Ugrás a tartalomhoz Lépj a menübe
 

Üveg

2011.07.13
 
Az üveg többnyire átlátszó és akár formába is lehet önteni
Csiszolt kristály üveg, a Feng Shui lakberendező elv egyik fontos kelléke

Az üveg egy amorf állapotú szilárd anyag, bár egyes kémiai tulajdonságai általában folyadékokra jellemzőek.[1]

Más definíció szerint: az üveg egy olyan szervetlen összetételű keverékanyag, amely lehűlés közben kristályosodás nélkül jut mechanikailag szilárd állapotba.

Nagyságrendileg mintegy 100 000-féle üveget ismerünk, melyekből a gyakorlati életben 7-800-at használunk, ezek a kereskedelemben is kaphatók. Összetételük és ezzel tulajdonságaik eltérőek. Az üvegek kémiai szerkezete a folyadékok állapotához hasonlóan véletlenszerűen alakul ki az olvadt ömledékből a megszilárdulás pillanatában. A különbség a folyadék- és az üvegállapot között az, hogy megszilárdult állapotban az üvegszerkezetet (üvegállapotot) alkotó atomok hőmozgása gátolt.

Tartalomjegyzék

[elrejtés]

Szerkezete [szerkesztés]

Habár az üveg egy régóta ismert anyag, még ma sem ismerjük az atomos felépítését és szerkezetét. Zachariasen 1932-es általánosan elfogadott elmélete szerint ugyanazok a kötések vannak jelen benne, mint a kristályos kvarchomokban, de ezek a kapcsolatok nem rendezettek, mint a kristályban. Mind a kötéstávolság, mind a kötések szöge változó. Kis méretekben látszanak még a tetraéderek, de nagy méretekben már nem. Ezért is nehéz leírni a szerkezetet, különösen a köztes tartományban, ahol sem a statisztika, sem a tetraéderek nem segítenek. A kötések változatosságának kutatása a fizika egyik alapkérdése.

Amikor az üveg lehűl, akkor lényegében nem alakul át a halmazállapota, hanem egy bizonyos hőmérséklettartományban megnő a viszkozitása, és megkeményedik. A kristályos anyagoktól eltérően az üvegnek, mint amorf anyagnak nincs fagyáspontja. Az átalakulási tartomány hideg végén végbemenő termodinamikai átalakulás jellemző az üvegre. Itt megváltozik néhány fizikai tulajdonsága: a viszkozitás, a hőtágulási együttható és a fajhő. Ez az átalakulás nemcsak a kvarcüvegre, hanem minden üveges szerkezetű anyagban végbemegy.

Tulajdonságai [szerkesztés]

Az üvegek szerkezete, összetétele és tulajdonságai üvegadatbankok segítségével elemezhetők. Ilyen adatbankok például a SciGlass®[2] és az Interglad®[3] Azok a tulajdonságok, amik nem kapcsolódnak a megkeményedéshez, a statisztikai eredmények felhasználásával lineáris regresszióval számíthatók legfeljebb harmadfokú egyenletekkel. Gyakran több tulajdonságot is optimalizálni kell. Ehhez a legkisebb négyzetek módszerét hívják segítségül, ahol is a kívánt üvegfajtától mért távolságok négyzetösszegét minimalizálják. Ezek a távolságok, így a tulajdonságok is súlyozhatók.[4]

Ilyen tulajdonságok lehetnek:

Színezése [szerkesztés]

Színes üvegből készült palack
A közönséges úsztatott üveg vastag rétegben zöld a Fe2+-szennyezés miatt

A színes üvegeket fémnanorészecskék hozzáadásával festik. A színezőanyagok aránya 0,1% körüli. A legtöbbet alkalmazott fém az ezüst és az arany, néhány nanométeres átmérőjű nanorészecskék formájában. A nanorészecskék alakja is döntő; nem mindegy, hogy gömb, lemez vagy ellipszoid alakú. Az üvegek fehérítésére fém-oxidokat adagolnak az olvadékhoz; ezek a szennyezéssel komplementer színárnyalatot adják.

Osztályozása [szerkesztés]

Moldavit, egy természetes üveg. Zöld színét a vas-oxid okozza
  • Eredet szerint: a mesterséges üvegek mellett természetes üvegek is léteznek. Legismertebb fajtájuk a vulkánkitöréskor keletkező obszidián. Emellett létrejönnek tektitek meteoritbecsapódáskor, fulguritok villámcsapáskor, trinititek atombomba robbanásakor, friktonitok hegyomláskor. Ezek az üvegek főként a homok megolvadásával alakulnak ki, de a kristályrács a lökéshullámok hatására megolvadás nélkül is amorffá torzulhat. Így jön létre például a földpátból keletkező maszkelinit. Szol-gél folyamatokkal is előállíthatók üvegek; így készülnek az aerogélek.
  • Alapanyag szerint: a nátriumüveg mellett létezik a tiszta kvarchomokból készült kvarcüveg, az ólomüveg és a speciális lencseüveg. Az üvegben levő ólom leárnyékolja a röntgensugárzást, nagy törésmutatóval és diszperzióval bír. A vízüveg vízben oldódik. A bór-szilikátüveg kémiailag ellenálló, ezért labor- és főzőedényeket készítenek belőle. További speciális üvegek a bór-foszfátüveg és az alumino-szilikátüvegek. A nem oxidalapú üvegekhez tartoznak a fluorid- és a kalkogenitüvegek, amiket az infravörös optikában használnak fel. Az üvegkerámia egy újabb speciális üvegfajta, ami nem egészében amorf, hanem kristályos régiókat is tartalmaz.
  • A gyártás módja szerint: az üveggyártást üreges üvegek, síküveg és speciális üvegek gyártására osztják. Az üreges üvegek konzervüvegek, üvegpalackok, poharak és hasonlók. A tömegtermékeket gépi, az értékes üvegeket emberi erővel fújják. A síküveg úsztatással készül, tükrök, ablaküvegek és rétegzett üvegek számára. A szálüveghez tartoznak az optikai üvegszálak, az üveggyapjú. Műanyagokba is bedolgozzák őket. Az optikai üvegekből lencsék készülnek távcsövek és mikroszkópok számára. Az emberi erővel fújt üvegek műtárgyak, leginkább vázák és poharak.
  • Kereskedelmi név vagy márka szerint: antik üveg, flintüveg (ólomüveg, mint optikai üveg), diatrétüveg, hialitüveg (a 19. században síküveg és gyógyszeresüveg), koronaüveg (optikai üveg), kriolitüveg (fehér homályos fluoridüveg). A márkanévre példa a jénai üveg, vagy a ceran (üvegkerámia).

Előállítása [szerkesztés]

A gyártás során a folyékony ömledék és az üvegszerűen megszilárduló késztermék közötti állapot folytonos, nincs közöttük éles határ. Ellentétben a szilárd kristályos anyagokkal, az üvegeknek nincs határozott olvadáspontjuk, csupán a viszkozitásuk változik hevítés és hűtés hatására.

A modern üveggyártás során abból is adódik az üvegek változatos összetétele, hogy a különböző földrészeken, különböző ipartelepeken más-más a felhasznált alapanyagok minősége. Változatossá teszi az üvegek összetételét az is, hogy különleges tulajdonságok elérése érdekében kis mennyiségben adalékanyagokat adagolnak a termékekhez.

Leggyakrabban szilícium alapú üvegeket használnak a háztartási eszközökben, mint például villanykörték vagy ablakok. Az üveg biológiailag inaktív.

Alapanyagok [szerkesztés]

Kvarchomok

Az üveggyártás 90%-át kitevő nátronüveghez ezeket az alapanyagokat használják:

  • Kvarchomok, szilícium-dioxid az üveg fő tömegének kialakításához. Fehérüveg készítéséhez fontos, hogy a vas-oxid (Fe2O3) tartalma ne haladja meg a 0,05%-ot, mert az az üveget zöldre vagy barnára színezi. Ettől színeződnek el az üvegpalackok.
  • Nátrium-karbonát, Na2CO3 a kvarchomok olvadáspontjának csökkentésére, folyékonyabbá tételére, az üvegszerkezet kialakítására, és a nátrium adagolására. Összeolvasztáskor a nátrium-karbonátból szén-dioxid szabadul fel, ami távozik az olvadékból. A nátriumot nátrium-nitrát vagy nátrium-szulfát hozzáadásával is az üvegbe lehet vinni.
  • Kálium-karbonát, K2CO3 a nátrium-karbonáthoz hasonló célokra, és kálium-oxid hozzáadására.
  • Földpát alumínium-oxid hozzáadására és a kémiai ellenállás javítására.
  • Mészkő; ez szintén részt vesz az üveg szerkezetének kialakításában. A belőle visszamaradó kalcium-oxid növeli a kémiai ellenállóképességet, és keményebbé teszi az üveget.
  • Dolomit a magnézium-oxid és a kalcium-oxid hozzáadására. A magnézium-oxid a kalcium-oxidhoz hasonlóan hat, de a túl sok magnézium-oxid kellemetlenül megnövelheti a likvidusz fázis hőmérsékletét.
  • Törtüveg: akár az olvadék 90%-át is alkothatja. Lehet újrahasznosított, vagy selejt üveg. Az üveggyapjú legfeljebb 80%-át alkothatja.[5]. Ezzel nyersanyagot és energiát spórolnak, mivel a törtüveg könnyebben olvad, mint a keverék. Problémás lehet a színek, a speciális üvegek szétválogatása és az idegen anyagok, fémek, műanyagok, kerámiák bent maradása. Az idegen anyagok üveghibát okozhatnak a tökéletlen olvadás miatt, és tönkretehetik az olvasztómedencét, mivel a fémek beleeszik magukat a tűzbiztos alapanyagba.

Speciális üvegekhez használnak még ólom-dioxidot, bóraxot, bárium-karbonátot és ritkaföldeket.

Olvasztás [szerkesztés]

Az olvasztás több lépésből áll:

  • a tulajdonképpeni összeolvasztás 1480 C fok körül
  • a keletkezett gázok eltávolítása
  • hűtés

A történelmi technológiákban ezeket a lépéseket ugyanabban az olvasztómedencében végzik. Ma már csak a kisebb műhelyek, vagy speciális üvegek előállítása céljából dolgoznak ezzel a módszerrel. Az ipari termelésben inkább térben választják el az egyes munkafolyamatokat.

A keletkezett gázok eltávolítása nehézkes az olvadék viszkózussága miatt. Mivel ez a szakasz meghatározza az üveg minőségét, sok különféle módszerrel könnyítik meg.

Formázás [szerkesztés]

Az üveg többféleképpen formázható: öntéssel, fúvással, préseléssel, húzással.

  • Az üreges üvegeket, üvegedényeket több eljárás kombinálásával készítik
  • Az üvegszálakat egy zuhanyrózsához hasonló eszközön átfolyatva alakítják ki
  • Az üvegtáblákat folyatják, öntik vagy húzzák
  • Az üvegcsöveket húzással állítják elő

Hűtés [szerkesztés]

Az üveg rossz hővezető, ezért ügyelni kell arra, hogy egyenletesen hűljön, és ne törjön el. A hűlés közben keletkező mechanikus feszültség nagysága függ az üveg hőtágulási együtthatójától. A mechanikus feszültséget optikai feszültségmérőkkel mérik. A mért feszültséget temperálással csökkentik, vagyis a külső tartomány hűlésének szabályozásával. A hűtés ideje függ az üveg fajtájától és az előállított terméktől; az egy méternél nagyobb optikai lencséket több mint egy éven át hűtik, nehogy optikai torzulások keletkezzenek bennük.

A hűtésnek két fő módszere van: a helybeni és a mozgatásos hűtés. Az iparban az üveget hűvösebb helyre mozgatják; helybeni hűtést csak speciális célokra, vagy kisebb műhelyekben alkalmaznak, mivel minden kivétel után újra fel kell fűteni a kemencét a következő adag számára.

A felszín nemesítése [szerkesztés]

  • Lecsapatással nagyon vékony fémréteget vihetnek az üveg felszínére. A legtöbb ablaküveget visszaverővé teszik az infravörös tartományban. A hősugárzás visszaverődik, így kintről kevésbé jut be a nagy meleg, és bentről is kevésbé megy ki hideg időben.
  • Az átlátszó dielektrikus anyag, mint bevonat lehetővé teszi mind a tükrözésmentesítést, mind a tükörkészítést egy bizonyos színtartományra. A szemüveglencséket és a fényképezőgépek lencséit tükröződésmentesítik. Tudományos célokra készülnek üvegek, amik egy bizonyos hullámhosszt 99,9999 %-ban tükröznek, vagy 99,999 %-ban áteresztenek.
  • Homokcsiszolással vagy folysavval az üveg átlátszatlanná tehető. Az így átlátszatlanná tett üveg még mindig átereszti a fény nagy részét. Így készülnek a tejüveg lámpák és ablaküvegek, amik erősen szórják a fényt.

Az üvegmegmunkálás technikái [szerkesztés]

  • Élfénycsiszolás: A tükör széleinek 1,5 mm × 1,5 mm -es éltörése "I" illetve "C" profillal.
  • Fazettázás: Egyenes fazetta : a tükör egyenes oldalainak szögbecsiszolása, 5 mm-től 50 mm szélességben, 4-től 25 fokig.
  • Íves fazetta: a tükör íves oldalainak szögbecsiszolása, 5 mm-től 35 mm szélességben, 4-től 10 fokig.
  • Mikrofazettázás: Alakos és egyenes fazettázással, bármilyen formájú és kis méretű üveget vagy tükröt csiszolunk. Ezt dekorációként vagy Tiffany-üvegekhez használják.
  • Szögbecsiszolás: Az üveg széleit 45°-os, illetve bármilyen szögben csiszolják. Ez az üveg összeragasztásánál játszik szerepet.
  • Gravírozás: Az üveg vagy tükör felületében történő becsiszolás. Mintákat lehet kialakítani vele.
  • Kagylócsiszolás: Becsiszolás az üveg felületébe, tolóajtóknál fogantyú helyett használják.
  • Furatozás: Különböző átmérőjű furatok készítése, 4-100 mm átmérőben.
  • Hőszigetelés: Két vagy több rétegű üveg összeragasztása különböző légréssel, 5,5 mm-től 19,5 mm-ig.
  • Szabás (méretre szabás): Gyémánt vágófejjel felületi bontást képez az erre kifejlesztett szerszám. Kifinomult technikával a vágás mentén az üveget el lehet törni.
  • Üvegcsiszolás (szakma): Az üvegcsiszoló félkész öblösüvegekből csiszolásos eljárással díszített készterméket gyárt. Többnyire ólomkristályt használ.
  • Homokfúvás: Szórópisztollyal nagysebességű homokszemcsékkel ütköztetik az üveg felületét, így matt felület keletkezik.
  • Savmaratás: Többnyire a síküveggyártásban használják. Savval kezelik az üveg felületét, így szintén matt felület képződik.
  • Savmaratás üvegcsiszolás folyamán: Az ólomkristály tárgyakat kén és flórsav elegyével maratják. Így egy hajszálvékony felületet eltávolítanak a munkadarabról, melyen az előzetesen felcsiszolt minták teljesen áttetszőek lesznek. Ezután viszik fel a matt mintákat az üvegcsiszolók.