Γυαλί – Ιδιότητες


Το γυαλί είναι ένα ανόργανο υλικό, το οποίο ανήκει στην κατηγορίας των άμορφων στερεών.  Είναι σκληρό, εύθραυστο, συνήθως διαφανές ή ημιδιαφανές, ομογενές και ισότροπο.  Το γυαλί σχηματίζεται κατά την πήξη του τήγματος ορισμένων ουσιών, οι οποίες έχουν την ιδιότητα, όταν ψύχονται με γρήγορο ρυθμό, να μην κρυσταλλώνονται αλλά τα άτομά τους να εξακολουθούν να είναι άτακτα ταξινομημένα, όπως ακριβώς ήταν κι όταν το υλικό βρισκόταν σε υγρή κατάσταση.  Το γυαλί επομένως θεωρείται ότι είναι ένα υγρό εξαιρετικά μεγάλου ιξώδους, έτσι ώστε στις συνήθεις συνθήκες να εμφανίζει την όψη στερεού σώματος.

Κύριο συστατικό του γυαλιού αποτελεί το διοξείδιο του πυριτίου (SiO2), το οποίο συνήθως συνδυάζεται με οξείδιο του ασβεστίου (CaO) και με οξείδιο του νατρίου (Na2O) σε διάφορες αναλογίες.  Στην παραπάνω σύσταση αντιστοιχεί το κοινό γυαλί, με το οποίο κατασκευάζονται υαλοπίνακες (τζάμια), λαμπτήρες, μπουκάλια και οικιακά σκεύη (γυαλικά) κοινής χρήσης.  Το γυαλί θα μπορούσε να παρασκευαστεί και μόνο από SiO2, το οποίο όμως μαλακώνει σε αρκετά υψηλότερες θερμοκρασίες από το συνηθισμένο γυαλί, με αποτέλεσμα να είναι δύσκολο στην επεξεργασία του.  Εντούτοις, το SiO2 αποτελεί από χημική άποψη το συστατικό εκείνο του γυαλιού στο οποίο οφείλεται η ιδιάζουσα δομή του, που το κάνει να μετατρέπεται από κανονικό υγρό σε υψηλές θερμοκρασίες σε άμορφο σώμα με στερεά όψη μετά την ψύξη του.

cropped-380359_2635686290952_1219304280_3042929_1035281250_n1.jpgΗ δομή του SiO2 χαρακτηρίζεται από τετραεδρική συμμετρία.  Κάθε άτομο πυριτίου είναι ενωμένο με κάθε μία από τις τέσσερεις μονάδες συγγένειάς του με ένα άτομο οξυγόνου.  Οι γωνίες που σχηματίζουν ανά δύο τα άτομα του οξυγόνου με το άτομο του Si με το οποίο είναι ενωμένα είναι όλες ίσες προς 108ο έτσι, τα άτομα του οξυγόνου καταλαμβάνουν τις κορυφές κανονικού τετραέδρου, στο κέντρο του οποίου είναι τοποθετημένο το άτομο του πυριτίου.  Επομένως, κάθε άτομο οξυγόνου συμμετέχει σε δύο τέτοια τετράεδρα, του τύπου (SiO4), έτσι ώστε η χημική ένωση να περιγράφεται από τον συνολικό χημικό τύπο: SiO2 όμως, οι χημικοί δεσμοί που συνδέουν το κάθε άτομο οξυγόνου με τα δύο άτομα πυριτίου δεν αποκλείουν τη δυνατότητα ελεύθερων περιστροφών.  Έτσι, υπάρχει πρακτικά άπειρος αριθμός δυνατοτήτων για τις σχετικές θέσεις των διαφόρων τετραέδρων που συνθέτουν και την παραμικρή ποσότητα SiO2.

Κρύσταλλα και καθρέφτες

Κρύσταλλα και καθρέφτες

Οι δεσμοί πυριτίου-οξυγόνου είναι εξαιρετικά ισχυροί και απαιτείται σημαντική προσφορά θερμότητας για να αποκτήσει ρευστότητα το υλικό, αφού αυτή οφείλεται ακριβώς στις συνεχείς διασπάσεις και επανασυνδέσεις των δεσμών.  Παρ’ όλο που κατά την ψύξη του ρευστού SiO2 θα έπρεπε κανονικά να σχηματίζεται κρυσταλλικό στερεό, αν η σχετική διαδικασία πραγματοποιηθεί με πολύ γρήγορο ρυθμό, το σημείο μετασχηματισμού της υγρής (άτακτης) στην κρυσταλλική (τακτική) κατάσταση ξεπερνιέται πολύ γρήγορα, με αποτέλεσμα οι δομικές μονάδες να μην προλάβουν να τακτοποιηθούν σύμφωνα με τη γεωμετρία που επιβάλλει η κρυσταλλική κατάσταση.  Έτσι, οι συνεχείς τυχαίες μεταβολές, που πραγματοποιούνται στη μάζα του ρευστού, διακόπτονται απότομα και η δομή του υλικού «παγώνει», διατηρώντας την άτακτη μορφή, την οποία είχε την τελευταία χρονική στιγμή που υφίστατο ως υγρό.  Αυτή η ακινητοποίηση («πάγωμα») ευθύνεται για την ακαμψία που αποκτά το υλικό.

Σκέπαστρα με κρύσταλλα ασφαλείας σε ολα τα χρώματαΗ άτακτη δομή (όμοια μ’ αυτήν των υγρών) του άμορφου SiO2 έχει ως αποτέλεσμα να είναι το υλικό λιγότερο συμπαγές, σε σύγκριση με την κρυσταλλική του μορφή.  Έτσι, το πλέγμα του είναι γεμάτο από κοιλότητες και κενά, γεγονός αποφασιστικής σημασίας για την τεχνική της υαλουργίας.  Επομένως, αν κάποιο μεταλλοξείδιο ενσωματωθεί στη μάζα του SiO2, πολλά από αυτά τα κενά καταλαμβάνονται από μεταλλοκατιόντα, καθένα από τα οποία δεσμεύει τη μία από τις δύο μονάδες συγγένειας ενός ατόμου οξυγόνου έτσι, με τον τρόπο αυτόν περιορίζεται η δυνατότητα ανάπτυξης τρισδιάστατης δομής.  Το γεγονός αυτό, καθώς και το ότι οι δεσμοί μετάλλου –οξυγόνου είναι μη κατευθυνόμενοι, έχουν ως αποτέλεσμα να εμφανίζει το γυαλί, σε σύγκριση με το SiO2, μικρότερο ιξώδες σε δεδομένη θερμοκρασία.  Το κοινό γυαλί περιέχει περίπου 15% Na2O, για να είναι ευκατέργαστο σε μέτριες θερμοκρασίες εξάλλου, η άσβεστος (CaO) είναι απαραίτητη για την ελαχιστοποίηση της διαλυτότητας του υλικού στο νερό.

ABS 91

Το άρθρο αυτό έχει την ακόλουθη διάρθρωση:

ΟΙ ΓΕΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΓΥΑΛΙΟΥ

Χημικές ιδιότητες

Φυσικές ιδιότητες

Θερμικές ιδιότητες

Ηλεκτρικές ιδιότητες

Οπτικές ιδιότητες

Παραγωγική Διαδικασία

 

 

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΙΔΙΚΩΝ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΓΥΑΛΙΟΥ

ΟΙ ΓΕΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΓΥΑΛΙΟΥ

 ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

 Παρ’ όλο που το καθαρό SiO2 είναι αδιάλυτο στο νερό, χαρακτηρίζεται από μειωμένη αντοχή στην επίδραση αλκαλικών διαλυμάτων.  Έτσι, το κοινό γυαλί περιέχει στην ίδια του τη σύνθεση ένα συστατικό, που μπορεί να οδηγήσει στη βαθμιαία καταστροφή του.  Πράγματι, κατά τη μακροχρόνια χρήση του γυαλιού, η υγρασία της ατμόσφαιρας συντελεί στην απόσπαση ιόντων νατρίου (Na+) από την επιφάνεια του, τα οποία σχηματίζουν υδροξείδιο του νατρίου (NaOH), που ως ισχυρή βάση προσβάλλει το SiO2 του γυαλιού. Η διάβρωση αυτή δεν συνεπάγεται αξιόλογη ρύπανση, για τις περισσότερες ουσίες που μπορεί να φυλάσσονται μέσα σ’ ένα γυάλινο σκεύος όμως, οι αδιόρατες ρωγμές που προκαλούνται μειώνουν σημαντικά τη μηχανική αντοχή του.  Επίσης, αλλοιώσεις στην επιφάνεια του γυαλιού μπορεί να προκαλέσει και το διοξείδιο του άνθρακα, με την επίδραση της υγρασίας.

Επένδυση έγχρωμων γυαλίων ασφαλείας σε κολώνεςΤο κοινό γυαλί, παρ’ όλες τις φθορές που, όπως αναφέρθηκε πιο πάνω, είναι δυνατόν να υποστεί, μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποδοτικά για μεγάλο χρονικό διάστημα.  Επίσης, επειδή οι διαθέσιμές πρώτες ύλες για την παραγωγή των διαφόρων προϊόντων γυαλιού είναι πολυάριθμες, είναι δυνατή η δημιουργία ειδικών ποικιλιών γυαλιού, ανθεκτικών στις προσβολές από διάφορες ουσίες τόσο στη συνήθη όσο και σε υψηλότερες θερμοκρασίες.  Το οξείδιο του βορίου (Β2Ο3) ή το οξείδιο του αργιλίου (Al2O3) μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με το SiO2 για την παραγωγή γυαλιού ιδιαίτερα ανθεκτικού στις επιδράσεις των θερμών αλκαλικών διαλυμάτων.  Επίσης, το γυαλί υψηλής περιεκτικότητας σε οξείδια του αργιλίου και των αλκαλικών γαιών παρουσιάζει υψηλή αντοχή στην επίδραση θερμών ατμών νατρίου, που καταστρέφουν το κοινό γυαλί.

Σε ορισμένες ειδικές εφαρμογές δεν είναι δυνατό να συνδυαστούν όλα τα επιθυμητά χαρακτηριστικά στο ίδιο γυαλί.  Σ’ αυτές τις περιπτώσεις εφαρμόζεται συνήθως η λύση της κατεργασίας της επιφάνειας του γυαλιού με κατάλληλα χημικά αντιδραστήρια, έτσι ώστε να αποκτήσει αυτή χημικές ιδιότητες που δεν απαντούν στο εσωτερικό του υλικού.  Αν κάτι τέτοιο δεν είναι πρακτικά εφικτό, πραγματοποιείται επικάλυψη της επιφάνειας του γυαλιού από γυαλί άλλης σύστασης το τελικό αποτέλεσμα σ’ αυτές τις περιπτώσεις θα είναι ένα γυαλί δύο στρωμάτων.

ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

Εσωτερικό χωρισμα με ανοιγόμενη πόρτα.Παρ’ όλο που η καθημερινή εμπειρία μας κάνει να πιστεύουμε ότι το γυαλί είναι ένα εξαιρετικά άκαμπτο υλικό, στην πραγματικότητα η συμπεριφορά του στη συνήθη θερμοκρασία είναι χαρακτηριστική ελαστικού στερεού σώματος.  Μπορεί να υποστεί λογισμό ή να παραμορφωθεί κατά οποιονδήποτε τρόπο, υπό την προϋπόθεση όμως ότι δεν θα ξεπεραστεί το όριο θραύσης του μετά την άρση της μηχανικής τάσης, το γυαλί επανακτά το σχήμα που είχε αρχικά, πριν από την επιβολή της.  Πράγματι, πολλές από τις σύγχρονες εφαρμογές του γυαλιού θα ήταν ανέφικτες αν το υλικό αυτό δεν διέθετε κάποιον –περιορισμένο έστω-βαθμό ευκαμψίας.

Πτυσσόμενες πόρτες ασφαλείας χωρίς οδηγό δαπέδουΕπίσης, αν και η καθημερινή εμπειρία δημιουργεί την εντύπωση ότι το γυαλί είναι εύθραυστο υλικό με μειωμένη αντοχή, στην πραγματικότητα είναι αρκετά ανθεκτικό, ιδίως στην επιβολή θλιπτικών δυνάμεων.  Το σπάσιμο του γυαλιού, όταν συμβαίνει, οφείλεται σε κρούση και ξεκινάει ως αδυναμία του υλικού να αντέξει σε εφελκυσμό.

Όταν το γυαλί είναι απαλλαγμένο από επιφανειακά ελαττώματα, χαρακτηρίζεται από υψηλή αντοχή στην επιβολή μηχανικών τάσεων.  Επικρατεί η αντίληψη ότι η κατάρρευση του γυαλιού λόγω κόπωσης επιτείνεται από τυχόν χημικές προσβολές.  Από την στιγμή που υφίσταται μέσα στο υλικό κάποια μικρορωγμή είναι πλέον εύκολη η διάχυση των ιόντων του πυριτίου στην προσβαλλόμενη βάση της ρωγμής.  Παρόλο που το βάθεμα της ρωγμής προχωρεί με τον τρόπο αυτό αρχικά πολύ αργά, τυχόν επιβολή μηχανικής τάσης κάποια χρονική στιγμή είναι ενδεχόμενο να οδηγήσει σε γρήγορη εξέλιξη του φαινομένου, στη μάζα του υλικού με ταχύτητα που πραγματικά ξεπερνάει και αυτήν του ήχου.

Γυάλινα πόμολα κολλημένα με τεχνολογία λαμπας UVΗ προσεκτική απομάκρυνση των μηχανικών τάσεων που έχουν με τον καιρό συσσωρευτεί στη μάζα του γυαλιού είναι γνωστή ως ανόπτηση και αποτελεί μια ιδιαίτερη σημαντική διεργασία της υαλοτεχνίας.  Συχνά η συγκέντρωση ισχυρών μηχανικών τάσεων στη μάζα του γυαλιού λόγω της χρήσης του οδηγεί αναπόφευκτα στη θραύση του αν δεν έχει προηγηθεί προσεκτική ανόπτηση κατά την παρασκευή του.

 

 

ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

Ψηφιακή ΕκτύπωσηΤο γυαλί διαστέλλεται όταν θερμαίνεται και συστέλλεται όταν ψύχεται.  Αν και το γυαλί δεν είναι πολύ καλός αγωγός της θερμότητας, η επιφάνεια μιας γυάλινης πλάκας είναι δυνατό να αποβάλλει θερμότητα με πολύ γρήγορο ρυθμό, π.χ. με ακτινοβολία προς το περιβάλλον ή με επαφή με κάποιο άλλο υλικό, καλό αγωγό της θερμότητας και έτσι το εσωτερικό της πλάκας να χάνει θερμότητα με έναν αργό μηχανισμός.  Επομένως, τυχόν απότομες μεταβολές της θερμοκρασίας στο εξωτερικό περιβάλλον ενός γυάλινου αντικειμένου, συνεπάγονται σημαντικές θερμοκρασίες διαφορές ανάμεσα στο εσωτερικό του και στην επιφάνειά του φαινόμενο γνωστό και ως θερμικό σοκ, οι οποίες δημιουργούν ισχυρές μηχανικές τάσεις που συχνά καταλήγουν στη θραύση του αντικειμένου.  Όταν π.χ. ένα γυάλινο σκέπαστρο ψύχεται απότομα, το διεσταλμένο εσωτερικό του υποβάλλει την εξωτερική επιφάνεια του σκεύους σε σημαντικές μηχανικές καταπονήσεις.  Η προσεκτική ανόπτηση του κοινού γυαλιού περιορίζει την πιθανότητα να παγώσουν οι μηχανικές τάσεις στο εσωτερικό του που θα επιδείνωναν τη συνολική καταπόνηση του υλικού μετά από κάποιο ήπιο θερμικό σοκ.  Ορισμένοι τύποι γυαλιού συστέλλονται και διαστέλλονται σε μεγάλο βαθμό με τις θερμοκρασιακές μεταβολές.  Τα αντικείμενα που κατασκευάζονται από τέτοια γυαλιά, ακόμη και αν έχουν υποβληθεί σε ιδιαίτερα προσεκτική διαδικασία ανόπτησης είναι ενδεχόμενο να σπάσουν σε περίπτωση θερμικού σοκ, λόγω των μηχανικών τάσεων που δρουν σε μικροελαττώματα της επιφάνειας του υλικού.  Το κοινό γυαλί που χαρακτηρίζεται από υψηλό συντελεστή θερμικής διαστολής είναι ακατάλληλο να χρησιμοποιηθεί σε περιπτώσει που είναι ενδεχόμενο να υπάρξει κάποια απότομη αλλαγή της θερμοκρασίας.  Το βιοπυριτικό γυαλί του τύπου pyrex είναι ανώτερο σε μηχανικές καταπονήσεις.  Το γυαλί του τύπου vycor περιεκτικότητας 96% CiO2 και το γυαλί από καθαρό SiO2 είναι πρακτικά απρόσβλητα από θερμικό σοκ.  Η συμπεριφορά του γυαλιού στις θερμοκρασιακές μεταβολές είναι ιδιαίτερα σημαντική στην οπτική κυρίως στις περιπτώσεις εκείνες που η οποιαδήποτε μεταβολή στις διαστάσεις ενός γυάλινου εξαρτήματος διαμέσου του οποίου διέρχεται μονοχρωματική φωτεινή ακτινοβολία είναι δυνατό να επηρεάσει σοβαρά του οπτικού οργάνου.  Σε αυτές τις κρίσιμες εφαρμογές χρησιμοποιούνται σήμερα σε ολοένα και μεγαλύτερη έκταση γυαλιά των τύπων pyrex ή vycor.

ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

 Γυαλία γραφειού σε όλα τα χρώματαΑν και οι περισσότεροι τύποι γυαλιού περιέχουν μεταλλοκατιόντα, ικανά να άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα, το μεγάλο ιξώδες του υλικού παρεμποδίζει τις κινήσεις τους, μη επιτρέποντας, έτσι, την εμφάνιση ηλεκτρικής αγωγιμότητας.  Επομένως, το γυαλί είναι ένα αρκετά αποτελεσματικό μονωτικό υλικό, αν και η ιδιότητα αυτή είναι συνάρτηση του ιξώδους, το οποίο με τη σειρά του είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας.  Έχουν όμως αναπτυχθεί ειδικοί τύποι γυαλιού, που διατηρούν τις μονωτικές τους ιδιότητες ακόμη και σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες.  Η ηλεκτρική αγωγιμότητα μικρών γυάλινων εξαρτημάτων μπορεί να περιοριστεί με εφαρμογή παρατεταμένης διαδικασίας ανόπτησης, η οποία εξασφαλίζει μεγαλύτερη συνεκτικότητα στο γυαλί και περιορίζει δραστικά τις κινήσεις των ιόντων.

ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

Γυάλινο διαχωριστικό Αντίθετα με αυτό που συμβαίνει σε πολλά στερεά σώματα, τα ηλεκτρόνια στα άτομα του γυαλιού είναι περιορισμένα σε καθορισμένες ενεργειακές στάθμες, κι έτσι δεν έχουν τη δυνατότητα να απορροφήσουν και να επανεκπέμψουν φωτεινή ακτινοβολία με τη μορφή φωτονίων, μεταπηδώντας από μια ενεργειακή στάθμη σε άλλη υψηλότερης ενέργειας και επιστρέφοντας στην αρχική τους θέση.  Το φως, επομένως, οδεύει μέσα στη μάζα του γυαλιού χωρίς να ανακλάται, με αποτέλεσμα το υλικό να είναι διαφανές.  Επίσης, οι αποστάσεις των ατόμων στο γυαλί είναι τόσο μικρές, σε σύγκριση με τα μήκη κύματος των συνήθων φωτεινών κυμάτων, ώστε η αντίστοιχη απορρόφηση να είναι αμελητέα.  Τα φωτεινά κύματα με συχνότητες που ανήκουν στην περιοχή του υπερύθρου ή του υπεριώδους είναι δυνατό να προκαλέσουν τη δόνηση των ατόμων του γυαλιού, με αποτέλεσμα να το καθιστούν αδιαφανές στο φως αυτών των συχνοτήτων.  Επίσης, αν το γυαλί περιέχει στη σύστασή του ορισμένα μεταλλοξείδια, τα οποία απορροφούν φωτεινές ακτινοβολίες ορισμένων μηκών κύματος, αυτά δίνουν την εντύπωση στο μάτι ότι είναι χρωματισμένα.

Γυάλινη φυσαρμόνικα εσωτερικού χώρουΕξαιτίας της άμορφης δομής του, το γυαλί χαρακτηρίζεται από διαφάνεια, που μοιάζει περισσότερο με αυτών των κοινών υγρών παρά με εκείνη των διαφανών κρυσταλλικών στερεών.  Το φως δεν υφίσταται πόλωση κατά τη διέλευσή του μέσα από τη μάζα του γυαλιού, ούτε ανακλάται σε μεγάλη έκταση, όπως συμβαίνει σε υλικά σαν τη μαρμαρυγία.  Αυτή η οπτική ουδετερότητα του γυαλιού είναι δυνατό να αρθεί τοπικά ως αποτέλεσμα ύπαρξης εσωτερικών μηχανικών τάσεων.

Οι φωτεινές ακτίνες, όταν περνούν από ένα διαφανές μέσον σε ένα άλλο διαφορετικής πυκνότητας, αλλάζουν πορεία (διαθλώνται), εκτός εάν η διαχωριστική επιφάνεια ανάμεσα στα δύο σώματα είναι κάθετη προς τη διεύθυνση διάδοση των ακτίνων.  Η έκταση της διάθλασης του φωτός κατά τη διέλευσή του μέσα από ένα υλικό, όπως είναι το γυαλί, εξαρτάται από τη γωνία πρόσπτωσης του φωτός στην επιφάνεια του γυαλιού και από τις σχετικές πυκνότητες του γυαλιού και του άλλου μέσου, που είναι συνήθως αέρας.  Η διάθλαση του φωτός μπορεί να εκφραστεί με τη βοήθειά μιας φυσικής σταθεράς, του δείκτη διάθλασης, ο οποίος προκύπτει μαθηματικά από τον λόγο των ημιτόνων των γωνιών πρόσπτωσης και διάθλασης αυτός έχει διαφορετικές τιμές για διαφορετικά μήκη κύματος φωτεινής ακτινοβολίας και για διαφορετικούς τύπους γυαλιού.

Υαλοπέτασμα σε φωταγωγό με διπλά κρύσταλλα ασφαλείας ενεργειακάΚατά την έξοδο της από το γυαλί στον αέρα μια φωτεινή ακτίνα θα διαθλαστεί κατά όμοιο τρόπο, αλλά κατά την αντίθετη έννοια.  Δηλαδή, αν οι δύο επιφάνειες μιας γυάλινης πλάκας είναι επίπεδες και παράλληλες μεταξύ τους, η τελική (μετά την έξοδο από το γυαλί) διαδρομή της φωτεινής ακτίνας θα είναι παράλληλη προς την αρχική (πριν από την είσοδό της σ’ αυτό) αν όμως οι επιφάνειες δεν είναι παράλληλες (όπως π.χ. ενός φακού ή ενός γυάλινου τριγωνικού πρίσματος), η ακτίνα θα ακολουθήσει μετά την έξοδό της τελείως διαφορετική κατεύθυνση.

Σκέπαστρο Βεράντας

Σκέπαστρο Βεράντας

 

 

Πηγή: εγκυκλοπαίδεια παπυρος λαρους ΜΠΡΙΤαννικα, έκδοση συνεργασίας Grande Encyclopedie Larousse, Encyclopaedia Britannica, Εκδοτικός Οργανισμός Πάπυρος, Τόμος δέκατος ένατος, ΠΑΠΥΡΟΣ

Δημόσια Κεντρική Βιβλιοθήκη Σπάρτης

Advertisements