajo plini, iz zmesi nastane nehomogena talina polna mehurčkov in gostin, ki pa v procesu prečiščevanja izginejo. Prečiščevalna sredstva namreč povzročijo nastanek velikih mehurčkov, v katere se izločijo mali. Ti hkrati povzročijo, da se talina premeša, tako da gostine izginejo in talina postane homogena. Na koncu talino ohladijo na približno 1100 °C, pri čemer se trdnost se poveča do te stopnje, da je možna nadaljnja predelava. Danes steklo skoraj izključno predelujejo strojno, le nekatera posebna in okrasna stekla so izdelana ročno. Postopki za nadaljnjo predelavo taline so različni, od vlivanja, valjanja, vlečenja do pihanja in stiskanja.
* Kontinuirni postopek za pridobivanje stekla
Kontinuirni postopek za pridobivanje stekla so leta 1959 razvili v tovarni Pilkington v Veliki Britaniji. Danes ga uporabljajo po vsem svetu za proizvodnjo ploskega stekla. Po tem postopku izdelujejo na primer okensko steklo. Potrebne sestavine zmešajo v zbiralnem lijaku in talijo v peči, kurjeni z nafto. Raztaljena steklena masa izteka v lebdečo kopel, ki je dolga do 60 metrov in široka 8 metrov, iz raztaljenega kositra z nevtralno atmosfero. Steklo se razlije po površini te raztaljene kovine in dobi obliko enakomerno debele plošče. Pri prehodu skozi kopel se steklo postopno ohlaja, saj temperatura pade od 1000 °C na 600 °C. Medtem ko kositer ostane v tekočem stanju, saj se strdi šele pri 232 °C, se steklo počasi strjuje. Pri izstopu ima steklo �e dovolj trdno površino, da ga valji, ki potiskajo stekleni trak v kalilno peč, ne morejo več poškodovati. Po dokončnem ohlajanju v kalilni peči stekleni trak razrežejo in zložijo na računalniško vodeni progi za razrez.
Shema pridelave stekla po kontinuirnem postopku
Po tem postopku pridelajo dnevno 800 ton ploskega stekla, in sicer 5000 m2/h. V enem mesecu tako proizvedejo 3,6 milijonov kvadratnih metrov ploskega stekla.
* Postopek po Pittsburgu
Pri tem postopku steklo preko ohlajenega valja povlečejo iz taline. Tega postopka danes skoraj ne uporabljajo več, ker dobljeno steklo ni dovolj gladko.
* Votla steklena telesa:
Steklenice in steklene posode proizvajajo s pihanjem, serijske izdelke (steklenice, svetila, stekleno embalažo itd.) na avtomatskih strojih, posebne oblike pa s steklopihaško cevjo. Med orodja za obdelavo stekla sodijo cevka za pihanje, palica, klešče, škarje in valjska plošča.
Navadno gospodinjsko posodo, steklene zidake ipd. izdelujejo tako, da vtisnejo ali vpihajo talino v jeklene modele. Pri strojnem pihanju stekla najprej kapljo taline napihnejo v modelu, nato pa ga robot prenese v drug model, kjer ga ponovno segrejejo in s pihanjem izdelek dokončno oblikujejo. Stroji dnevno izdelajo do 60 000 steklenic.
pripravil:
Jaka Kobentar
Preberite še:
|
