Sklo - definice, vlastnosti, výroba LF MU Brno Brýlová technologie Definice skla • Sklo je tvrdý, křehký, špatně vodivý materiál, který praská, jestliže je vystaven prudkým teplotním změnám (např. ochlazení) • Sklo bylo přibližně do 2. světové války výhradním materiálem pro výrobu brýlových cocek Výroba skla • Surovina na výrobu skla se nazývá sklářský kmen, který je uveden do stádia taveniny • Sklářský kmen obsahuje: - 70% sklotvorných oxidů - 20% tavidel - Stabilizátory - Odbarvovače - Barviva Sklotvorné oxidy • Oxid křemičitý Si02 ve formě křemenného písku • Oxid boritý • Oxid fosforečný Tavidla • Jsou nutná k zajištění vysoké teploty (1700°C) • Soda (uhličitan sodný - Na2C03) • Potaš (uhličitan draselný- K2C03) Stabilizátory • Zajišťují vysokou chemickou stálost, mechanickou odolnost a tvrdost (CaO) • Oxid hlinitý (AI203) • Oxid zinečnatý (ZnO) • Oxid horečnatý (MgO) Úprava optických vlastností skla • Špecifické látky mohou ovlivnit propustnost světla, lom a disperzi — Oxid olovnatý — Oxid barnatý — Oxidy lanthanoidů Barviva • Látky s kovovými ionty • Sloučeniny železa dodávají sklu nevhodnou barvu Technologický postup při tavení skla • Růst bublinek (1200°C) • Čeření (1750°C) • Ochlazení za účelem odstranění plynů a chlazení (<900°C) Růst bublinek • Složky kmene se zahřívají na teplotu 1200°C • Vzniká velké množství plynů rozkladem uhličitanů • Rozpustnost plynu (C02) ve sklovine je přímo úměrná jeho parciálnímu tlaku a nepřímo úměrná teplotě Čerení • Přidání čeriv k sázce má za následek rychlejší odstranění bublin a plynů • Čeřiva jsou látky, které se rozkládají za vysokých teplot a uvolňují plyny, které z taveniny odstraňují bubliny • Vlastním čeřícím plynem je většinou kyslík, uvolňující se z čeřiv, který difunduje do bublin, takže rostou a stoupají vzhůru • Jako čerivo se může použít i např. ledek (dusičnan sodný-NaN03) Ochlazení za účelem odstranění plynů • V ochlazovací fázi se odstraní i poslední vyfukované plyny (při snížení z 1200 na 900°C) • Potom se sklo stáčí do předehřátých van • Podle druhu skla trvá ochlazení týdny i měsíce • Způsob ochlazení ovlivňuje index lomu Závady sklovín • Kamenité sklo • Odlišné složení od základní hmoty • Bublinkové sklo • Pnutí Kamenité sklo • Obsahuje neprůhledná zrníčka (kameny) různé velikosti • Mohou být ze stěn kotle nebo z beztvaré hmoty vsázky • Typické jsou tzv. odskelňovací kameny v krystalické podobě, které vznikají při chybném ochlazovacím procesu Odlišné složení od základní hmoty • Vznikají díky nedokonalému promíchání základních surovin • Místa s rozdílným složením vykazují změny v optických vlastnostech skla (zvláště u lomu světla) Bublinkové sklo • Vzniká při nedokonalém čeření skloviny, pokud nejsou odstraněny všechny plyny, jimiž je sklovina přesycena Pnutí • Je pro optické účely jednoznačně nevhodné • Vzniká při rychlém chlazení • Jedna ochlazená vrstva se smrští a pod ní ještě kapalná vrstva se tomu vzpíná a vytváří odpor • Ve skle tak vznikají tažné a tlakové sily Optické vlastnosti s Lom světla Disperze Reflexe Transmise Absorpce Vliv barvy Lom světla • Lom světla je určen indexem lomu skla • Optická skla se podle odchylky od indexu lomu třídí do několika optických tříd • Každý index lomu je vztažen pro určitou vlnovou délku světla Disperze Vyjadřuje se pomocí Abbeova čísla Čím je toto číslo větší, tím menší je disperze a tím menší jsou rušivé barevné jevy na okraji brýlových čoček nc- ti nD je index lomu pro žluté světlo nF je index lomu pro modré světlo nc je index lomu pro ceněné světlo Korunové sklo má nn - 1,525 n,r- 1,5298 \c= 1,520 Příklady disperze u křemičitých skel Křemičitá skla Index lomu Abbeovo číslo Hustota v g/cnr* 1,525 58,6 2,55 1,604 41,8 2,60 1,706 41,5 3,21 1,807 35,4 3,62 1,892 30,4 3,99 Rozdělení brýlových skel dle Abbeova čísla Korunové sklo - draselno-vápenaté - Abbeovo číslo je větší než 55 Flintové sklo - draselno-olovnaté — Abbeovo číslo je menší než 55 Reflexe Se stoupajícím indexem lomu roste odrazivost světla Reflexi můžeme snížit nanesením protiodrazových vrstev, které nazýváme antireflexní vrstvy Příklady reflexe podle indexu lomu Index lomu Reflexe jedné plochy Celková reflexe 1,525 4,32% 8,64% 1,604 5,38% 10,76% 1,706 6,80% 13,61% 1,807 8,16% 16,32% 1,892 8,70% 17,40% Transmise • Udává kolik procent světla projde čočkou • Část světla se odrazí na přední ploše čočky, část se absorbuje a část se odrazí na zadní ploše čočky .t=l-r-a Absorpce • Stupeň pohlcení závisí elektromagnetického vlnění závisí na čistotě a zbarvení optického materiálu a jeho chemickém složení • Ve skle absorbované záření je převedeno na teplo, nepatrně na fluorescenci a na chemickou reakci • U čirých čoček je absorpce asi 1% Vliv barvy • Přidáním barvy do skla se zvyšuje absorpce • Barvu můžeme přidat přímo do sklářského kmene nebo napařením na její povrch • U barvených čoček se zjišťuje, zda nezkreslují barvené vidění Tepelné vlastnosti skla • Sklo mění svůj objem v závislosti na teplotě • Měřítkem je tzv. střední tepelný koeficient roztažnosti • Při ohřátí čočky na 200°C se změní délka čočky řádově v desítkách setin milimetru Viskozita skla • Viskozita je spojena se složením a chemickou čistotou matriálu • Viskozita je ukazatelem jakosti skla • Jednotkou je pascalsekunda (Pa.s) • Například med má při teplotě 20°C viskozitu 10 000 d Pa.s, voda 0,01 d Pa.s Viskozita skla v průběhu chladnutí Viskozita v d Pa s (decipaskalsekunda) Teplotní zóna Význam pro výrobu skla 10' čeření skelná tavenina teplota tání 10' teplota tečení tvorba formy 10/.o teplota měknutí 10lJ horní chladící teplota oblast „zamrznutí" , pnutí 1013,3 transformační teplota - TR l014,3 spodní chladící teplota 1019 sklo při pokojové teplotě Mechanické vlastnosti skla • Hmotnost • Hustota • Elasticita • Pevnost v tahu a tlaku • Křehkost • Tvrdost Hmotnost skla Závisí na objemu a hustotě Dále na složení skla Minerální materiál/ Ess Mor oznace-ní R e Fra ken í index Disperze Specifická hmotnost U V filtrace Standardní index lomu 1.5 čirá □t 1.525 na 1.523 v, 59 Vd 59 2. SI 330 um Střední index lomi_ Samozaba rvovací Šedá Hnědá 1.5 1.5 Isorapid Isorapid grey b rovin 1.525 1.525 1.523 1.523 57 56 57 56 2.41 2.41 335 nm 335 nm 1.6 čirá 1.604 1.600 41 42 2.63 335 nm Vysoký index lomu Samozabarovací Šedá Hnědá 1.6 1.6 Isorapid Isorapid grey brown 1.604 L. 604 1.600 l.SOO 42 42 42 42 2.70 2.73 Čirá Čirá 1.705 1.E07 1.701 1.E02 41 42 345 nm 345 nm 335 nm 34 35 3.21 3.65 330 nm Hustota skla Hustota skla kolísá od 2,2 až 6 g/cm3 u skel vysokým obsahem PbO U brýlových čoček kolísá od 2,5 do 4 g/cm3 závislosti na složení a indexu lomu Elasticita skla Při pokojové teplotě je malá - dosahuje je asi % elasticity oceli Pevnost v tahu a tlaku • Pevnost skla v tahu je malá • Pevnost skla v tlaku dosahuje desetinásobku pevnosti skla v tahu • Proto sklo praská více při náhlém ochlazení (tah), než při zahřátí (tlak) Křehkost • Sklo je křehčí než kovy, ale méně křehké než porcelán, tavený čedič, kamenina nebo beton Tvrdost • Tvrdost skla podle Mohsovy stupnice je 5-7 asi jako apatit, živec a křemen • K měření tvrdosti se používá diamantového hrotu, který se vtlačuje pod určitým tlakem do materiálu a mikroskopem se pak měří hloubka vrypu • Pro optické účely se udává zkouška obrusnosti, kdy bylo zjištěno, že nejtvrdší jsou křemenná skla a nejměkčí jsou skla s vysokým obsahem PbO Chemické vlastnosti skla • Brýlové čočky ze skla vynikají velkou stabilitou vůči vodě, roztokům soli, kyselinám a organickým substancím • Koncentrované louhy způsobují znatelnou korozi při vysokých teplotách Odolnost skla vůči chemikáliím • Voda - odolnost skla je zpravidla vyšší, čím méně alkalických oxidů obsahuje (Na20, K20) a čím více obsahuje Si02 • Vodní pára - dtto • Kyselina - čím vyšší je obsah alkalických oxidů, tím je větší odolnost • Příznivý vliv na chemickou odolnost má styk povrchu čoček s plyny obsahující S02 při chlazení Mechanismus koroze skla • Při usazení vody na povrchu skla se vytváří alkalický roztok hydroxidů a uhličitanů, který rozpouští i křemičitou vrstvu • Časem obsah alkálií klesá a obsah Si02 stoupá • Rozrušování je rychlejší než u kyselin a časem nezpomaluje • V kyselině fluorovodíkové a křemičité se sklo úplně rozloží Děkuji za pozornost • Literatura: - Najman, L.: Dílenská praxe očního optika, Brno: IDVPZ, 2001 - Rutrle, M.: Brýlová technika, estetika a přizpůsobování brýlí, Brno IDVPZ, 2001 - Polášek, J.: Technický sborník oční optiky, Praha: SNTL, 1975