4.0 Taveniny a skla

Články na webu » Seminární práce » 4.0 Taveniny a skla

TAVENINY A SKLA

ÚVODEM

TAVENINY

Tavenina je roztavená látka nebo směs látek. Například v geologii se jako tavenina velice často označuje magma (ve skutečnosti jde o směs). V našem případě je tavenina roztok získaný roztavením hornin/surovin nad teplotu tání a je to první krok k získání skla, k jehož získání je třeba taveninu dostatečně rychle schladit.

SKLA

Obecně vzato skla patří k významným materiálům, které mají uplatnění v průmyslu, stavebnictví, umění a celé řadě dalších odvětví.

Sklo je anorganický amorfní materiál vyrobený tavením vhodných surovin a následným řízeným ochlazením, které musí být dostatečně rychlé, aby nedošlo ke krystalizaci. Skelný stav vzniká plynulým přechodem z kapalného do pevného stavu. Struktura látky postrádá pravidelné, symetrické a periodické uspořádání základních stavebních jednotek.

Mezi látky, které mohou tvořit snadno skla, se řadí oxidy (oxidická skla – křemičitá, borokřemičitá) nebo chalkogenidy (S, Se, Te).

K typickým vlastnostem skel patří vysoká propustnost světla, tuhost a tvrdost při běžných teplotách, křehkost, homogenita, vysoká odolnost proti povětrnostním vlivům, chemická odolnost, vysoká pevnost v tlaku a relativně nízká tepelná a elektrická vodivost.

STRUKTURA AMORFNÍ FÁZE*

Pokud popisujeme strukturu krystalické látky, můžeme ji definovat pomocí parametrů krystalové struktury: mřížkovými parametry (délky hran buňky), mezirovinnou vzdáleností, prostorovou grupou symetrie či pozicemi atomů. Krystalická látka má také například ostrý bod tání.

U amorfní látky nic z předchozího nenajdeme, nemá žádnou pravidelnou strukturu a ani teplota tání není stanovitelná. U amorfní fáze můžeme určit teplotu skelného přechodu (která ale není pro danou látku vždy stejná, ale odvíjí se od tepelné historie vzorku).

VISKOZITA

Viskozita udává poměr mezi tečným napětím a změnou rychlosti v závislosti na vzdálenosti mezi sousedními vrstvami proudící kapaliny. Jedná se o veličinu charakterizující vnitřní tření kapaliny závislou především na přitažlivých silách mezi částicemi (přímou úměrou).

Pro ideální kapalinu má viskozita nulovou hodnotu, kapaliny s nenulovou viskozitou se označují jako viskózní. Se stoupající teplotou viskozita klesá – tento efekt je vidět například při tavení skla.

Dynamická viskozita je síla tření, která vzniká mezi dvěma vrstvami proudící kapaliny se styčnou plochou 1 m2 při rozdílu jejich rychlostí 1 m/s. Kinematická viskozita je rovna podílu dynamické viskozity a hustoty.

VISKOZITA – STANOVENÍ

V případě kapalin, které se účinkem síly trvale deformují (tečou) a rychlost deformace (tečení) je úměrná tím větší, čím větší silou působíme a tím menší, čím větší jsou vnitřní síly (tření) v kapalině. Vnitřní síly vznikají v kapalině jako důsledek tepelného pohybu a mezimolekulárních přitažlivých sil. Při malých rychlostech (laminární proudění) proudění se tok kapaliny uskutečňuje jako smyková deformace. Při laminárním proudění vzniká v důsledku mezimolekulárních sil ve stykové ploše dvou vrstev pohybujících se rozdílnou rychlostí tečné napětí, jímž se snaží rychlejší vrstva urychlovat pomalejší a naopak. Toto tečné napětí je přímo úměrné gradientu rychlosti, tedy přírůstku rychlosti mezi vrstvami děleném jejich vzdáleností. Konstantou úměrnosti je dynamická viskozita s jednotkou N.s.m-2.

SKELNÝ PŘECHOD, EXPERIMENTY

SKELNÝ PŘECHOD*

Skelný přechod je transformací, která je mnohem méně výrazná než například tání nebo vypařování. Na teplotní ose mu odpovídá určitý interval, jehož střed (respektive průsečík směrnic) je označen jako teplota skelného přechodu, Tg. Tato hodnota není konstantou a je velmi závislá na tepelné historii (rychlost chlazení atp.). V praxi se osvědčilo definovat skelný přechod pomocí viskozity – hodnota Tg odpovídá viskozitě 1013,3 Pa.s-1. Skelná transformace je spojena také se změnou tepelné kapacity, která probíhá skokově.

Celý skelný přechod je charakterizován celkem sedmi parametry:
• teplotou počátku
• teplotou konce
• teplotou skelného přechodu
• změnou tepelné kapacity
• teplotou extrapolovaného počátku
• teplotou extrapolovaného konce
• rychlostí chlazení.

Studiem teplot skelného přechodu u velkého množství materiálů bylo ověřeno, že poměr teploty tání a teploty skelného přechodu je velmi často v rozmezí 1,5 až 2. Tento předpoklad platí především pro sloučeniny s malými molekulami – například voda (1,91) nebo etylalkohol (1,64). I zde jsou však známé výjimky (PPO, poly(oxy-2,6-dimethyl-1,4-phenylen)), u kterých se teplota skelného přechodu blíží teplotě tání. Může to být způsobeno například velikostí krystalů. Tyto odchylky jsou poměrně často nacházeny u polymetakrylátů obsahujících dlouhé postranní řetězce.

Z měření tepelné kapacity lze získat volnou entalpii – tepelná kapacita kapaliny je vždy větší než tepelná kapacita skelného materiálu a tak křivka volné entalpie kapaliny musí vždy mít větší zakřivení a při extrapolaci pod hodnotu Tg ležet níže než křivka volné entalpie skla. V oblasti skelného přechodu jsou obě volné entalpie stejné a křivky se zde dotýkají (mají stejnou směrnici, identické tepelné kapacity).

Pokud se podíváme zpět na seznam parametrů, které určují skelný přechod, je třeba se pozastavit u rychlosti chlazení. Na ní je, jak bylo poznamenáno výše, závislá teplota skelného přechodu. Tato závislost je způsobena rozdílnou strukturou skel chlazených rozdílnou rychlostí. V průběhu ochlazování se molekuly snaží zaujmout co nejvhodnější pozici (energeticky nejvýhodnější) a tedy čím rychlejší je proces ochlazování, tím méně času na to každá molekula má a tím vyšší je poté energetický rozdíl mezi získaným sklem a při „nekonečně“ pomalém chlazení získanou krystalickou látkou. Rozdílné rychlosti chlazení poskytují rozdílná skla s rozdílnou volnou entalpií.

Je vhodné zmínit, že pro úplnou specifikaci tepelné historie skla není možné zůstat pouze u zmínění rychlosti chlazení. Pro kompletní charakterizaci je zapotřebí uvést podrobnější informace o tepelné historii, například další teplotní změny (ohřev) nebo aplikaci mechanické případně elektrické síly.