STAKLO

STAKLO U PRAISTORIJI

• Ljudi su počeli da prave staklo još u praistoriji– koristeći ga kao bojenu glazuru na kamenim ili glinenim perlama. Najranije sačuvane staklene posude datiraju iz vremena oko 1500. godine p.n.e, a potiču iz Egipta iMesopotamije. One su oblikovane oko stena tokom hladjenja ili urezivane kada su stvrdnute.

SASTOJCI STAKLA

• Staklo se nejčešće pravi od topljene mešavine silicijum dioksida (kvarcnog peska), natrijum dioksida i kalcijum oksida. Olovni kristal je vrsta stakla u kojoj se kalcijum oksid zamenjuje olovnim oksidom. Većina vatrostalnih stakala može da se proizvede od čistog silicijum dioksida.

• Savremeno staklo sadrži do 75% silikata (pesak - glavni sastojak), ali takođe sadrži i druge supstance da bi se olakšala proizvodnja. Oko 90% od ukupne količine stakla je natrijumovo staklo koje sadrži sodu (natrijum karbonat), da bi se snizila tačka topljenja sa 1300 na 700 stepeni Celzijusa, kao i krečnjak koji sprečava da se staklo rastvara u vodi.

PROIZVODNJA STAKLA

• Vrste stakla koje se danas koriste većinom se proizvode zagrevanjem mešavine peska, pepela sode i krečnjaka u velikim pećima na temperaturi od 1500 stepeni Celzijusa. Pre nego što se dodaju sastojci, ubacuje se i lomljeno staklo, radi ubrzavanja procesa. Kako se mešavina topi, sve nečistoće izlaze na površinu, gde se sakupljaju. Istopljeno staklo se zatim hladi, sve dok ne postane tanka, lepljiva smesa. Ono se tada sipa u kalupe ili razvija u table. Staklo se formira brzim hlađenjem otopljenih čvrstih materija, pri čemu ne dolazi do stvaranja kristala.

DODATNE OBRADE STAKLA

Odgrevanje je sastavni deo postupka oblikovanja mnogih proizvoda od stakla. Primenjuje se radi eliminacije (otpuštanja) zaostalih napona u staklu, koji se javljaju zbog srazmerno brzog hlađenja proizvoda. Ukoliko se ne bi išlo na odgrevanje, u staklenom proizvodu bi spontano dolazilo do pojave prslina, odnosno do drastičnog pada njegovih mehaničkih karakteristika. Sam postupak odgrevanja obavlja se u posebnim pećima, koje su obično tunelskog tipa i sa kontinualnim radom. U tim pećima stakleni proizvodi se kreću na trakastom transporteru izrađenom od vatrostalnog materijala. Prolazeći kroz peć, proizvodi su izloženi posebnom režimu zagrevanja, koji je različit za razne vrste stakla i koji se uglavnom svodi na sledeće: zagrevanje do temperature koja nije viša od 600oC, zadržavanje određeno vreme na toj temperaturi, i ravnomerno hlađenje do sobne temperature na izlasku iz peći.

Kaljenje je postupak kojim se putem specijalne termičke obrade povećava čvrstoća stakla i njegova tvrdoća. Staklo se zagreva do određene temperature (zavisno od sastava), tzv. temperatura kaljenja, koja je blizu tačke razmekšavanja, a zatim se brzo hladi mlazom hladnog vazduha. Kao srednja temperatura kaljenja može se približno uzeti temperatura od 700oC. Dok je pri hlađenju u inicijalnoj preradi, staklo, usled unutrašnjih napona (pre odgrevanja), krto i lomljivo, kod kaljenja je nastajanje unutrašnjih napona kontrolisano i oni su ravnomerno raspoređeni po masi. Kaljeno staklo je u spoljnim slojevima napregnuto na pritisak, a u unutrašnjim na zatezanje, tako da ova naponska ravnoteža doprinosi povećanju njegove otpornosti. Kaljeno staklo može izdržati znatna naprezanja na savijanje, otporno je na udar i termičke šokove. Ukoliko dođe do loma, prska na sitne komadiće tupih ivica, koji ostaju međusobno labavo povezani.

Brušenje je postupak u okviru koga se, pomoću naročitih uređaja (brusilica), obrađuju ivice staklenih elemenata (izvode tzv. oborene ivice), izrađuju razni ornamenti i šare ukrasnog karaktera na staklenim površinama i sl.

Poliranje se primenjuje za otklanjanje optičke nehomogenosti stakla, koja je posledica prisustva talasa na površini stakla, nejednakosti debljine itd. U ovom postupku se primenjuju razna abrazivna sredstva (kvarcni pesak, korund, karborundum i dr.), kojima se tare površina stakla i otklanjaju uočeni nedostaci (primenjuje se prvo grubo, a zatim i fino poliranje).

Matiranje podrazumeva mehaničko ili hemijsko erodiranje površine stakla. U prvom slučaju najčešće se primenjuje postupak peskarenja (delovanje mlaza kvarcnog peska pod pritiskom), a u drugom slučaju nagrizanje površine fluorovodoničnom kiselinom. Na ovaj način se dobija mutno - neprovidno staklo.

Lepljenje je postupak koji se sastoji u spajanju staklenih ploča slojem određenog lepka - plastične materije - koja između dve ploče obrazuje providnu foliju. Pri lomu ovakva stakla se ne raspadaju, već komadi stakla ostaju povezani.

Pored navedenog, u dodatne obrade stakla mogu se ubrojati još i sledeći postupci:

- savijanje, koje se radi preko šamotnih kalupa, uz zagrevanje stakla do temperature od oko 600oC;

- prevlačenje površine stakla solima srebra, čime se dobijajuogledala;

- nanošenje preko površine stakla određenih prevlaka i filmova (može se, na primer, na staklo naneti određena keramička boja, nakon čega sledi faza sušenja boje u peći).

OBIČNE VRSTE RAVNOG GRAĐEVINSKOG STAKLA

Vučeno ravno staklo koristi se uglavnom za zastakljivanje vrata, prozora i sl. Proizvodi se u sledećim debljinama (h):- tanko staklo h = 1,6 mm,- prozorsko staklo h = 1,6 - 4,0 mm,- debelo staklo h = 5 - 6 mm,- staklo za izloge i ogledala h = 6 - 8 mm.

Dužine tabli ovog stakla zavise od debljine, a širine od mogućnosti mašina u kojima se ono proizvodi. Prema JUS-u, dužine ravnog vučenog stakla su: 160-180 cm za debljinu od 2 mm; 160-200 cm za debljinu od 3 mm; 160-240 cm za debljinu od 4 mm, 160-360 cm za veće debljine. Može se proizvoditi i u raznim bojama. Ovo staklo ima klase kvaliteta A, B i C - što se određuje na osnovu obima grešaka u materijalu koje su posledica proizvodnog procesa.

Polirano ravno staklo (proizvedeno kao vučeno staklo, plivajuće staklo ili liveno staklo) je staklo boljeg kvaliteta u poređenju sa vučenim ravnim staklom. Ono se može koristiti za zastakljivanje vitrina, izloga itd., ili kao poluproizvod koji se dorađuje. Doradom se od njega dobijaju ogledala, kaljeno staklo ili druge vrste stakala specijalnih svojstava. Debljine poliranog ravnog stakla su najčešće iste kao debljine običnog vučenog stakla, ali se danas, po porudžbini, ovo staklo može proizvoditi i u debljinama preko 10 mm.

Liveno staklo ima nekoliko varijeteta. Najčešće je to tzv. ornamentalno staklo, koje se dobija valjanjem izlivene staklene mase reljefnim valjcima. Na ovaj način dobijaju se različiti ornamenti, uključujući i podužne brazde na površini stakla. Radi se u debljinama 4-6 mm, sa standardnom širinom 120 cm i u dužinama 120-300 cm; može da bude bezbojno ili obojeno u masi. Koristi se za zastakljivanje svih elemenata kod kojih se postavlja zahtev za dovoljnom količinom svetlosti, ali i za zaštitu od pogleda (kod škola, obdaništa, bolnica, industrijskih hala i dr.).

Sirovo staklo je takođe staklo koje se dobija livenjem, ali bez utiskivanja šara i bez brušenja i poliranja; ono je samo prozračno, a provodnost mu je manja od običnog prozorskog stakla. Proizvodi se sa istim dimenzijama kao ornamentalno staklo, a najviše se koristi za zastakljivanje toplih leja i staklenika.

Armirano staklo (žičano staklo) se dobija livenjem staklene mase u dva sloja i utiskivanjem žičane mreže između njih. Debljina mu je 4-8 mm, standardna širina 120 cm, a dužina tabli 130 cm, 210 cm i 300 cm. Površine ovog stakla mogu da budu sa i bez utisnutih šara. Prozračno je kao i dve prethodno opisane vrste stakla, ali ne i providno (propustljivost svetlosti mu je 82-85%). Pripada grupi sigurnosnih stakala. Ono ima povećanu otpornost na požar, kao i određenu otpornost na namerna dejstva - provale. Koristi se kod vrata liftova, ograda stepeništa ili balkona, stepenišnih prozora, svetlarnika, krovova, pregradnih zidova i dr.

RAVNA STAKLA SPECIJALNIH KARAKTERISTIKA

Sigurnosna stakla su stakla kod kojih se u slučaju loma u prvi plan stavlja bezbednost ljudi. U ova stakla spadaju armirano staklo (o kome je već bilo reči), kaljeno staklo i lepljeno staklo.

Kaljeno staklo se dobija odgovarajućom termičkom obradom ravnog stakla. Gotov proizvod ima otpornost na udar 4-6 puta, a čvrstoću pri savijanju 5-8 puta veću nego obično ravno staklo. Njegova najbitnija karakteristika je u tome da se pri lomu raspada na sitne komadiće koje karakterišu tupe ivice. Najčešće se koristi kao staklo za automobile, dok se u građevinarstvu koriste kaljena stakla većih debljina - za vrata, pregrade, plafone i dr.

Lepljeno staklo je lamelirano staklo sastavljeno od dve ili više staklenih tabli međusobno povezanih umetnutim slojevima određenog providnog plastičnog materijala (folije polivinil butilena debljina 0,4 ili 0,75 mm). Broj slojeva varira od 2 do 16, a debljina ovako dobijenog stakla od 5 do 65 mm. Pri lomu na ovom staklu se javljaju naprsline, odnosno mreže naprslina, a ako dođe do njegove dezintegracije, komadići stakla će ostati vezani za sloj folije. Pri ovome, i vidljivost kroz staklo može da bude delimično sačuvana.

Stakla otporna na požar imaju različita fabrička imena i na razne načine se "odupiru" visokim temperaturama. Na primer, neke vrste ovakvih stakala sastoje se od dva kaljena stakla ili od dva kaljena stakla i jednog običnog stakla između njih. Ovi elementi se nalaze u posebnom metalnom ramu, a prazni prostori između tabli se ispunjavaju specijalnim bezbojnim (providnim) materijalom. U slučaju požara, ovaj materijal na temperaturama preko 120oC počinje da prelazi u penu. Pri tome staklo postaje neprovidno, a kako je stvorena pena i termoizolacioni materijal, ovakva stakla pružaju kompletnu zaštitu od požara (zadržavaju plamen, dim, otrovne gasove i radijaciju) u trajanju od 30 ili 90 minuta, zavisno od broja međuslojeva. Ovakva stakla obično imaju znatne debljine (i do 7,5 cm), a osim požarne zaštite, pružaju i odličnu zaštitu od zvuka - buke.

Termoizolaciona stakla su sastavljena od dva do tri sloja stakla, između kojih je šupljina ispunjena ili potpuno suvim vazduhom ili nekim gasom (argonom, na primer). Pošto suvi vazduh slabo provodi toplotu, vrednosti koeficijenta prolaza toplote k su kod ovakvih elemenata znatno niže. Tako element od dva sloja stakla debljine 3 mm sa 12 mm vazduha između ima k=2,8 W/m2 oC, što u poređenju sa jednostrukim staklom iste debljine (k=5,8 W/m2 oC) predstavlja smanjenje na polovinu, dok kod termoizolacionog stakla od tri sloja stakla i dva sloja vazduha (4 + 12 + 4 + 12 + 4 mm) je k = 2,1 W/m2 oC. Ovakva stakla poznata su pod različitim fabričkim nazivima.

Termoapsorbujuća stakla su stakla kod kojih se efekat apsorbcije sunčevog zračenja (sl. 2.10) postiže dodavanjem određenih sastojaka (metalnih oksida) u staklenu masu. Ovakvo staklo se često koristi i kao spoljni sloj termoizolacionih stakala. Međutim, zbog povećane apsorpcije toplote dolazi do većeg zagrevanja ovakvog stakla, pa i do njegove veće deformacije, o čemu se mora voditi računa.

Termoreflektujuća stakla se dobijaju izradom odgovarajućih prevlaka koje obezbeđuju selektivno propuštanje, odnosno reflektovanje sunčevog zračenja. Prevlake se postavljaju sa spoljne ili unutrašnje strane stakla, zavisno od primenjenog postupka njihovog nanošenja (pirolitičkim putem ili raspršavanjem u vakuumu).

Stakla za sprečavanje kondenza su stakla u okviru kojih su, u sloju plastične folije, ugrađena električna grejna tela. Na ovaj način, u uslovima niskih temperatura, sprečava se kondenzacija vodene pare na unutrašnjoj površini stakla.

OSNOVNA SVOJSTVA STAKLA

Svojstva stakla u opštem slučaju zavise od njegovog sastava i strukture, koja se po pravilu formira u zavisnosti od tehnoloških postupaka koji se primenjuju pri proizvodnji (temperatura rastopa, brzina hlađenja, dodatne obrade i dr.). U tabeli 2.2 prikazani su hemijski sastavi nekih vrsta stakla koji, između ostalog, omogućavaju izvođenje zaključaka o dva osnovna svojstva stakla - o providnosti i prozračnosti. Vidi se, dakle, da treba praviti razliku između navedenih pojmova, pošto prozračnost podrazumeva samo propuštanje dovoljne količine svetlosti, a ne i jasno sagledavanje slike predmeta sa druge strane stakla.

Tabela 2.2 . Hemijski sastavi nekih vrsta stakla (u masenim %)

Vrsta stakla SiO2 Al2O3 CaO MgO Na2O K2O PbO B2O3

Prozorsko staklo 70-73 1,5-2 8-10 3-4 14-15 - - -

Staklo za flaše 69-72 3-4 9-10 2-4 15-16 - - -

Kristal 55-77 - - - - 10-13 30-35 -

Hemijski otporno staklo 68-70 3-5 6-8 1-2 8-10 5-6 - 2-3

Staklo za disperziju svetlosti

69-73 4-6 4-5 - 11-16 2-6 - -

Stakleno vlakno 48-56 10-18 5-16 0-8 0,5-2 - - 6-13

Obično staklo propušta preko 90% svetlosti, a reflektuje 3,5-4% na obe površine, tako da je ukupna refleksija kod jednostrukog ravnog stakla 7 do 8%. O propuštanju svetlosti kod nekih drugih vrsta stakla, pak, bilo je već reči napred.

Specifična masa običnog tehničkog stakla je 2400-2600 kg/m3, a olovnog stakla do 6000 kg/m3. Poroznost stakla je, ako nije reč o šupljikavom staklu, praktično ravna nuli. Tvrdoća stakla iznosi 5-7 po Mosu (za obično građevinsko staklo je cca 6).

Staklo u principu različito podnosi naprezanja pri pritisku i zatezanju. Čvrstoća pri pritisku običnog građevinskog stakla, za slučaj delovanja kratkotrajnih opterećenja, kreće se od 200-500 MPa, dok kristalno staklo, ispitivano pod istim uslovima, ima čvrstoću pri pritisku i preko 1000 MPa.

Čvrstoća pri savijanju, pak, pri delovanju kratkotrajnih opterećenja, obično iznosi 30 do 40 MPa. Što se tiče čvrstoće pri "čistom" zatezanju, ona je približno jednaka desetini čvrstoće pri pritisku, pri čemu ta mehanička karakteristika bitno zavisi od debljine elementa koji se ispituje (videti podatke o čvrstoći pri zatezanju staklenih vlakana).

Pri delovanju dugotrajnih opterećenja zapaža se smanjivanje čvrstoće stakla za 15-20%.Staklo je izrazito krt materijal i njegov radni dijagram je praktično pravolinijski u celom području napona; modul elastičnosti stakla varira u granicama 50-100 GPa, dok je Poasonov koeficijent stakla 0,22.

Termički koeficijent linearnog širenja iznosi T 910-6 1/oC.

U praktičnim proračunima može se usvojiti da koeficijent toplotne provodljivosti stakla ima sledeće vrednosti:- prozorsko staklo = 0,81 W/m oC,- armirano staklo = 0,44 W/m oC.