PROJEKT OPERAČNÍHO PROGRAMU VZDĚLÁVÁNÍ PRO KONKURENCESCHOPNOST
MODERNIZACE VÝUKY NOVĚ ZŘÍZENÉHO ATELIÉRU DESIGNU SKLA REGISTRAČNÍ ČÍSLO CZ.1.07/2.2.00/15.0451
TECHNOLOGIE VÝROBY SKLA 2 ING. RADIM ROŠKA
VÝVOJ TOHOTO UČEBNÍHO TEXTU JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKYLIKY
O projektu
Učební text byl vyvinut v rámci projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost „Modernizace výuky nově zřízeného Ateliéru designu skla“, registrační číslo CZ.1.07/2.2.00/15.0451, jehož příjemcem je Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně. Cílem projektu je vytvoření inovativní podpory vzdělávání s multimediálními prvky, zaměřené na nové postupy a poznatky v oblasti designu skla a jeho aplikací. Realizace projektu vytvoří podmínky pro rozvoj Atelieru designu skla v rámci studijního programu Výtvarná umění na Fakultě multimediálních komunikací UTB ve Zlíně. Projekt je určen pro studenty třech akreditovaných studijních oborů v bakalářském a navazujícím magisterském studiu v prezenční i kombinované formě. Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Abstrakt
Studijní materiál umožňuje studentovi získat ucelené informace o technologických procesech navazujících na obsah TVS1, který je byl zakončen problematikou tvarování skloviny. Z toho důvodu navazuje tento díl problematikou chlazení skel, výkladem vlastností skel důležitých z hlediska jejich praktického používání. Po seznámení s jejich opracováním po vychlazení pak s tradičními metodami a postupy zušlechťování skel. Poslední bloky jsou pak věnovány lehanému sklu, tavené plastice a vadám skla.
Cílová skupina
Text je určen především pro posluchače Ateliéru designu skla v rámci studijního programu Výtvarná umění na Fakultě multimediálních komunikací UTB ve Zlíně. Současně může poskytnout základní znalosti i pro ostatní zájemce o bližší poznání technologie výroby a zpracování skla.
Obsah
1
Vlastnosti skla I ...................................................................................................... 8 1.1
1.1.1
Pevnost skla ............................................................................................ 8
1.1.2
Tvrdost a křehkost skla .......................................................................... 10
1.2
2
Mechanické vlastnosti..................................................................................... 8
Tepelné vlastnosti ......................................................................................... 11
1.2.1
Teplotní roztažnost skla ......................................................................... 11
1.2.2
Tepelná vodivost a měrná tepelná kapacita ........................................... 17
Vlastnosti skla II ................................................................................................... 19 2.1.1 2.2
Elektrická vodivost ................................................................................. 22
2.2.2
Permitivita .............................................................................................. 22
5
Chemická odolnost ....................................................................................... 23
2.3.1
Působení kyselých roztoků .................................................................... 23
2.3.2
Působení alkalických roztoků................................................................. 23
2.3.3
Hydrolytická odolnost skla – odolnost skla proti vodě ............................ 24
2.3.4
Vliv různých faktorů na chemickou odolnost .......................................... 24
Chlazení skla. ...................................................................................................... 26 3.1
4
Elektrické vlastnosti ...................................................................................... 22
2.2.1 2.3
3
Optické vlastnosti .................................................................................. 19
Chlazení skla a vnitřní napětí ........................................................................ 26
3.1.1
Druhy vnitřního napětí a příčiny jejich vzniku a chladící interval ............. 26
3.1.2
Měření vnitřního napětí .......................................................................... 28
3.1.3
Bezpečná hodnota vnitřního napětí ve skle. .......................................... 30
3.1.4
Měření vnitřního napětí .......................................................................... 30
Chladící postup .................................................................................................... 36 4.1
Výpočet chladícího postupu skleněných výrobků .......................................... 36
4.2
Chladící křivka .............................................................................................. 39
4.3
Chladící pece................................................................................................ 39
Hlavní typy skel.................................................................................................... 46 5.1
Rozdělení skel do základních soustav .......................................................... 46
5.2
Hlavní typy průmyslových skel ...................................................................... 49
5.2.1
Křemenné sklo....................................................................................... 49
5.2.2
Sodnokřemičité sklo Na2O-SiO2. Vodní sklo. .......................................... 50
5.2.3
Obalové, ploché a užitkové sklo. Na2O-CaO-SiO2 ................................. 50
5.2.4
Tepelně odolná skla Na2O-B2O3-SiO2¨ ................................................... 51
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
6
Křišťálová skla a lazury ........................................................................................ 53 6.1
Křišťálová skla soustavy K2O-CaO-SiO2 a K2O-PbO-SiO2 ............................ 53
6.1.1 6.2
7
Lazury........................................................................................................... 55
6.2.1
Stříbrná lazura ....................................................................................... 55
6.2.2
Měděná lazura ....................................................................................... 58
Prvotní opracování skla ....................................................................................... 62 7.1
Úvod ............................................................................................................. 62
7.2
Opukávání .................................................................................................... 62
7.2.1
Teorie procesu....................................................................................... 63
7.2.2
Opukávání plynovým hořákem. ............................................................. 63
7.3
Prvotní opracování - obrušování ................................................................... 64
7.3.1
Prvotní opracování - sámování .............................................................. 64
7.3.2
Prvotní opracování - leštění ................................................................... 64
7.4
Zapalování (otavování) ................................................................................. 65
7.4.1
Teorie procesu....................................................................................... 65
7.4.2
Užítí ....................................................................................................... 65
7.5
Odtavování ................................................................................................... 65
7.6
Leštění ohněm .............................................................................................. 66
7.6.1
Teorie procesu....................................................................................... 66
7.6.2
Užití ....................................................................................................... 67
7.7 8
Přehled zušlechťovacích technik křišťálů ............................................... 54
Řezání skla ................................................................................................... 67
Zušlechťování skla I – broušení, vybrušování ...................................................... 70 8.1
Broušení ....................................................................................................... 70
8.2
Brusiva ......................................................................................................... 71
8.2.1
Přírodní brusiva ..................................................................................... 71
8.2.2
Umělá (syntetická) brusiva..................................................................... 72
8.2.3
Leštiva ................................................................................................... 72
8.3
Pracovní postupy .......................................................................................... 72
8.3.1
Broušení na vodorovném brusu - hladinářské broušení ......................... 73
8.3.2
Broušení na svislém kotouči - kuličské broušení .................................... 73
8.4
Postupy broušení skla .................................................................................. 74
8.4.1
Hrubé broušení (natrhávání) .................................................................. 74
8.4.2
Jemné broušení (jemnění) ..................................................................... 74
8.4.3
Základní děje při broušení skla .............................................................. 74
8.4.4
Leštění................................................................................................... 74
8.5
Praktická část broušení skla ......................................................................... 75
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
8.5.1
Tvary kotoučů a řezů ............................................................................. 75
8.6
Broušení dutého skla .................................................................................... 76
8.7
Kaménkový výbrus ....................................................................................... 77
9
Zušlechťování skla II – pískování, rytí .................................................................. 82 9.1
Pískování...................................................................................................... 82
9.1.1
Historický vývoj ...................................................................................... 82
9.1.2
Teorie procesu....................................................................................... 83
9.1.3
Zařízení a pracovní postupy .................................................................. 83
Ochranné kryty .................................................................................................... 85 9.2
Rytí skla........................................................................................................ 88
9.2.1
Historický vývoj ...................................................................................... 90
9.2.2
Nástroje a zařízení................................................................................. 91
9.2.3
Zařízení ryteckých dílen ......................................................................... 92
9.2.4
Pracovní postup..................................................................................... 93
9.2.5
Linkové rytí ............................................................................................ 94
9.2.6
Klouzavé rytí .......................................................................................... 95
9.2.7
Kamejové sklo. ...................................................................................... 96
9.2.8
Broušení a rytí na ohebné hřídeli ........................................................... 96
10
Zušlechťování skla - chemické leštění, matování, leptání ................................. 99
10.1
Leptání a matování ....................................................................................... 99
10.1.1
Teorie procesu....................................................................................... 99
10.1.2
Kryty proti leptacím prostředkům ......................................................... 102
10.1.3
Přenášení dekoru ................................................................................ 103
10.2
Podstata chemického leštění ...................................................................... 105
10.2.1
Působení kyseliny fluorovodíkové (HF). ............................................... 105
10.2.2
Působení kyseliny sírové. .................................................................... 105
10.2.3
Průběh vyrovnávání povrchu skla. ....................................................... 106
10.3
Vlivy působící na průběh leštění ................................................................. 106
10.4
Ekologické a bezpečnostní rizika chemického zušlechťo-vání .................... 108
11
Sklářské barvy a drahé kovy .......................................................................... 111
11.1
Složení sklářských barev ............................................................................ 111
11.2
Výroba sklářských barev ............................................................................. 111
11.3
Příprava barev k nanášení a organické složky sklářských barev................. 112
11.4
Přehled drahých kovů ................................................................................. 113
11.5
Druhy a charakteristika sklářských barev .................................................... 114
11.6
Vypalování .................................................................................................. 118
11.6.1
Vypalování barev ................................................................................. 118
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
11.6.2
Vypalování lesklého zlata .................................................................... 119
11.6.3
Vypalovací křivka ................................................................................. 119
12
Lehané sklo a tavená plastika ........................................................................ 124
12.1
Lehané sklo – výroba metodou fusing......................................................... 124
12.1.1
Lehané sklo - úvod .............................................................................. 124
12.1.2
Používané materiály ............................................................................ 124
12.1.3
Teplotní křivka pro fusing a význam chlazení....................................... 125
12.1.4
Příprava skla pro fusing ....................................................................... 125
12.1.5
Formy pro fusing .................................................................................. 125
12.1.6
Využití fusingových pecí pro přípravu lehaného skla............................ 125
12.2
Skleněná plastika ....................................................................................... 128
12.2.1
Historický úvod .................................................................................... 128
12.2.2
Princip slinování .................................................................................. 129
12.2.3
Používané formy.................................................................................. 130
12.2.4
Chlazení tavené plastiky ...................................................................... 132
12.2.5
Charakteristika tavené plastiky ............................................................ 133
12.2.6
Výroba tavené plastiky......................................................................... 134
12.2.7
Zásady tvorby tavené plastiky: ............................................................. 134
12.2.8
Dokončení – povrchová úprava skleněné plastiky ............................... 135
13
Vady skla ....................................................................................................... 137
13.1
Kamínky. .................................................................................................... 137
13.1.1
Kaménky ze žáruvzdorného materiálu. ................................................ 137
13.1.2
Kaménky ze surovin a kmene. ............................................................. 139
13.1.3
Kaménky vzniklé odskelněním (devitrifikací). ....................................... 140
13.2
Šlíry ............................................................................................................ 141
13.3
Bubliny........................................................................................................ 141
13.3.1
Primární bubliny ................................................................................... 141
13.3.2
Sekundární bubliny .............................................................................. 142
13.4
Ostatní vady skla ........................................................................................ 142
13.4.1
Nesprávná barva skloviny. ................................................................... 142
13.4.2
Závady při spojování sklovin rozdílného chemického složení. ............. 142
13.4.3
Přehled vad ......................................................................................... 143
13.4.4
Vysoké pnutí ........................................................................................ 144
Seznam literatury ...................................................................................................... 145 Seznam obrázků ....................................................................................................... 146 Seznam tabulek ........................................................................................................ 149 Seznam rovnic .......................................................................................................... 150
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Rejstřík ..................................................................................................................... 151
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
1 Vlastnosti skla I Studijní cíle: V úvodní kapitole získá studující informace o mechanických vlastnostech, které jsou významné z hlediska praktického použití skleněných výrobků. V její druhé části pak o vlastnostech tepelných a zejména o teplotní roztažnosti, která má zásadní význam při kombinaci různých skel jakými jsou skla vrstvená a hutně zdobený Klíčová slova: Pevnost skla v tahu, v tlaku, únava a stárnutí skla, tvrzení výměnou iontů, tvrdost skla, křehkost skla, teplotní roztažnost, transformační teplota, dilatometrický bod měknutí, odolnosti proti teplotnímu rázu, vnitřní napětí, prstencová zkouška, tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita, Potřebný čas: 2 hodiny
1.1 Mechanické vlastnosti 1.1.1
Pevnost skla
Při praktickém použití skla se uplatňují různé mechanické vlastnosti; na prvním místě je to pevnost, jež je u skel ve srovnání s jinými anorganickými materiály (keramikou, kovy) poměrně nízká. Proto jí bylo věnováno hodně pozornosti a výsledkem je řada způsobů, jimiž lze tuto vlastnost skla podstatně zlepšit. Pro praxi je nejdůležitější pevnost v tahu, resp. v ohybu, neboť příčinou lomu jsou zpravidla tahové síly. Výsledky měření pevnosti mají značný rozptyl, a proto se také obtížně postihuje závislost na složení, jež není příliš výrazná. Uvádí se, že pevnost vzrůstá s rostoucím Si02 a klesajícím Na20. Souvislost se složením je obvykle překryta daleko výraznějšími faktory, jimiž jsou rozměry vzorků a stav jejich povrchu. (Hlaváč 1988) Pevnost skla je rozhodující pro jeho širší použití jako konstrukčního materiálu. Vždy záleží na tom, jak je sklo namáháno. Slabinou skla je jeho pevnost v tahu a v nárazu. Pevnost skla v tahu je desetkrát až patnáctkrát menší než pevnost v tlaku a rozbory pevnosti ukázaly, že příčinou rozbití skla bývají obvykle tahové síly. Pevnost skel v tlaku činí 500 až 2000 MPa, kdežto pevnost v tahu jen 40 až 100 MPa. Značné rozmezí v pevnosti skel souvisí mimo jiné také se značným rozptylem výsledků, který je rovněž nepříznivý při použití skla v technické praxi. Nízká pevnost skla v nárazu souvisí s jeho výraznou křehkostí. Problematika pevnosti skla se v posledních desetiletích velmi intenzívně studuje. Přitom se zjistilo, že mechanická pevnost skla závisí mnohem více na jakosti povrchu, na tvaru a na rozměrech výrobků, na způsobu tvarování, na tepelné historii, na prostředí a na řadě dalších faktorů než na jeho chemickém složení. Vlivy působící na pevnost skla: 1. Kvalita povrchu skla. Podle práce A. A. Griffitha, dnes již klasické, je malá pevnost skla vyvolána velkým počtem mikroskopických trhlinek (velikosti pět až několik desítek mikrometrů), které se koncentrují především v jeho povrchu. Tyto trhlinky mají eliptický tvar a při působení vnější tahové síly vzniká v jejich okolí napětí, které způsobuje jejich postupné zvětšování a při větším zatížení může vést až k rozbití skla. Velikost a tvar trhlinek se mění zejména působením vlhkosti, která vlivem chemické reakce se sklem může trhlinky buď hojit" (zaoblování trhlinek u nezatíženého skla), nebo zvětšovat (růst 8
trhlinek u zatíženého skla). Čím větší je délka a hloubka trhlinek, tím je menší mechanická pevnost skla. Čím více je těchto trhlinek na povrchu, tím více klesá pevnost skla. Proto velké skleněné předměty, které obsahují hodně trhlinek, mají menší pevnost než předměty malé. Kromě Griffithových trhlinek jsou na povrchu skla stopy po mechanickém poškození vzniklé poškrábáním, broušením, dotykem prstů, tvarováním nebo působením prachu a atmosféry. Kombinace, různá koncentrace a intenzita všech těchto faktorů pak podstatně ovlivňuje pevnost a působí velký rozptyl výsledků. Účinnost těchto vlivů potvrzuje skutečnost, že podaří-li se uchovat neporušený, „panenský" povrch skla, je jeho pevnost řádově vyšší. Naproti tomu poškrábáním povrchu se sníží pevnost v ohybu tyčinek asi o dvě třetiny i více (například u tyčinek obalového skla klesne pevnost v ohybu ze 150 MPa asi na 50 MPa) 2. Únava a stárnutí skla. Podobně jako u jiných konstrukčních materiálů klesá i u skla mechanická pevnost, je-li vzorek nebo výrobek zatěžován delší dobu. Mechanické namáhání se koncentruje na vrcholu trhlinek a postupně je zvětšuje. Působením mechanické síly o něco menší, než je krátkodobá pevnost (tj. pevnost zjištěná při zkouškách), se vzorek po určité době rozbije. Tomuto jevu se říká únava skla. Ve vakuu se únava neprojevuje. Naproti tomu se silně projevuje zejména v přítomnosti vodní páry v okolním vzduchu. Je však také opačný jev: Větším korozním účinkem vody bez působení vnějších sil (nebo za působení jen malých vnějších sil) dochází k postupnému zaoblování trhlin, což se u nich, projevuje zmenšením napětí a zvýšením pevnosti. V praxi je to dobře známo jako stárnutí skla, tj. zvýšení pevnosti hydrolytickým účinkem vody nebo vodní páry. Jev stárnutí se projevuje například tím, že sklo bezprostředně po škrábnutí se snadněji poruší, tj. vykazuje menší pevnost než po uplynutí delší doby. Stárnutí se projevuje zřetelněji se stoupajícím obsahem alkálií ve skle, zatímco únava není na chemickém složení skla prakticky závislá. 3. Velikost a tvar výrobků. U skla se projevuje velmi zřetelně vliv velikosti, tvaru a členitosti na pevnost výrobků. Pevnost velkých a tvarově složitých výrobků bývá v průměru malá a vykazuje velké kolísání hodnot u jednotlivých členů souboru. Pevnost malých jednoduchých výrobků bývá větší a kolísání výsledků menší. Tyto rozdíly se vysvětlují především různou obtížností výroby, problémy při chlazení výrobků a pak vznikem vážnějších povrchových závad, které se projevují především u velkých a složitých výrobků. 4. Chemické složení skla. Vliv chemického složení na pevnost skla je poměrně nevýrazný. Je překryt dalšími faktory, které se projevují výrazněji (hlavně kvalita povrchu skla). Možnosti zvýšení mechanické pevnosti Snaha o zvýšení pevnosti skla je tedy snahou o zlepšení kvality jeho povrchu. Lze ho dosáhnout několika způsoby: vytvořením tlakového napětí v povrchové vrstvě; zaoblením povrchových Griffithových trhlinek leptáním HF; opatřením povrchu skla ochrannou vrstvou organické látky (silikony, epoxidová pryskyřice apod.); alespoň částečným snížením křehkosti krystalizací skla. Tlakového napětí v povrchové vrstvě se dosáhne tvrzením výměnou iontů, vytvořením povrchové vrstvy o nižším koeficientu teplotní roztažnosti, apod. 9
1) Zvýšení pevnosti skla pevnosti skla tvrzením. Při prudkém ochlazení povrchu (ponořením vyhřátého předmětu do olejové lázně nebo foukáním vzduchu) se sklo smrští, takže v povrchových vrstvách vznikne tlakové napětí, kdežto ve vnitřních vrstvách tahové napětí. Povrchové trhlinky jsou v tom případě svírány tlakovým napětím a k jejich rozšíření je nejdříve nutno toto napětí překonat. Tím se zvyšuje síla potřebná k rozbití tvrzeného vzorku, a tím i jeho pevnost. Tlaková vrstva na povrchu skla musí být přinejmenším tak tlustá jako nejhlubší trhlinka, jinak celý proces zpěvňování ztrácí význam. Jsou-li trhlinky hlubší než tlaková vrstva, mohou samovolně růst a dojde k tzv. samoexplozi tvrzených předmětů. Tvrzením lze zvýšit pevnost skla čtyřikrát až pětkrát, tj. pevnost v ohybu lze zvýšit ze 70 až 100 MPa na 200 až 300 MPa. (Petrášová H. a kol, 1984) 2) Zvýšení pevnosti skla výměnou iontů Tlakové předpětí v povrchové vrstvě výrobků lze však vyvolat kromě tvrzení i postupy, které se někdy označují jako chemické zpevňování. Lze ho dosáhnout výměnou alkalických iontů: ponoří-li se sklo obsahující Na2O nebo K2O do taveniny lithné soli, nastane výměna kationtů protisměrnou difúzí, a protože Li+ má menší iontový poloměr než Na+ a K+, má povrchová vrstva (o tloušťce asi 0,1 mm) nižší roztažnosti . Při ochlazení se tedy smrští méně než vnitřní vrstvy skla a vzniká v ní tlakové napětí. Výměna se provádí nad dolní chladicí teplotou, neboť při teplotě výměny nemá vzniknout napětí; to se objevuje teprve při ochlazování. Výměnu iontů lze uskutečnit i pod dolní chladicí teplotou, pak je však nutné přivádět do skla kationty většího rozměru (např. K+ z lázně KN03 místo Na+). V tomto případě vzniká tlakové napětí již při teplotě výměny a zůstává zachováno i po ochlazení. Výměna probíhá pod chladicí oblastí velmi pomalu. Výměnou iontů se dosahuje obvykle několikanásobného zvýšení pevnosti, u skel speciálního složení až desetinásobku původní ohybové pevnosti. Rozdělení napětí v chemicky zpevněném skle je zcela odlišné od skla tvrzeného, jak je to znázorněno na obr. 160. Tlakové napětí je pouze v tenké vrstvě; uvnitř stěny je nízké a téměř konstantní tahové napětí. Tohoto způsobu zpevnění lze tedy použít i pro tenkostěnné předměty a pro komplikované tvary, kde tvrzení činí potíže. (Hlaváč J., 1988)
1.1.2 Tvrdost a křehkost skla Jako tvrdost skla se označuje odpor materiálu proti vniknutí jiného předmětu o vyšší tvrdosti. Podle známé mineralogické Mohsovy stupnice tvrdosti leží tvrdost skel v rozmezí stupňů V - apatit a VII - křemen. Toto relativní hodnocení je zcela nevyhovující. V praxi se pro měření tvrdosti skla osvědčila metoda vtisku a brusná tvrdost. Mikrotvrdost. Nejčastěji se používá mikrotvrdost podle Vickerse. Tato metoda je založena na vtiskování čtvercové diamantové pyramidy do vyleštěného vzorku při zatížení obvykle 50 až 100 kg. Hodnota tvrdosti je pak dána podílem použitého zatížení F a povrchu vtisku S: Hodnoty mikrotvrdosti skel kolísají v rozmezí 2500 až 7000 MPa. Brusná tvrdost. Mírou brusné tvrdosti je množství skla odbroušeného volným nebo i vázaným brusivem za konstantních, přesně definovaných podmínek (při určité rychlosti otáčení brousicího kotouče za konstantního tlaku po proběhnutí určité dráhy a
10
při použití standardního brusiva určité zrnitosti). Jako brusivo se obvykle používá smirek (odrůda korundu, AI2O3) nebo diamantový prášek a někdy i křemičitý písek. Velmi záleží nejen na zrnitosti, ale i na ostrosti hran brusných zrn. Existuje několik metod, jejichž výsledky nelze dobře srovnávat. Tím méně lze pak srovnávat výsledky brusné tvrdosti s mikrotvrdosti. Pružnost skla Sklo za normální teploty patří mezi pružné látky, takže přestane-li působit vnější namáhání, deformace vymizí a vzorek se vrátí do původního stavu. U kovů se menší namáhání projevuje pružnou deformací, při větším namáhání dojde k plastické (nevratné) deformaci a teprve pak se vzorek poruší. Skla se na rozdíl od kovů poruší již při pružné deformaci, takže plastická deformace za pokojové teploty vůbec nenastává. Pružnost skel nejlépe charakterizuje Youngův modul. Vztah mezi napětím a deformací v jednoduché formě je dán tzv. Hookeovým zákonem. = Rov. 1 Hookeoův zákon
Kde konstantou úměrnosti je Youngův modul pružnosti E. Podle chemického složení se Youngův modul pružnosti E skel může měnit v rozmezí 48 000 až 83 000 MPa. Alkálie snižují hodnotu E, kdežto ostatní modifikující oxidy MgO, ZnO, BaO, PbO a AÍ2O3 při záměně za SÍO2 ji zvyšují. Nejvíce ji zvyšují CaO a B2O3. U tvrzených skel je hodnota E o 8 až 12 % nižší než u dobře chlazených skel. Modul E je důležitou materiálovou konstantou potřebnou při výpočtech pevnosti a výpočtech chladicích postupů. Křehkost skla Křehkost je charakteristickou vlastností skla a vyjadřuje odpor proti dynamickému zatížení (nárazu). K jejímu určení se užívají nárazové zkoušky (pouštění kuličky na sklo nebo náraz kyvadlového kladiva). Přitom se sleduje, kolik energie je vzorek schopen pohltit v elastické formě (bez porušení) a kolik energie pohltí při porušení. Odpor skla proti nárazu lze charakterizovat prací potřebnou k rozrušení standardních vzorků. Ukázalo se, že křehkost závisí značně na rozměrech a velikosti vzorků, především na jejich tloušťce, a na rychlosti nárazu. S rostoucí tloušťkou se křehkost zmenšuje, kdežto se zvyšující se rychlostí nárazu se křehkost zvyšuje; s teplotou klesá. (Petrášová H. a kol, 1984,)
1.2 Tepelné vlastnosti 1.2.1 Teplotní roztažnost skla Pojem teplotní roztažnosti a její význam V tuhé látce vibrují jednotlivé částice strukturní mřížky (atomy, molekuly) kolem svých rovnovážných poloh. Přívodem tepelné energie se zvětšuje vibrace částic i vzdálenost mezi nimi a v důsledku toho se zvětšuje i celkový objem tělesa. Obecně lze říci, že čím pevněji jsou částice v látce vázány, tím méně se s teplotou mění vzdálenosti mezi jejich rovnovážnými polohami. Proto se stoupajícím bodem tání klesá teplotní roztažnost kovů i nekovů; křemenné sklo s velmi pevnými vazbami má například nejen
11
vyšší teplotu měknutí, ale i nižší teplotní roztažnost než běžná sodnovápenatokřemičitá skla. (Petrášová H. a kol, 1984,) Prvořadý význam z tepelných vlastností má teplotní roztažnost, v hovorové mluvě často označována jako dilatace. U výrobků se projevuje nepříznivě objemovými změnami odměrných nádob nebo přístrojových součástí. Závisí na ní podstatně také odolnost vůči teplotním rázům. Vhodná roztažnost je nutnou podmínkou při spojování skla s jiným sklem, kovem či keramikou. Definice a jednotka teplotní roztažnosti Mírou délkových teplotních změn je s o u č i n i t e l d é l k o v é t e p l o t n í r o z t a ž n o s t i , který udává infinitezimální změnu délky tělesa d l , vztaženou na jeho počáteční délku l, která nastane při infinitezimální změně teploty dT Teplotní roztažnost skla se vyjadřuje koeficientem délkové roztažnosti ; pak je koeficient objemové roztažnosti = 3. . Obvykle se rozlišuje pravý a střední koeficient, kdy první se vztahuje k určité teplotě a druhý k širšímu rozmezí teplot: = .
α
∆
ř
= . ∆
(oC-1), nebo (K-1 )
Rov. 2. Koeficient pravé a střední délkové roztažnosti
kde l je délka vzorku. V technické literatuře se udává nejčastěji α ř pro teplotní rozmezí 20 až 300 oC , kdy se rozměr vzorku skla mění s teplotou téměř lineárně, takže rozdíl mezi pravým a středním a není velký. Např. u boritokřemičitého skla
Obr. 1 Dilatační křivka skla. Plná čára - vychlazené sklo, čárkovaná - sklo s vnitřním napětím. (Hlaváč 1988)
je 2o-3oo = 46,7 10-7,zatímco při krajních teplotách je 2o = 43,3 10-7a 300 = 50,6.10-7 . Jednotkou součinitele délkové teplotní roztažnosti je teplotní stupeň na -1 K měření teplotní roztažnosti skla se používá dilatometrů s přímou indikací prodloužení nebo diferenčních. Vzorky mají obvykle tvar tyčinky dlouhé několik centimetrů. Z dilatometrických měření získáváme dilatační křivku (dilatogram), jejíž spodní rovná část slouží k výpočtu koeficientu roztažnost. Pokud je provedeno měření v širším teplotním intervalu do vyšších teplot, lze získat celý průběh dilatační křivky (viz. obr. 1). a z ní pak vyhodnotit také údaje T g a teploty deformace. Na obrázku 1 je současně vyznačen i způsob geometrického stanovení Tg transformační teploty a dilatometrického bodu měknutí Td:
12
1) transformační teplota (Tg), které odpovídá viskozita 10 13,1 dPas a leží přibližně uprostřed transformačního intervalu a je určena jako průsečík dilatační křivky a osy úhlu sevřeného jejími tečnami. 2) dilatometrická teplota deformace (Td) odpovídá viskozitě 1011,2 dPas, která je definována ohybem dilatační křivky a leží u většiny skel 30oC nad teplotou transformační. Je to teplota, při níž se výrobek začíná deformovat vlastní vahou. Tato teplota nesmí být při chlazení překročena, protože by se výrobek okamžitě zdeformoval. (Staněk J., 1976) Měří-li se dilatace na vzorku skla s vnitřním napětím, objeví se na dilatační křivce (vyznačena čárkovaně) pod teplotou T g nepravidelný průběh, protože při relaxaci napětí v oblasti chladicích teplot vzrůstá hustota skla, a tím se zmenšuje rozměr vzorku; tento efekt může zčásti nebo úplně kompenzovat teplotní roztažnost. Teplotní roztažnost je silně závislá na složení skla; roztažnost nejvíce zvětšují alkalické oxidy, zmenšuje ji hlavně Si02. Hodnota součinitele délkové teplotní roztažnosti skla závisí na jeho struktuře: čím hutnější je strukturní mřížka, tím nižší -6 roztažnost má sklo. Nejnižší roztažnost má křemenné sklo, K-1. 2o-3oo = 0,6 10 Nejvyšší roztažnost mají skla obsahující hodně alkálií; sodnodraselný křišťál (viz Tab. 1) 2o-3oo= 9,4 . 10-6 K-1. Prvky, které mohou v mřížce zastupovat křemík (např. P, B, AI), zvyšují roztažnost nejméně, prvky ve druhém oxidačním stupni (Ca, Ba, Pb, Mg, Zn) zvyšují roztažnost více a alkalické prvky (Li, Na, K) nejvíce. (Petrášová H. a kol, 1984) Druh skla
-7 20-300oC.10
[K -1] 90—96
Český křišťál (sodnodraselný) Olovnaté sklo -(50% PbO) Ploché a obalové sklo 80—90 Unihost 98 Teploměrové sklo PN 82 Simax (Pyrex) 33 Sklo E (Eutal) 52 Křemenné sklo 6,7
Tepelná Měrné Hustota vodivost teplo při 20oC o při 20 C 20 až 300oC [Wcm-1K-1][Jg-1K-1] [g cm-3 ] 2,50
1,52
0,0071
3,80
1,64
0,0096 - 0,977
2,50 2,49 2,61 2,23 2,68 2,20
1,51 1,52
0,0105 0,0138 0,887
Index lomu nD
1,47 1,458
Tab. 1 Fyzikální vlastnosti průmyslových skel (Hlaváč J., 1988)
Hodnotu l ze pro dané sklo s dobrou přesností vypočítat pomocí aditivních faktorů a podobně se získají i další tepelné vlastnosti (viz Volf, 1984). Jejich hodnoty pro některá průmyslová skla uvádí Tab. 1. Aditivní výpočet roztažnosti skla podle Englishe a Turnera Je založen na váhových procentech. Roztažnost počítáme podle aditivní rovnice, kde a je hmotnostní procento oxidů ve skle, ∝ . 107 = ∝f1 + ∝2f2 + ∝3f3 +............+n∝fn = Σ if∝i Rov. 3 aditivní rovnice pro výpočet
fi – příslušný aditivní faktor určující podíl roztažnosti připadající na 1 % daného oxidu. 13
Tab. 2 Aditivní faktory Englishe a Turnera
Aditivní faktory Englishe a Turnera platí pro teplotní rozsah 0 až 100 °C. Na rozsah 20 až 300 °C, ve kterém vyjadřujeme ∝ u nás, převedeme aditivní výpočet násobením číslem 1,08. Aditivní faktory jsou uvedeny v Tab. 2. Větší odchylkou hodnot vypočtených od měřených jsou zatíženy výpočty pro boritokřemičitá skla. (Volf M. B., 1968) Odolnosti proti teplotnímu rázu Odolnost k teplotnímu rázu je schopnost materiálu bez porušení odolávat náhlým výkyvům teploty značného rozsahu, prudkému nárazovému ohřátí, prudkému, třebas jen místnímu ochlazení apod. Sklo beze sporu patří k materiálům, které nemají příliš velkou odolnost k teplotnímu rázu. Vzhledem k tomu, že sklo má poměrně malou tepelnou vodivost, vzniká i při rovnoměrném zahřívání nebo ochlazování skla značný teplotní gradient napříč jeho stěnou. Změna teploty vyvolává ve skle vzápětí i adekvátní změnu objemu danou teplotní roztažností skla v příslušném rozsahu teplot. Jestliže je ve skle gradient teplotní, musel by vzniknout i gradient délek, což však není možné, když se sklo již chová jako pevná látka. Ve skle tedy vznikne mechanické namáhání mezi teplými a studenějšími místy, tzv. vnitřní napětí. Teplejší vrstvy by se roztahovaly více, chladnější vrstvy tomu brání. V teplejších vrstvách je proto napětí tlakové, v studených naopak tahové. Velikost napětí v každém místě odpovídá gradientu teploty, plynule přechází jedno v druhé přes neutrální pásmo (zóna bez napětí). Překročí-li vnitřní napětí třebas jen v jediném místě pevnost skla, sklo praskne. Povrch skla má sníženou pevnost, neboť je narušen různými trhlinkami. O tom, zda sklo praskne, rozhodne tedy hlavně velikost a druh napětí na povrchu skla. Protože pevnost skla v tahu je podstatně menší než pevnost v tlaku, praskne sklo především působením tahového napětí na povrchu. Povrchové vrstvy jsou při zahřívání namáhány tlakem, vnitřní tahem. Při ochlazování je tomu naopak, tahové napětí je na povrchu a sklo snadno praská. Při zahřívání nebo ochlazování konstantní rychlostí se ve skle ustálí pravidelné rozložení vnitřního napětí, jehož velikost lze vypočíst. Odolnost k teplotnímu rázu ovlivňuje řada fyzikálních vlastností skla. Jejich hodnoty závisí na chemickém složení skla, nejvíce, Nejmenší vnitřní napětí vzniká tedy ve sklech s malou teplotní roztažnosti. Taková skla dobře snášejí i větší teplotní
14
změny, a proto se hodí na laboratorní přístroje a nádobí i na varné sklo pro domácnost apod. Přibližně lze odolnost k teplotnímu rázu vyjádřit u běžných skel (po stažení méně proměnlivých vlastností do konstanty) vztahem ∆ =
.
Rov. 4 Výpočet odolnosti k teplotnímu rázu
kde ∆ je teplotní odolnost pro tloušťku stěny 1 mm (K) a délkové teplotní roztažnosti (K-1).
2o-3oo
— součinitel
Zvýšení odolnosti proti teplotnímu rázu lze dosáhnout bez úpravy chemického složení skla především zlepšením jakosti povrchu (zapalované sklo) a zvýšením mechanické pevnosti (tvrzení skla), u výrobků i úpravou tvaru a zmenšením tloušťky stěny. Provozní kontrola teplotní roztažnosti V provozech, ve kterých spojujeme za žáru sklo s jiným sklem nebo jiným materiálem, kontrolujeme soustavně jeho teplotní roztažnost. Při stavení dvou různých skel vznikne ve spoji napětí, jehož velikost závisí na rozdílu fyzikálních vlastností obou skel. I když je rozdíl teplotní roztažnosti obou skel nejdůležitější příčinou vzniku napětí ve svaru, není příčinou jedinou. Nadto nutno mít na paměti, že musíme počítat s celkovým rozdílem roztažnosti od teploty spojení (tzv. bod nasazení) až do teploty okolí, a ne pouze se středním součinitelem délkové teplotní roztažnosti 20-300. Než se běžně začala měřit roztažnost skla na dilatometrech, kontrolovala se v hutích stavitelnost (kompatibilita) skel prstencovou zkouškou nebo metodou dvojné nitě. Žádná z těchto metod nemůže sice co do přesnosti stanovení hodnoty ani zdaleka konkurovat moderním dilatometrům, ale pro posouzení vlastní stavitelnosti dvou skel tyto metody poskytnou velmi užitečné informace. Prstencová zkouška Užívá se dodnes při výrobě vrstvených (přejímaných a podjímaných) skel. Sklář nafoukne na počátku díla vrstvený válec z obou skel o průměru asi cca 10 cm (tenčí, barevná nebo opálová vrstva tvoří vnitřní povrch válce) a v chladicí peci jej vychladí. Z vychlazeného válce se opukne prstenec výšky asi 2,5 cm a příčně se rozřízne. Podle roztažnosti obou použitých skel mohou nastat tři případy: a) prstenec se otevře: ve vnější vrstvě vzniklo tahové, ve vnitřní vrstvě tlakové napětí, tj. vnější sklo má větší roztažnost než vnitřní; b)
prstenec v řezu přiléhá, mezi skly nevzniklo žádné napětí, obě skla mají stejné α
c) prstenec se v řezu svírá (konce se při vybočení přesunou před sebe): ve vnější vrstvě vzniklo tlakové, ve vnitřní vrstvě tahové napětí, tj. vnější sklo má menší roztažnost α než vnitřní α. (Petrášová H. a kol., 1984)
15
Obr. 2. Prstencová zkouška
(Volf M. B., 1968)
Řezné plochy
Roztažnost vrstva vnější
Napětí vrstva
vnitřní
vnější
vnitřní
a)
α větší
α menší
otevírají se
tahové
tlakové
b)
α stejná
α stejná
přiléhají
žádné
žádné
c)
α menší
α větší
svírají se
tlakové
tahové
Tab. 3 Prstencová zkouška
Z uvedených případů je nejméně příznivý prvý (na vnější straně je tah), kdežto v třetím případu tlačí vnější vrstva na vnitřní, což zlepšuje mechanickou pevnost. Aby bylo možno porovnat zkoušku za delší období, je třeba zachovávat stejný poloměr prstence (válec nutno foukat vždy do stejné formy) a zachovávat stejnou tloušťku vrstev. (Volf M. B., 1968) Niťová zkouška (metoda dvojné nitě). Tyčinky ze dvou různých skel (obvykle jedno z nich je srovnávací standard, druhé je sklo srovnávané) se přiloží podélně k sobě, staví a vytáhnou do nitě. Tyto operace nutno provést tak, aby z obou paralelních vrstev byla vytvořena nit stejné tloušťky, aniž dojde k překroucení vrstev do spirály. Během chladnutí se sklo, jež má větší roztažnost, smrští více než sklo s menší roztažnosti a nit se prohne do oblouku. Sklo s větší teplotní roztažností bude na vnitřní straně oblouku Tuto zkoušku lze dokonce použít pro semikvantitativní určení součinitele délkové teplotní roztažnosti skla, když se s týmž standardem o známém provedou niťové zkoušky s několika vzorky skla, které mají různé, ale z dilatometrického měření známe . Z těchto skel a standardu se připraví dvojité nitě vždy stejné délky (třeba 100 mm) a stejné tloušťky a položením na milimetrový papír se změří výška oblouku v
16
milimetrech. Vynesením změřených výšek oblouku v mm proti vypočteným rozdílům skel a standardu vytvoříme cejchovní graf. Jeho pomocí pak můžeme vyhodnocovat rozdíly jiných skel a standardu, známe-li výšku oblouku jejich dvojnitě s ním. (Petrášová H. a kol., 1984)
1.2.2 Tepelná vodivost a měrná tepelná kapacita Tepelná vodivost (kondukce) je vlastnost látky umožňující šíření tepla vedením, kdy se energie přenáší mikroskopickými srážkami elektronů nebo molekul. Tento mechanismus je možný pouze u pevných látek. Teplo se šíří vždy z místa o vyšší teplotě do míst o nižší teplotě. V případě ustálených podmínek vedení tepla je možné vyjádřit vztah mezi jednotlivými veličinami Fourierovým zákonem, který udává pro tepelný tok Q, což je množství tepla za čas [W] , [J/s]: Q
-
Rov. 5 Fourierův zákon
- součinitel tepelné vodivosti [W/mK] – teplotní spád (gradient), rozdíl teplot dT [K] na délce dx [m] S – plocha, na které dochází k tepelnému toku [m2] Znaménko mínus proto, že tepelný tok směřuješ od vyšší teploty k nižší. Sklo patří mezi látky s malou tepelnou vodivostí, viz Tab. 1, kde je udávána v jednotkách [Wcm-1K-1], které jsou 100 krát větší. kovů je řádově vyšší. Nejlepšími vodiči tepla jsou kovy, nejlepšími isolanty plyny. Látka [W/mK]
vzduch 0,024
voda 0,551
měď stříbro 390 420
okenní sklo 0,90
simax 1,04
Tepelná vodivost se za nízkých teplot, kdy se ještě neuplatňuje radiační šíření tepla, mění s teplotou poměrně málo; o 0,0004 až 0,0020 W (cm K)_1 při vzestupu teploty z 0 °C na 100 °C. Vliv chemického složení skla na tepelnou vodivost není příliš výrazný. Podobně je tomu i u měrného tepla. Sklo se používá k tepelným isolacím v podobě skleněné vaty nebo pěnového skla. Při náhlé změně teploty vzniká ve skle teplotní spád, který je příčinou vnitřního napětí. Toho se využívá při opukávání výrobků, ale současně je také důvodem ke chlazení skla.
Měrná tepelná kapacita (dříve též označovaná jako měrné teplo) Je dána množstvím tepla Q, které pohltí dané těleso o hmotnosti m, při zvýšení jeho teploty z hodnoty T1 na teplotu T2. c = " ∆!
[J/kg K]
Rov. 6. Měrná tepelná kapacita
Tepelná vodivost a měrná tepelná kapacita jsou důležitými veličinami při tepelně technických výpočtech, a proto mají zvláště velký význam hodnoty těchto vlastností za vysokých teplot. Za nízkých teplot se tepelné vlastnosti podílejí na tzv. tepelné odolnosti, tj. odolnosti proti teplotnímu rázu, jež se vyjadřuje maximálním rozdílem teplot, který skleněný výrobek snese při definovaném způsobu náhlého ochlazení bez porušení lomem.
17
Shrnutí O mechanických vlastnostech skla rozhoduje zejména pevnost v tahu, proto má pro jejich hodnoty význam především kvalita povrchu. Jeho úpravou lze dosáhnout jejich zlepšení. Při tvarování a praktickém používání skla má z tepelných vlastností největší význam teplotní roztažnost, která se uplatňuje při výrobě kombinovaných (vrstvených) skel a má rozhodující vliv na odolnost skla proti teplotním změnám. Pojmy k zapamatování • • • • • • •
Pevnost skla Stárnutí skla Tvrdost a brusná tvrdost skla Teplotní roztažnost skla Odolnost proti teplotnímu rázu Tepelná vodivost Měrná tepelná kapacita
Kontrolní otázky 1. Co je rozhodující pro pevnost skla a čím ji lze zvýšit? 2. Jak se hodnot tvrdost skla? 3. Které vztažné viskozitní body lze vyhodnotit z dilatační křivky? 4. Proč souvisí odolnost skla k teplotním změnám s jeho teplotní roztažností?
18
2 Vlastnosti skla II Studijní cíle: Sudující se seznámí s vlastnostmi důležitými pro praktické uplatnění skla ve výtvarném i technickém směru. Kapitola informuje o základních vlastnostech optických, elektrických a chemických. Klíčová slova: Index lomu, barevný rozptyl neboli disperze, odraz (reflexe) světla, propustnost světla, absorpce, dvojlom, dráhový rozdíl, elektrická vodivost, permitivita, chemická odolnost, hydrolytická odolnost skla, Potřebný čas: 2 hodiny
2.1.1 Optické vlastnosti Pro použití v optických systémech jsou nejdůležitějšími vlastnostmi index lomu a disperze. Index lomu je definován vztahem n=
#$ % &'()
Rov. 7. Index lomu
kde a-*-jsou úhly dopadu a lomu světla. Index lomu závisí nejen na složení skla, ale také na vlnové délce dopadajícího světla. Proto se bílé světlo při průchodu hranolem rozkládá na spojité barevné spektrum; tento jev se nazývá barevný rozptyl neboli disperze. Index lomu musí být vztažen na určitou vlnovou délku. Obvykle jsou to spektrální čáry d (587,6 nm), D (589,3 nm), G (656,3 nm) a F (486,1 nm), jež lze snadno získat z vhodných světelných zdrojů. Index lomu se udává nejčastěji pro vlnovou délku čáry d a označuje se nd . Disperze se udává veličinami, jež se zjistí z rozdílů indexů lomu při různých vlnových délkách. Nejčastěji se používá střední disperze (nF — nC) a Abbeho číslo + (
, = ( -. 0( /
1
Rov. 8 Abbeho číslo
Hodnoty indexu lomu jsou u pevných oxidů v mezích 1,3 až 2,7; u silikátových skel se pohybují mezi 1,5 až 1,9 a u speciálních skel se dosahuje mezních hodnot 1,35 až 2,25. Abbeho číslo nabývá hodnot mezi 20 až 100. Běžná sodnovápenatá a boritokřemičitá skla mají nD = 1,48 až 1,53 a + = 58 až 70. Z běžných složek zvyšují index lomu nejvíce PbO a BaO. Disperze obvykle vzrůstá souběžně s indexem lomu. Lom světla a disperze se prakticky uplatňují zejména u skel pro optické součástky, ale také u skla dekoračního a uměleckého. Vysoký index lomu dodává sklu větší lesk, u broušeného křišťálu se uplatňuje i disperze. Odraz (reflexe) světla. Při dopadu světla na skleněnou plochu se ho část odráží, část se absorbuje ve hmotě skla, zbytek po odrazu na druhém povrchu vystupuje ze skla ven. Při kolmém dopadu světla na sklo je podíl odraženého světla dán podle Fresnela poměrem R=
(( 0 ((5
)4 )4
Rov. 9 odrazivost světla při kolmém dopadu
19
a pro n = 1,5 až 1,9 činí tento podíl 4 až 10%, na obou površích přibližně dvojnásobek. Při šikmém dopadu podíl odraženého světla silně vzrůstá. Odrazivost stoupá s rostoucím indexem lomu. Při šikmém dopadu podíl odraženého světla silně vzrůstá Propustnost světla. Kvantitativním měřítkem schopnosti skleněného tělesa propouštět světlo je transmitance T (činitel prostupu, poměrná propustnost) 6
= 6
7
Rov. 10 Propustnost světla
kde 8o je světelný tok na těleso dopadající a 8 a z něho vystupující. Absorpce. Část světelného záření se na povrchu odráží, větší vstupuje do tělesa a v něm se zčásti absorbuje. Poměr světelného toku do tělesa vstupujícího (po odrazu) a z něj vystupujícího se nazývá vnitřní transmitance ti (činitel vnitřního prostupu). Měřítkem absorpce (pohlcení) je absorbance (vnitřní optická hustota, extinkce). A= - log Ti Rov. 11 Absorbance
Obr. 3 Světelná propustnost a odraz (reflexe) tabulového skla (Becker a Schiller, 1973) (Hlaváč 1988)
Hodnoty propustnosti a absorpce je nutno vztahovat na příslušné vlnové délky. Vyneseme-li do diagramu závislost propustnosti nebo absorpčního koeficientu na vlnové délce, dostáváme charakteristické křivky, jež vystihují zbarvení skla. Propustnost běžného sodnovápenatého skla v širokém rozmezí uvádí Obr. 3, v němž je zakreslena v závislosti na vlnové délce také reflexe (odraz) a vyznačena oblast citlivosti lidského oka (450 až 700 nm). Reflexe zde dosahuje maxima asi 8%, propustnost kolem 83%. Zbytek záření do 100% (9 až 18%) se absorbuje. Z obrázku je zřejmé, že běžné tabulové sklo propouští také značné množství záření v infračervené oblasti (tepelného) do vlnové délky kolem 2 800 nm. Přímé sluneční záření pak způsobuje známé silné přehřátí zasklených vnitřních prostorů (dopravních prostředků i budov). Lze tomu zamezit posunutím absorpční hrany k nižší vlnové délce. Silnou absorpci tohoto druhu (zhruba od 1 000 nm) způsobuje FeO a také jeho kombinace s jinými barvivy (Ni, Se, Cu). Na tom je založena výroba tzv. determálních skel, jež 20
zachycují tepelnou složku záření a přitom dobře propouštějí světlo; mají pouze mírné modrozelené, šedé nebo bronzové zbarvení. Nevýhodou však je značné ohřátí celé hmoty skla, a proto se nově zavádí výroba skel opatřených tenkými vrstvami oxidovými nebo i kovovými, jež způsobují reflexi a absorpci v tenké povrchové vrstvě. Současně snižují i propustnost ve viditelné oblasti, jež se tak může regulovat v mezích 30 až 85%. Ultrafialové záření propouští dobře čisté křemenné sklo (asi do 150 nm), speciální sklo s nízkým obsahem barvicích oxidů zvané uviolové, dále skla fluoridová a fosforečná. Běžná skla propouštějí ultrafialové záření podle obsahu Fe203, který způsobuje v této oblasti silnou absorpci. Podobně působí i Ti02, Ce02 a V205. Záření X propouští sklo soustavy Li20-Be0-B203, jež se používá v rentgenové technice. Záření X - rentgenové i 9 − ;<""< absorbují skla obsahující větší množství prvků s vysokým atomovým číslem (PbO, BaO). Absorpci hmotného záření, zvláště neutronů, mají skla, jež obsahují jako účinné složky CdO a B203. Absorbované záření elektromagnetické i hmotné se přeměňuje v teplo. Může způsobit také vznik strukturních vad a barevných center. Tohoto jevu se využívá u tzv. fotochemických skel.
Průvodce studiem Fotochromická skla – skla, která se zbarvují účinkem záření o vhodné vlnové délce. Jestliže se záření přeruší, zbarvení zmizí. Uplatňují se jako protisluneční brýlová skla. (Hlaváč J., 1988) K optickým vlastnostem skla, jež je v podstatě izotropní, přistupuje dvojlom v případě, že sklo je pod vnějším nebo vnitřním napětím. Tohoto jevu se využívá při kontrole chlazení a tvrzení skla. Při dopadu světla pod úhlem odlišným od směru optické osy (napětí) se rychlost šíření světla pro různé roviny kmitání liší. Vzniká pak dráhový rozdíl , úměrný tloušťce vzorku = a rozdílu rychlostí, tedy i velikosti napětí >. Mezi těmito veličinami platí vztah: ∆= ? = (
−
@)
Rov. 12 Dráhový rozdíl mezi dvěma parsky polarizovaného světla vznikající při průchodu sklem s vnitřním napětím
kde ( − @ ) je rozdíl hlavních napětí a B — fotoelastická konstanta, jež má u alkalickovápenatých skel hodnotu 25. 10-7, u boritokřemičitých skel 30 až 36. 10-7 MPa-1 a u průmyslových skel nevybočuje (až na zcela ojedinělé výjimky) z rozmezí 7 až 50 x 10-7 MPa-1. K praktickému měření dvojlomu se používají polarizační přístroje. Sklo se vkládá mezi polarizátor a analyzátor, jež jsou nastaveny tak, aby jejich polarizační roviny byly na sebe kolmé. Sklo s napětím vyvolá dvojlom, a tím i dráhový rozdíl, který se projeví interferencí a rozjasněním původně tmavého zorného pole. Při větším dráhovém rozdílu (nad 275 nm) se objeví interferenční barvy, jež lze vyvolat i při menších napětích vložením přídavné zpožďovací destičky. Z barevných změn lze pak určit přibližně velikost a směr napětí. Přesně se dráhový rozdíl měří pomocí kompenzátorů v přístrojích zvaných polarimetry (viz Schill a kol., 1968). (Hlaváč J., 1988) Pozn. Chlazení skla a kontrola vnitřního napětí je podrobně pojednána v kapitole č 3 a. č. 4 TZS2.
21
2.2 Elektrické vlastnosti Tyto vlastnosti skel jsou významné při z hlediska využití skel pro elektroizolační účely a při elektrickém tavení skla.
2.2.1 Elektrická vodivost Elektrická vodivost G je schopnost materiálu vést elektrický proud (jednotka je 1 S, tj. siemens). Její reciproká hodnota je elektrický odpor R (jednotka 1 A — ohm), takže platí: G= B 1S = C Rov. 13 Elekrická vodivost
Měrná elektrická vodivost skla D se udává jako vodivost krychle skla o hraně 1 cm, měřená mezi dvěma elektrodami přiloženými k protilehlým stranám a výsledná hodnota se vyjadřuje v S cm-1. Obdobně měrný odpor E je odpor stejné jednotkové krychle materiálu a udává se v cm. V zásadě rozeznáváme dva druhy elektrické vodivosti: 1) Vodivost bez transportu hmoty, tzv. elektronovou, která je typická především pro kovy. Vyskytuje se však také u některých speciálních druhů skel a keramických hmot. 2) Vodivost s transportem hmoty, tzv. iontovou nebo elektrolytickou, která se vyskytuje u roztoků elektrolytů a u tavenin iontových krystalů. Velká většina běžných skel, především alkalických, a zřejmě též četná skla bezalkalická jsou iontovými vodiči. Nejčastějšími nositeli proudu jsou ionty Na+. U řady bezalkalických oxidových skel vedou elektrický proud kationty kovů v oxidačním čísle 2 (např. ionty Pb2+, Ba2+). Naproti tomu ve všech chalkogenidových sklech (skla na bázi S, Se, Te s přísadou prvků V. skupiny — P, As, Sb, Bi, resp. IV. skupiny — Si, Ge) a v četných oxidových sklech obsahujících značné množství přechodných prvků v různém oxidačním čísle, převládá elektronová vodivost, a to i když tato skla obsahují větší podíl alkálií. Elektrickou vodivost skel nejvíce ovlivňuje složení skla a teplota. Za nízkých teplot jsou skla dobrými isolanty (měrný odpor 1019 ΩGH ) zatímco za vysokých teplot vedou poměrně dobře elektrický proud (měrný odpor 1. ΩGH). Na iontové vodivosti se nejvíce podílejí ionty nejslaběji vázané ve skelné síti, především ionty Na+, které jsou nejpohyblivější. Účast dalších iontů na vodivosti není vyloučena, je však obvykle zanedbatelná. Dielektrické ztráty se podílejí na vzniku tepla přímo ve sklovině při průchodu elektrického proudu. Toho se využívá při elektrickém tavení skla. (Petrášová H. a kol., 1984)
2.2.2 Permitivita Permitivita je veličina, která souvisí s polarizací (atomovou, iontovou) dielektrika pod vlivem vnějšího elektrického pole. Je definována jako poměr kapacity kondenzátoru se zkušeným dielektrikem Cx ( sklem) a s dielektrikem vakuovým C0: I
= I
Rov. 14 Permitivita
22
Hodnota závisí na chemickém složení skla, na teplotě (díky zvýšené pohyblivosti kationtů). (Staněk J., 1976) Permitivita skel se pohybuje v mezích od 3,7 do 16,3. První hodnota přísluší křemennému sklu, druhá sklu s obsahem 80 hmot. % PbO a 20% SiO2. Běžné sodnovápenaté sklo má = 7,2 (Hlaváč J., 1988) Permitivita je vlastnost sledovaná u skla pro výrobu isolátorů a kondenzátorů. Nízká permitivita je požadována u kondenzátorů, naopak vysoká u vysokofrekvenčních isolátorů.
2.3 Chemická odolnost Křemičitá skla se vyznačují schopností odolávat koroznímu působení ovzduší, vody a vodných roztoků i různých reagencií. Obecně odolávají lépe prostředí kyselému než alkalickému. Chemická odolnost však závisí značně na složení skla; při nevhodném složeni sklo již působením ovzduší, hlavně vlhkosti, ztrácí lesk a potáhne se šedobílým povlakem. V mnoha případech je chemická odolnost hlavním kritériem při volbě vhodného materiálu. Prvořadý význam má koroze skla vodou a vodnými roztoky; malé množství rozkladných produktů převedených do roztoku může mít škodlivý účinek, i když vzhled a vlastnosti samotného skla zůstávají zachovány (např. u obalového skla pro potraviny, skla pro kapalná léčiva, injekční roztoky apod.). (Hlaváč J., 1988) Skla se rozpouštějí se pouze v kyselině fluorovodíkové. Silně je napadají roztoky hydrogenfluoridů a kyselina fosforečná. Za zvýšené teploty je však každé sklo v různém stupni napadeno nejrůznějšími chemickými činidly. Rozeznáváme proto chemickou odolnost proti vodě, proti kyselinám, proti hydroxidům, proti vlhkosti apod.
2.3.1 Působení kyselých roztoků V kyselých roztocích jsou vždy přítomny ionty H+, resp. H3O+. Struktura skla je tvořena prostorovou sítí: —Si—O—Si—O—Si-—O—Si— a v dutinách této sítě se nacházejí ionty — modifikátory, např. Na+, Ca2+. Mezi iontem H+a kyselou sítí —Si—O—Si— nedochází k reakci; prostorová síť nemá prakticky možnost pohybu. Naproti tomu modifikující ionty mohou putovat od dutiny k dutině a difundují až k povrchu skla. Na rozhraní sklo/roztok pak dochází k výměně kationtů ze skla za H+ ionty z roztoku. Mluvíme o vyluhování alkálií, protože sklo se o ně přednostně ochuzuje. Tento mechanismus je řízen difúzí, a protože v povrchu stále ubývá alkálií (resp. Ca2+), zvyšuje se tam obsah SiO2 a chemická odolnost uvažovaného povrchu se postupně zlepšuje. Pro rychlost reakce je kromě koncentrace vodíkových iontů rozhodující především teplota, neboť zvyšuje difúzní rychlost. Vliv má i rozpustnost reakčních produktů, které někdy ulpívají na korodovaném povrchu skla jako ochranná vrstvička (BaS04, PbS04) a mohou zpomalovat další účinek kyselin. (Petrášová H. a kol., 1984)
2.3.2 Působení alkalických roztoků Podstatně se liší od působení kyselin, a to jak větším úbytkem skla, tak i složením výluhu. Je to proto, že tento děj se řídí zcela jiným mechanismem. Rozhodující je anion OH-, který v alkalických roztocích převládá a který může reagovat s kyselou skelnou sítí. To lze popsat schematickou rovnicí —Si—O—Si— + OH- = —Si - O- + HO— Si— , 23
z níž je patrno, že dochází k přetrhání vazeb základní skelné sítě. Za vhodných podmínek mohou vzniknout nízkomolekulární anionty kyseliny křemičité, které přecházejí do alkalického roztoku s hydrogensilikáty a hydroxidy kovů a modifikátorů. Sklo se postupně úplně rozpouští a složení výluhu se pak blíží složení původního skla. Rychlost rozpouštění skla je tím větší, čím vyšší je hodnota pH. Koroze alkáliemi je dost značná, proto se zkoušky chemické odolnosti nesmějí provádět ve skleněných nádobách. (Petrášová H. a kol., 1984)
2.3.3 Hydrolytická odolnost skla – odolnost skla proti vodě Poněkud složitější je působení vody na sklo. Z počátku se uplatňuje výměna alkálií ze skla za vodíkové ionty. Jde tedy vyloženě o mechanismus uplatňující se v kyselém prostředí. Tím ovšem dochází k snížení koncentrace iontů H+v roztoku, který se stává alkaličtějším, a počíná se uplatňovat alkalický mechanismus, tj. dochází k trhání vazeb základní sítě a k postupnému pomalému rozpouštění skla. Působení vody je tedy kombinovaný proces. (Petrášová H. a kol., 1984)
2.3.4 Vliv různých faktorů na chemickou odolnost 1) Vliv teploty. Se zvyšující se teplotou se chemická odolnost skel postupně snižuje v každém činidle. Přitom hmotnostní úbytek skla narůstá asi 1,5 krát až 2,5 krát na každých 10 °C. (Při teplotách nad 100°C v autoklávech počínají převládat již složitější korozní procesy.) 2) Vliv doby působení. Pokud jde o vliv doby působení na sklo, je zásadní rozdíl mezi působením kyselin a zásad. Zatímco při korozním působení kyselin vzniká na atakovaném povrchu postupně vysoce křemičitá ochranná vrstvička, která brání dalšímu vyluhování modifikujících iontů ze skla, takže výluh se postupně zmenšuje, zůstává korozní úbytek v alkalickém prostředí prakticky stejný; sklo se totiž rozpouští jako celek a stále se obnažuje čerstvý povrch. 3) Vliv složení skla. Různé složky skla mají na jeho chemickou odolnost různý vliv. Chování k vodě a kyselinám se řídí hlavně tím, zda ve složení skla převládají kyselé složky — síťotvořiče (SÍO2, B2O3 P2O5 apod.) nebo modifikátory (alkálie, oxidy žíravých zemin apod.). Jako nejodolnější se jeví křemenné sklo, které má vynikající odolnost proti vodě i proti kyselinám. Velmi dobrou chemickou odolností se vyznačují boritokřemičitá skla (Pyrex, Simax), pokud se u nich neprojevují příznaky odmísení. U ostatních skel záleží obecně na poměru síťotvořičů a modifikátorů. Čím více přibývá modifikujících oxidů a ubývá síťotvořičů, tím otevřenější je strukturní síť, a tím snadněji se tato skla vyluhují. Převládají-li modifikující oxidy nad síťotvornými, bývá obvykle chemická odolnost skel velmi nízká, neboť dochází často i k částečnému trhání sítě. Podstatný vliv tu má též kombinace a koncentrace zúčastněných oxidů. Obsahuje-li sklo dva alkalické oxidy, je jeho chemická odolnost podstatně vyšší než odolnost obdobného skla obsahujícího jen jeden alkalický oxid ve stejné koncentraci. Menší podíl AI2O3 ve sklech obsahujících alkálie obvykle výrazně zlepšuje chemickou odolnost, neboť AI vstupující do koordinace [AlO4]5- zpevňuje strukturní síť a blokuje část iontů Na+. Při vysokém podílu AI2O3 vneseného do skla však obvykle nastává podstatné snížení chemické odolnosti. Přísady ZrO2, TiO2 a BeO zvyšují odolnost skel proti působení alkálií. Skla na bázi kyseliny fosforečné jsou odolná proti kyselině fluorovodíkové. 4) Vliv chlazení. Je velmi zřetelný, protože tvrzená skla se porušují l,5 krát až 2krát silněji než dobře vychlazená skla. 5) Vliv stavu povrchu. V neutrálním nebo kyselém prostředí se též zřetelně projevuje vliv povrchu. Nejnižší odolnost vykazuje povrch vzniklý čerstvým lomem. Naproti tomu
24
u starších povrchů, na nichž se již vytvořila ochranná povrchová vrstvička, se chemická odolnost zlepšuje. (Petrášová H. a kol., 1984) Shrnutí Sklo je výjimečný materiál zejména pro své optické vlastnosti a díky nim je nezastupitelný v mnoha technických a zejména výtvarných aplikacích. Proto je nezbytné se seznámit s rozhodujícími parametry, kterými jsou optické vlastnosti hodnoceny a kvantifikovány. Elektrické vlastnosti skla jsou významné zejména při jeho výrobě elektrickým tavením, ale též při jeho využití jako elektro i tepelně izolačního materiálu. Pojmy k zapamatování • • • • • • • •
index lomu disperze odraz, reflexe propustnost dráhový rozdíl elektrická vodivost chemická odolnost hydrolytická odolnost
Kontrolní otázky 5. Které jsou nejdůležitější optické vlastnosti skla 6. Co nastává při dopadu světla na skleněnou plochu? 7. Do jaké skupiny z hlediska elektrické vodivosti náleží tavenina skla ? 8. Jakému prostředí odolává sklo lépe, kyselému či alkalickému? 9. Jaký význam má koroze skla vodou?
25
3 Chlazení skla. Studijní cíle: Studující bude schopen vysvětlit proces chlazení skla, jeho účel, princip. Seznámí se základními typy chladících pecí a s principem měření vnitřního pnutí jako s metodou umožňující kontrolu vychlazení skleněných výrobků Klíčová slova: Chlazení skla, chladící interval, dolní chladící teplota, horní chladící teplota, přechodné napětí, trvalé napětí, chladící postup, izotropní látka, polarizované světlo, dvojlom, fotoelastická konstanta, bezpečná hodnota vnitřního napětí, polariskop, polarimetr, dráhový rozdíl, Sénarmontův kompenzátor. Potřebný čas: 2 hodiny
3.1 Chlazení skla a vnitřní napětí Chlazení skla je řízené tepelné zpracování, kterým se ve výrobcích odstraňují nepřípustně velká mechanická napětí (zvaná též vnitřní pnutí), resp. zabraňuje se jejich vzniku. Samovolná relaxace napětí probíhá ve skle viskózním tokem v chladícím intervalu, který je vymezen horní a dolní chladící teplotou: Horní chladící teplota 13,0 (Anealing point) je definována viskozitou 10 dPas a vnitřní napětí se při ní uvolní do 15 min na neškodnou hodnotu Pokud není pro dané sklo k dispozici přesný údaj o viskozitě, lze v krajním případě pro přibližnou teplotu výdrže použít hodnotu Tg z dilatační křivky s připočtením 5 až 10 oC. Dolní chladící teplota (Strain point), kterou dané sklo dosáhne při teplotě odpovídající viskozitě 1014,5 dPas, vnitřní napětí se při ní uvolni asi za 4 hodiny (Hlaváč J., 1988) Chlazení skla je technologický postup tepelného zpracování výrobku, jehož účelem je dosáhnout toho, aby trvalé napětí ve výrobku nepřesáhlo určitou předepsanou výši, nejčastěji odpovídající měrnému dráhovému rozdílu polarizovaného světla 100 nm/cm. Při chlazení se výrobky tepelně zpracovávají podle chladicí křivky navržené tak, aby se jednak odstranilo nepřípustné trvalé vnitřní napětí, jednak nevytvořilo nové a přitom nedošlo k prasknutí výrobku působením přechodného vnitřního napětí v průběhu ochlazování výrobku na pokojovou teplotu případně při vyhřívání na teplotu chlazení.
3.1.1
Druhy vnitřního napětí a příčiny jejich vzniku a chladící interval
Sklo i sklovina zaujímá při různé teplotě různý objem. To souvisí s jeho roztažností (dilataci). Sklo je špatný vodič tepla, proto dochází v něm pouze k pozvolnému dorovnávání teplot. Přechodné napětí: Ochlazujeme-li nebo ohříváme skleněnou desku v oblasti teplot pod dolní chladící teplotou, kdy se chová jako pevné a pružné těleso, vzniká mezi povrchem a vnitřkem desky spád teplot (tzv. teplotní gradient). Protože ale v takovémto tělese nemohou nastat objemové změny (volná expanze nebo kontrakce jejich vrstev) odpovídající příslušnému koeficientu roztažnosti, vznikají v nich mechanická napětí. V tomto případě se jedná o přechodné napětí (tlakové nebo tahové), které existuje pouze po dobu, kdy existuje v tělese rozdíl teplot. Jakmile tento rozdíl pomine, mizí i přechodné napětí. 26
Při oboustranném ochlazování desky je na povrchu tahové napětí a uvnitř tlakové napětí, při ohřívání je tomu opačně. Protože pevnost skleněných předmětů je ohrožena zejména tahovým napětím v povrchové vrstvě, snášejí lépe rychlé ohřátí (na povrchu vzniká tlak) než rychlé ochlazení (na povrchu vzniká tah). Nebezpečí přechodného napětí spočívá v tom, že může při příliš rychlém chladnutí překročit mez pevnosti skla v tahu a tím způsobit lom. Trvalé napětí: Při ochlazování skloviny a skla z teplot vyšších než je Tg, kdy je sklo plastické, a tak je tomu vždy při tvarování, vznikají v něm rovněž teplotní spáry, ale nikoliv napětí. V tomto případě ale teplotní spád vzniklý při ochlazování nevyvolává mechanická napětí, protože ta se ihned vyrovnávají nevratným viskózním tokem. Důsledkem teplotního spádu je pak trvalá deformace. Po skončeném ochlazování se teploty ve výrobku vyrovnají (zmizí teplotní spád), ale ve výrobku vznikne trvalé napětí, které je úměrné vytvořené trvalé deformaci. Nebezpečí trvalého napětí. Může být příčinou lomu výrobku po vyrovnání teplot ve výrobku. Přítomné tahové napětí snižuje konečnou pevnost výrobků a tak je znehodnocuje. Trvalé napětí a chladící interval Při poklesu teplot vzrůstá viskozita skloviny. Při teplotě blížící se viskozitě horní chladící teploty 1013 dPas je viskozita natolik vysoká, že se mechanická napětí vznikající v důsledku rozdílných teplot (a tím i rozdílných hustot) povrchových a vnitřních vrstev skloviny vyrovnávají čím dál pomaleji a sklovina (kapalina) začíná svými vlastnostmi plynule přecházet ve sklo (tuhou látku). Tato přeměna (transformace) je ukončena po dosažení viskozity 1014,5 dPas (dolní chladící teplota) a sklo nabývá vlastností tuhé pružné látky. Mezi těmito chladícími teplotami se viskózním tokem částečně vyrovnávají mechanická napětí mezi povrchem a vnitřkem skla a po jejich ochlazení pod teplotu odpovídající viskozitě 1014,5 dPas dosažený stav "zamrzne" (nastane zpevnění skla) a začnou se vyrovnávat teplotní rozdíly povrchu a vnitřku skla. Od této chvíle začne narůstat na povrchu tlakové a uvnitř tahové napětí, protože se vnitřní vrstvy smršťují ještě i po poté, kdy se teplota povrchu již nemění. Maxima dosáhne napětí po úplném vyrovnání teplot a zůstává ve výrobku jako napětí trvalé. Tahové napětí trvalé se objeví v místech, které byly během ochlazování nejteplejší a tlakové v místech nejrychleji chladnoucích. (Hlaváč J., 1988) Chladicí interval Je to interval teplot mezi horní a dolní chladící teplotou, ve kterém k výše popsanému jevu vzniku trvalého napětí dochází a je v něm možné též takto vznikající napětí eliminovat řízeným tepelným zpracováním, které se nazývá chlazení skla. Chladící interval je vymezen hodnotami viskozit, které jsou určeny především oxidovým složení každého skla, takže i chladící interval je individuální pro každé složení skla. Dále jsou uvedeny hodnoty vztažných viskozitních bodů některých skel:
typ skla
horní chlad. teplota dolní chlad. teplota [co ] 27
[co ]
viskozita bezbarvé obalové sklo zelené obalové sklo sodnodraselný křišťál olovnatý křišťál SIMAX
1013 dPas 542 539 500 453 524
1014,5 dPas 505 497 460 415 473
Tab. 4 Chladící teploty některých skel - Schill F. (1974)
3.1.2 Měření vnitřního napětí Fyzikální východiska pro měření vnitřního napětí V textu jsou používány následující symboly: dráhový rozdíl [nm] X
měrný dráhový rozdíl [nm.cm-1]
L
tloušťka vzorku (délka optické dráhy polarizovaného světla vzorkem) [cm]
B
fotoelastická (Brewsterova) konstanta skla [MPa-1] nebo [nm.cm-1.MPa -1]
>
napětí ve skle [MPa]
no
index lomu řádného paprsku
ne
index lomu mimořádného paprsku
D
dvojlom střední vlnová délka použitého světla (dominantní vlnová délka) [nm]
Sklo má proti většině ostatních látek v pevném stavu (s výjimkou některých průhledných plastů) tu výhodu, že v něm můžeme napětí za určitých podmínek nejenom pozorovat, ale můžeme často přímo určovat jeho velikost a směr. Homogenní sklo bez vnitřního napětí je opticky izotropní látka; má ve všech směrech stejné optické vlastnosti, světlo se v něm šíří všemi směry stejnou rychlostí a index lomu je nezávislý na směru šíření světelného paprsku. Je-li ve skle vnitřní napětí, je sklo opticky anizotropní (nestejnorodé). Vnitřní napětí ve skle je vyvoláno mechanickým napětím, které je důsledkem mechanického namáhání (tahem, tlakem, ohybem), teplotního gradientu, nedokonalého vychlazení, stavením dvou skel o různé teplotní roztažnosti nebo nehomogenitami ve skle (šlíry, kamínky). Napětí může být buď přechodné, nebo trvalé. Přechodné napětí, které lze vyvolat mechanickým namáháním nebo teplotním gradientem mizí, pokud přestanou tyto vlivy působit. Trvalé napětí vzniká špatným vychlazením, nevhodným svarem dvou skel s rozdílným součinitelem délkové teplotní roztažnosti a vlivem nehomogenit. Trvalé napětí, vyvolané teplotním gradientem při vysoké rychlosti ochlazování výrobku, lze odstranit opakovaným chlazením. Napětí, vzniklé nehomogenitami, nelze chlazením odstranit. Přirozené nepolarizované světlo je elektromagnetické vlnění, u něhož směr kmitání ve směru kolmém na šířící se paprsek je neuspořádaný. Jestliže určitým způsobem tyto kmity uspořádáme (selektivní absorpcí nebo odrazem) do jedné roviny, získáme polarizované světlo. Lineárně polarizované světlo kmitá v jedné rovině kmitů kolmých na směr šíření paprsku (v takzvané polarizační rovině). 28
Průchod světla čirým sklem bez napětí je ve všech směrech stejný a šíří se stejnou rychlostí (izotropní chování). Je-li však ve skle vnitřní napětí, stane se látkou dvojlomnou a světelný paprsek se rozdělí na řádný (ordinarius, značený o) a mimořádný (extraordinarius, značený e), které procházejí prostředím různými rychlostmi, jež jsou nepřímo úměrné jejich indexům lomu no a ne.
Obr. 4 Dvojlom světla. (Schill F., Novotný V. Hrdina Z.: Chlazení skla a kontrola pnutí. SNTL, Praha 1968.)
Rozdíl mezi oběma indexy lomu je dvojlom D, který je přímo úměrný vnitřnímu napětí , které jej vyvolalo. Konstantou úměrnosti je fotoelastická (Brewsterova) konstanta B: D= no- ne = B.> Rov. 15 Rovnice dvojlomu a vnitřního napětí
Vlivem rozdílu indexů lomu urazí za stejnou dobu každý z obou paprsků sklem s vnitřním napětím dráhu různé délky. V praxi se tedy měří dráhový rozdíl J obou paprsků, který je přímo úměrný, dvojlomu skla D a délce dráhy paprsku sklem L. Protože je naměřený dráhový rozdíl obou paprsků přímo úměrný tloušťce vzorku, vyjadřujeme napětí při praktickém hodnocení vždy ve formě měrného dráhového rozdílu X: K X=L Rov. 16 výpočet měrného dráhového rozdílu z dráhového rozdílu
jeho jednotkou je [nm.cm-1] Běžná skla dosahují hodnoty fotoelastické konstanty B v rozmezí 2,5 až 2,9 . 10-6 MPa-1 a pro boritokřemičitá skla typu Pyrex (např. Simax) kolem 3,6 . 10-6 MPa -1. Při znalosti fotoelastické konstanty příslušného skla je tak možné v jednoduchých případech ze stanoveného měrného dráhového rozdílu X vypočítat vnitřní napětí ve skleněném výrobku v MPa. 29
(Metodika pro kontrolu vnitřního napětí skleněných výrobků pomocí polarimetrů,, vypracovaná v rámci projektu MPO ČR GLASSCENTRUM, Sklářský ústav s.p., Hradec Králové, 2000)
3.1.3 Bezpečná hodnota vnitřního napětí ve skle. Z hlediska dlouhodobé stability výrobku proti samovolnému prasknutí vlivem trvalého vnitřního napětí je vhodné pro běžné netvrzené sklářské výrobky uvažovat krajní mez pevnosti v ohybu (tahu) pL = 4 MPa. Tato pevnost u běžných skel odpovídá hodnotám polarimetricky zjištěného měrného dráhového rozdílu X kolem 100 nm.cm-1. Pro některé výrobky (například z boritokřemičitého skla) může být tato hodnota o něco vyšší, v žádném případě by však neměla přesahovat hodnotu Xmax = 250 nm.cm-1. Nad touto hodnotou již může dojít (a praxe potvrzuje, že dochází) u části výrobků k samovolnému praskání a byly pozorovány i samovolné lomy ve výrobcích s vnitřním napětím odpovídajícím hodnotám měrného dráhového rozdílu X kolem 200 nm.cm -1. Při dobrém technologickém řízení výroby není problém vychladit převážnou většinu typů výrobků na hodnoty pod X = 100 nm.cm-1. Pomocí polarimetrie je možno spolehlivě měřit měrné dráhové rozdíly až do tloušťky stěny výrobků s = 0,05 cm. Výsledky je možné vyjádřit ve formě střední hodnoty měrného dráhového rozdílu X (zjištěné jako aritmetický průměr nejméně pěti měření v místě s maximálním vnitřním napětím). (Exnar P., Ungrádová L.: Bezpečná hodnota vnitřního napětí ve skleněných výrobcích. Sklář a keramik 47, 1997)
3.1.4 Měření vnitřního napětí Vnitřní napětí ve sklářských výrobcích se kontroluje a měří určováním dráhového rozdílu procházejícího polarizovaného světla v polarizačních přístrojích, které lze rozdělit na polariskopy a polarimetry: 1) Polariskop je přístroj k prohlížení skleněných předmětů v polarizovaném světle, určený pro kvalitativní hodnocení vnitřního napětí, popř. i pro semikvantitativní odhad velikosti vnitřního napětí. Polariskopem lze kontrolovat, zda je vzorek vytvrzený a zda je napětí rozloženo dostatečně rovnoměrně ve výrobku.
Obr. 5 Polariskop VEZ 01
Polariskop VEZ 01 je určen k rychlé provozní kontrole mechanického napětí ve skleněných výrobcích přímo ve výrobě. Přístroj se skládá z polarizátoru a analyzátoru, který je tvořen polarizačním filtrem umístěným v kovovém rámečku s možností nastavení ve svislé rovině. Polarizační filtr je oboustranně chráněn krycím sklem proti mechanickému poškození.
30
Kontrolovaný vzorek skla musí být umístěn mezi polarizátorem a analyzátorem. Je nutno zajistit, aby kontrolovaný vzorek byl osvícen pouze polarizovaným světlem. Přídavné, např. denní osvětlení snižuje efekt rozjasňování skla a tím se znemožňuje určení napětí ve skle. V ideálních podmínkách může být analyzátor vzdálen až 60 cm od prosvětlené plochy polarizátoru. Polariskop se skládá ze světelného zdroje, matnice, polarizátoru a analyzátoru. Polarizátor zajišťuje, aby zkoušeným sklem procházelo jen lineárně polarizované světlo. Polarizátorem je nejčastěji polarizační filtr založený na principu dichroismu, což je vlastnost některých krystalů pohlcovat jeden z obou polarizovaných paprsků. Filtr resp. fólie je vyrobena z vhodně orientovaných a zabarvených makromolekul polyvinylalkoholu. Aby se zabránilo mechanickému poškození, fólie se zatmelí mezi dvě desky plastické hmoty nebo skla. Analyzátor je tvořen polarizačním filtrem stejného druhu, jako je polarizátor. V základním postavení jsou polarizační roviny polarizátoru a analyzátoru vzájemně kolmé, takže zorné pole přístroje je temné. Vložíme-li mezi polarizátor a analyzátor sklo s vnitřním napětím, každý paprsek polarizovaného světla procházející sklem se štěpí na řádný a mimořádný. Mezi těmito paprsky vznikne dráhový rozdíl a v důsledku toho se pozorované místo v tmavém poli analyzátoru rozjasní. Intenzita rozjasnění je přímo úměrná velikosti dráhového rozdílu, tedy i napětí 2) Polarimetr jsou polarizační přístroj se zabudovaným kompenzátorem. V polarimetrech lze na rozdíl od polariskopů dráhový rozdíl, vyvolaný napětím ve skle, kvantitativně změřit. Nejpoužívanější kompenzátor v polarizačních přístrojích je Sénarmontův kompenzátor. Je to v podstatě dvojlomná destička s dráhovým rozdílem odpovídající 1/4 vlnové délky procházejícího světla, nazývaná též čtvrtvlnová destička, která je spojena s otočným analyzátorem se stupnicí. Zorné pole přístroje je v základní poloze temné. Je-li ve vzorku skla napětí, místo s napětím se rozsvětlí. Ztemnění dosáhneme natočením analyzátoru. Dráhový rozdíl v měřeném místě je přímo úměrný úhlu natočení analyzátoru a lze jej odečíst na stupnici. Tato základní metoda měření vnitřního napětí ve skleněných výrobcích je popsána v ČSN 70 0534. Při kontrole vnitřního napětí ve vzorcích jde o určení maximální hodnoty měrného dráhového rozdílu v různých částech měřených vzorků. Zpravidla to bývá okraj a dno výrobků. Obecný vzorec pro výpočet dráhového rozdílu v nm pomocí Sénarmontova kompenzátoru je vyjádřen rovnicí: Δ = . N ⁄180o Rov. 17 Obecný vzorec pro výpočet dráhového rozdílu v nm
Změřený dráhový rozdíl se přepočítá na měrný dráhový rozdíl X podle již dříve uvedeného vztahu (2). Podle velikosti měrného dráhového rozdílu se posuzuje jakost vychlazení skla. Pro jednotlivé výrobky ze skla je maximální přípustný dráhový rozdíl uveden v příslušných normách. Obecně se udává jako maximálně přípustný měrný dráhový rozdíl hodnota 100 nm.cm-1. Tato hodnota byla odvozena od požadavku, aby trvalé napětí nepřekročilo 1/10 až 1/20 průměrné pevnosti skla v tahu. Je citována např. v ČSN 70 3100 Nápojové sklo a ČSN 70 8061 Užitkové sklo pro domácnost (u výrobků o hmotnosti do 1000 g). U některých druhů výrobků se maximálně přípustný měrný dráhový rozdíl může od této hodnoty lišit. Jedná se například o výrobky z boritokřemičitého lisovaného varného skla, kde u netvrzených výrobků norma ČSN 70 8026 dovoluje nejvýše 120 nm.cm-1. U užitkového skla (ČSN 70 8005), které má zapalovaný okraj, se doporučuje v tomto 31
okraji nepřevýšit vnitřní napětí odpovídající měrnému dráhovému rozdílu 250 nm.cm-1 . Pro užitkové sklo s hmotností nad 1000 g (ČSN 70 8061) je doporučená hodnota nejvýše 150 nm.cm-1. Nejnižší měrný dráhový rozdíl je požadován u optického skla (ČSN 71 0114). Zvláštní situace je u tvrzených výrobků, u kterých je vnitřní napětí vyvoláno úmyslně. Podstata je vznik tlakového napětí v povrchové vrstvě výrobků, čímž se výrazně zvyšuje jeho odolnost proti nárazu i tepelnému šoku. U tvrzených výrobků má měrný dráhový rozdíl vyvolaný maximálním tahovým napětím uvnitř stěny dosáhnout nejméně 370 nm.cm"1 (ČSN 70 826). (Metodika pro kontrolu vnitřního napětí skleněných výrobků pomocí polarimetrů,, vypracovaná v rámci projektu MPO ČR GLASSCENTRUM, Sklářský ústav s.p., Hradec Králové, 2000)
Obr. 6 polarizační přístroj P 250-1 (Laboratorní cvičení č. 4, Fakulta strojní, TU Liberec 2003-2004)
Popis polarizačního přístroje P 250-1 Na trubkovém stojanu (1) je uložen válcový buben (2), ve kterém je umístěno sedm matných žárovek 40 W a rozptylová matnice, která slouží k rozptýlení světla rovnoměrně po celé ploše zorného pole. Nad rozptylovou matnicí je v téže kovové objímce umístěn polarizátor (3). Na něm je šipkami vyznačen směr polarizační roviny. Uložení bubnu v rámu dovoluje jeho naklopení do nejvhodnější pracovní polohy. V ní lze buben zajistit utažením dvou hvězdicových matic (4) na stranách stojanu. Tímto způsobem je možné přístroj sklopit až do vodorovné polohy. Na bubnu je připevněna nosná trubka (5), na níž jsou nasazeny: - stolek na ukládání vzorku (6) - vrchní konzola (7) Stolek je možné po uvolnění upínacího šroubu (8) a odklopení pantu sejmout (např. při sklopení do vodorovné polohy). Pod vrchní konzolou je umístěn vypínač (9), kterým se zapíná a vypíná osvětlení přístroje. 32
Na vrchní konzole je umístěn binokulár (10) a Sénarmontův kompenzátor (11) .Celá vrchní konzola je otočná. Její pohyb je omezen dvěma dorazy na úhel pootočení 45°. V základní poloze je nastaveno prohlížení binokulárem, druhá krajní poloha je pracovní polohou pro Sénarmontův kompenzátor. V obou pracovních polohách lze konzolu zajistit šroubem (12), aby se v průběhu měření nemohla pootočit. Binokulár je tvořen dvěma očnicemi uchycenými na držácích. Pod každou očnicí je umístěn analyzátor, tvořený polarizační fólií, Která je vložena mezi dvě sklíčka a s nimi vlepena do kovové objímky. Polarizační rovina analyzátoru je seřízena kolmo k polarizační rovině polarizátoru. Pod analyzátory jsou odklopné citlivé destičky červené barvy 1. řádu. Vzdálenost očnic lze nastavit podle potřeby seřizovacím šroubem (13). Hlavními částmi Sénarmontova kompenzátoru jsou polarizační filtr a křemenná čtvrtvlnová destička (135 nm). Polarizační filtr je vlepen do kovového kroužku, který je otočně uložen v tělese kompenzátoru. Kroužkem lze otáčet pomocí ovládací tyčky (14) a do něho vyrytá ryska přitom ukazuje na stupnici hodnotu úhlu natočení ve stupních. (Na přání zákazníka lze dodat stupnici přímo v nm s dělením po 5 nm. Odečtená hodnota však není tak přesná jako u dělení ve stupních). Polarizační filtr je proti poškození chráněn krycím plechem. Na spodní části kompenzátoru je vysouvatelný interferenční monochromatický filtr (540 nm), jehož ovládání je zajištěno ovládací tyčkou a krajní polohy jsou vymezeny dvěma dorazy. Horní část kompenzátoru je tvořena očnicí s držákem . Binokulár i Sénarmontúv kompenzátor jsou vybaveny spojnými čočkami, které výrazně snižují únavu očí při dlouhodobé práci s přístrojem. (Laboratorní cvičení č. 4, Fakulta strojní, TU Liberec 2003-2004) Při měření vnitřního napětí je velmi důležité věnovat přípravě vzorků, adjustaci přístroje a zejména technice měření dráhového rozdílu dostatečnou pozornost. Je nutné dodržovat tyto obecné zásady:
1. Polarizační přístroj je umístěn v zatemněné místnosti s konstantní teplotou a je správně seřízen. 2. Měří se výrobky dostatečně tepelně stabilizované. Výrobky se ponechají stát v místnosti s polarizačním přístrojem, až se jejich teplota vytemperuje na teplotu místnosti. Při měření se výrobek nesmí namáhat mechanicky, nesmí se zahřívat od přístroje a nesmí se držet delší dobu v ruce. K držení výrobků při měření se používají textilní rukavice. 3. Při měření se vyhledá pečlivě místo s největším měrným dráhovým rozdílem největší rozsvětlením, a toto místo se označí. V tomto místě se kompenzuje dráhový rozdíl a také měří tloušťka. 4. Dráhový rozdíl u výrobků, s matným, nerovným nebo hrubě obroušeným povrchem se neměří přímo v polarizačním přístroji, ale při měření se musí výrobky ponořit do imerzní kapaliny se shodným nebo velmi podobným indexem lomu. Poznámka: Imerze je kapalina o stejném nebo velmi blízkém indexu lomu, jaký má zkoumané sklo. Použitím imerze zabráníme odrazu a rozptylu světla na nerovinném povrchu měřeného předmětu, takže předmět se stane zcela průhledným.
33
Princip polarimetrické metody Metoda kontroly vnitřního napětí ve skleněných výrobcích je založena na stanovení dvojlomu, vznikajícího ve skle vlivem trvalého napětí. Velikost dvojlomu určujeme měřením dráhového rozdílu polarizovaného světla procházejícího vzorkem. Vnitřní napětí je vyjadřováno ve formě měrného dráhového rozdílu X, který je stanoven z naměřeného dráhového rozdílu Δ přepočtem na tloušťku skla 1 cm. (Metodika pro kontrolu vnitřního napětí skleněných výrobků pomocí polarimetrů, Interní předpis, Sklářský ústav s. p., Hradec Králové) Výpočet napětí ve skle pomocí kompenzace Zde je uvedeno měření pro vzorky s dráhovým rozdílem do 540 nm. Dráhový rozdíl do 540 nm bývá ve většině chlazených výrobků. 1) Při měření nejprve určíme místo maximálního napětí: Vrchní konzolu polariskopu natočíme do základní polohy, tj. do polohy, kdy je v pracovní poloze binokulár a zajistíme šroubem. Zorné pole přístroje je buď temné (při vysunuté interferenční destičce), nebo purpurově červené (při zasunuté interferenční destičce). Interferenční destičky v binokuláru se ovládají pomocí ovládacích tyček. Vzorek skla uložíme na stolek mezi polarizátor a analyzátor a otáčíme jím pozvolně jedním směrem. Otáčení zastavíme v místě kde má vzorek nejvyšší barvu a v tomto místě budeme měřit. 2) Vzorek nastavíme do polohy, v níž budeme měřit: Při měření musí být sklo umístěno tak, aby směr napětí půlil úhel mezi zkříženým polarizátorem a analyzátorem. V této poloze se projeví největší zesvětlení (resp. největší změna odstínu). Toho docílíme tak, že do polohy, kde se neprojevovalo žádné zesvětlení, pootočíme vzorek o 45O. 3) Stanovíme velikost dráhového rozdílu pomocí Sénarmontova kompenzátoru: Uvolníme zajišťovací šroub a vrchní konzolu nastavíme do druhé krajní polohy, t.j. pracovní polohy Sénarmontova kompenzátoru. Sénarmontův kompenzátor nastavíme do základní polohy tím, že rysku na otočném kotouči s analyzátorem nastavíme proti nule na stupnici. Zorné pole přístroje musí být temné, měřené místo se vyjasní. Pak pozvolna otáčíme kotoučem s analyzátorem a stále sledujeme vzorek. Směr otáčení musí být takový, aby se měřené místo stále ztemňovalo. Temné čáry nebo plochy, které ohraničují měřené místo, se přitom musí k němu zvolna přibližovat. Pokud jsme na pochybách, na kterou stranu kompenzaci provádět, pootočíme kompenzátorem od nulové polohy na obě strany o stejný úhel a porovnáme světlost měřeného místa v obou polohách. Kompenzaci provádíme otáčením na tu stranu, na které bylo měřené místo temnější. Pozvolným otáčením analyzátoru dosáhneme toho, že měřené místo úplně ztemní. V tomto okamžiku je dráhový rozdíl vykompenzován. Proti rysce na kotouči odečteme na stupnici úhel, o který jsme analyzátorem otočili od nulové polohy. Pak dráhový rozdíl vypočteme podle vztahu :
∆ = 3.α
kde
(1) ∆ je dráhový rozdíl polarizovaného světla (nm),
∝
odečtený úhel (0)
Kompenzaci provedeme 3x a z naměřených hodnot vypočteme průměr. Kompenzaci provádíme obvykle s použitím zeleného monochromatického filtru. Když pozorujeme měřené místo přes tento filtr, toto získá při vykompenzováni černou barvu. Když provádíme měřeni v bílém světle, naměřené místo úplně neztmavne, objeví se jen temná hnědočervená barva. 4) Změříme dráhu paprsku polarizovaného světla sklem: Abychom mohli srovnávat napětí ve sklech různé tloušťky, počítáme dráhový rozdíl obvykle na 1 cm tloušťky skla. Změříme proto dráhu, kterou projde paprsek
34
polarizovaného světla ve skle. Při směru průchodu světla kolmém na povrch vzorku se tato dráha rovná tloušťce stěny. Tu změříme posuvným měřítkem. 5) Přepočítáme změřený dráhový rozdíl polarizovaného světla na měrný dráhový rozdíl podle vztahu :
X = Kde:
X ∆ L
∆ l
(2)
je měrný dráhový rozdíl (nm.cm-l), je naměřený dráhový rozdíl (nm) a e délka dráhy paprsku sklem, obvykle rovná tlouštce skla (cm) (Laboratorní cvičení č. 4, Fakulta strojní, TU Liberec 2003-2004)
Shrnutí Cílem lekce bylo seznámit studujícího s pojmy ale i principy a způsoby chlazení skla, měření napětí ve skle i s hodnotou napětím, která je z hlediska pevnosti skla bezpečná. Pojmy k zapamatování • • • • • • • •
Chlazení skla Přechodné napětí Trvalé napětí Chladící interval, horní chladící teplota, dolní chladící telota Dvojlom Dráhový rozdíl Polariskop Polarimetr
Kontrolní otázky 10. Co je chlazení skla, jaký je jeho účel a jak probíhá relaxace napětí? 11. Jaké jsou druhy napětí a jaké je z nich plynoucí nebezpečí? 12. Čím je vymezen chladící interval? 13. Na jakém principu je umožněno měření vnitřního napětí ve skle a čím ho lze změřit? 14. Jaká je bezpečná hodnota vnitřního napětí a z čeho je odvozena?
35
4 Chladící postup Studijní cíle: Po absolvování lekce bude studující schopen stanovit chladící postup i v podobě chladící křivky, včetně zjednodušeného výpočtu rychlosti ohlazování v chladícím intervalu i pod ním. Seznámí se základními typy pecí pro chlazení skla Klíčová slova: Chladící postup, výdrž na horní chladící teplotě, rychlost ochlazování v chladícím intervalu, chladící křivka, směrodatný rozměr výrobku, chladící pece komorové, stacionární atmosféra chladící pece pásové, oběžná atmosféra, Potřebný čas: 3 hodiny Vzniku přechodného i trvalého napětí by bylo možno zabránit tak pomalým chlazením, že by teplotní spády byly zanedbatelné. Takový postup je však pro praxi nepřijatelný a jde tedy o nalezení takového způsobu ochlazování, který by při nejvyšší hospodárnosti umožnil získání výrobku s malým trvalým napětím v přípustných mezích. Postup při chlazení skla, který vyhovuje uvedeným podmínkám, je možno rozdělit na několik fází: 1. Vyhřívání výrobků na horní chladící teplotu, pokud byly ochlazeny na nižší teplotu. Rychlost vyhřívání je omezena vznikem přechodných napětí, která by ohrozila pevnost výrobku. 2. Výdrž na horní chladící teplotě po dobu potřebnou slouží : k vyrovnání gradientů teploty v celém objemu výrobku a k odstranění přítomných napětí 3. Pomalé ochlazování v chladícím intervalu v rozmezí viskozit log η =13 až 14,5, aby se omezil vznik trvalých napětí. 4. Rychlejší ochlazování na normální teplotu, opět s omezením vyplývajícím ze vzniku přechodných napětí. (Hlaváč J., 1988)
4.1 Výpočet chladícího postupu skleněných výrobků 1. Vyhřívání výrobků na horní chladící teplotu Během tvarování a transportu do chladící pece výrobek zchladne a to odlišně podle druhu výrobku a délky transportu, zde se předpokládá jeho vstupní teplota 300 oC. V případě přechlazování výrobků (opakovaného chlazení) bývá vstupní teplota 20 oC. Rychlost vyhřívání na chladící teplotu je značena h2. Má být co nejvyšší a přitom nesmí dojít k praskání výrobků vlivem vznikajících přechodných napětí. Rychlost vyhřívání na chladící teplotu h2 se určuje z rychlosti ochlazování v chladícím intervalu h1 pomocí vztahu h= 3 h1 až 5h1 Rov. 18 rovnice rychlosti vyhřívání
V některých případech se výrobek ochlazuje plynule z teploty tvarování (např. při výrobě plochého skla). 2. Výdrž na horní chladící teplotě Během ní má dojít k vyrovnání gradientů teploty v celém objemu výrobku a k odstranění přítomných napětí. Doba potřebná k prohřátí celého výrobku na chladící teplotu závisí na podmínkách přestupu tepla v peci (dynamická vířívá atmosféra
36
v pásových chladících pecích, statická atmosféra v komorových pecích), na rozměrech a hmotnosti velikosti výrobku, na jeho vstupní teplotě. (Novotný V., 1985) U běžného skla tenkostěnného do 5 mm tloušťky bývá výdrž cca 5 až 10 minut, u skla o větší tloušťce 10 až 15 minut, u zvláště tlustého skla nad 5 cm kolem 20 min (Pospíchal V., 1961) 3. Ochlazování v chladící oblasti Při ochlazování v chladící oblasti vzniká ve skle teplotní gradient, který po zchladnutí a vyrovnání vyvolá trvalé napětí. Proto během tohoto ochlazování nesmí být překročena předepsaná rychlost h1 a ve skle nesmí dojít k vytvoření většího teplotního gradientu, než odpovídá maximální přípustné hodnotě trvalého napětí, která je 1/20 až 1/40 pevnosti skla v tahu. To je přibližně 1,5 až 3,0 MPa, což odpovídá při měření dvojlomu optických drah řádného a mimořádného paprsku 50 až 100 nm/cm. Dolní hranici chladící oblasti volíme 30 až 150o C pod teplotou výdrže, u pecí s stacionární atmosférou 100 až 150oC pod teplotou výdrže (chladící oblast se udává teplotami pece, které jsou nižší než teplota skla.) Rychlost ochlazování h1 v chladící oblasti se vypočte podle vztahu P
h1=Q R(
)S4
[U/HWX]
Rov. 19 rychlost ochlazování v chladícím intervalu
kde X Z [(x) C
= přípustný dráhový rozdíl [nm.cm-1] = směrodatný rozměr výrobku = bezrozměrná funkce vyjadřující vliv tvaru a velikosti výrobku = chladící modul skloviny
Chladící modul skloviny se zjišťuje experimentálně, pokud není znám, dosazuje se do vztahu (2) průměrná zaokrouhlená hodnota C= 3100nm.s.cm-3K-1. Směrodatný rozměr Z je zřejmý u těles jednoduchého pravidelného tvaru: \ - u oboustranně ochlazované desky tloušťky s je < = @. - u desky ochlazované jednostranně, u trouby a u duté koule s vnitřním poloměrem r1 a Z=s= r2 - r1 vnějším poloměrem r2 je - u plného válce nebo koule je Z=r ] ^_` - u předmětů převážně otevřených (mísy, podnosy) Z= @ U předmětů převážně uzavřených (odlivky, vázy apod.) Z= s max Hodnoty tvarové funkce [(x) pro plná tělesa dosahují hodnot: Oboustranně ochlazovaná deska 0,0056 Jednostranně ochlazovaná deska 0,0056 Válec 0,0021 Koule 0,0011 U dutých výrobků se tato hodnota pohybuje v závislosti na poměru 0,0014. (Novotný V., 1985)
a@ 0 a a
od 0,0056 po
Protože z tvaru pro výpočet h1 (1) vyplývá, že s rostoucí hodnotou této tvarové funkce [(x) rychlost ochlazování klesá, lze s pro její vypočet přijmout zjednodušený tvar, který pak při maximální opatrnosti může nabýt následujících variant:
37
Pro běžné výrobky je pro X přípustný dráhový rozdíl [nm.cm-1] používaná hodnota 100 Pak lze vztah (1) zapsat jako: h1=q
pp pp R2 3S 4
a po dosazení [(x) pro jednotlivé tvary
vychází: Oboustranně i jednostranně ochlazovaná deska
h1= q
pp pp p,ppst S4
Válec
h1=
pp q pp p,ppw S4
=
Koule
h1=
pp q pp p,pp
=
S4
u, v <@
=
u,x <@ @y,z <@
Z výše uvedených vztahů vyplývá, že pro orientační výpočet lze použít zjednodušený vztah uvedený v (Blumentritt J., 1984), kde je uveden ve tvaru: h1=
{ x = ws |4 _@
Rov. 20 Zjednodušený výpočet ochlazování v chladícím intervalu (Blumentritt J., 1984)
Kde: X je největší přípustná mez vnitřního napětí v nm dráhového rozdílu pro většinu výrobků činí 100 nm/ cm (viz. 3.1.3) a a je směrodatný rozměr výrobku (poloviční maximální tloušťka stěny u otevřeného tvaru a celá tloušťka stěny uzavřeného tvaru. Rov. 20 stanovuje rychlost ochlazování s větším bezpečnostní rezervou než výše uvedené vztahy. 4. Rychlejší ochlazování na normální teplotu¨ V této oblasti má být rychlost ochlazování co nejvyšší, aniž by došlo k praskání výrobků vlivem vznikajících přechodných napětí. Rychlost dochlazování se obvykle volí stejně velká jako rychlost vyhřívání na chladicí teplotu a určuje se tedy z rychlosti h1 pomocí vztahu (1). (NOVOTNÝ V., Vypracování chladícího postupu skleněných výrobků a kontrola jejich chlazení. Sklář a keramik, 1985)
38
4.2 Chladící křivka Grafické znázornění ění postupu chlazení s příslušnými íslušnými teplotami a vypočtenými vypoč rychlostmi chlazení.
Obr. 7 Schéma chladící křivky kř s vyznačením oblastí trvalého a přechodného řechodného nap napětí
4.2.1
Nastavení chladícího postupu v chladící peci.
Při nastavení vypočteného čteného chladící postupu v chladící peci je nutno respektovat skutečnost, nost, že daný postup byl stanoven pro konkrétní typ skla i výrobek a v něm uváděné teploty platí pro teploty ve hmotě hmot skla. V praxi je ale nastavována teplota atmosféry v dané peci (měřící (měř systém udává pomocí termočlánků ů teplotu atmosféry) a i v případě,, že atmosféra je shodná s chladící křivkou, je teplota ve výrobku proti teplotě v peci opožděná podle skutečných součinitelů přestupu estupu tepla z atmosféry do výrobku. Z tohoto důvodu ůvodu je předpokládáno, p že teplota výrobku je v určitém urč zpoždění za teplotou atmosféry sféry chladící pece. V praxi bývá chladící postup ověřován ov proměřováním ováním reálné teploty průběžnými pr měřícími sondami v pásových chladících pecích nebo registrací průběhu pr prů teplot v komorových pecích, které registrují skutečnou skute teplotu v místech umístění umíst výrobků. Takto získané údaje o reálném nastavení chladící křivky k ivky jsou pak konfrontovány s údaji o vnitřním napětí tí vychlazených výrobků. výrobk
4.3 Chladící pece Chlazení skla probíhá v chladicích pecích. Sklářské Sklá ské chladící pece se z hlediska stavebního a funkčního čního uspoř uspořádání dělí na několik základních skupin. 1) Chladicí pece se stacionární (nepohyblivou) atmosférou. Do této skupiny patří pece všech druhů, ů, u nichž není použ použito nuceného proudění ní atmosféry v chladicím tunelu nebo funkčním prostoru pece, tedy pece komorové, vozíkové a pásové, pr s přímým i nepřímým vytápěním, ěním, plynové i elektrické. Název ,,stacionární'' není dokonale výstižný, neboť i u těchto ěchto d druhů chladicích pecí je atmosféra v chladicím tunelu (nebo funkční části) v pohybu Proudění Proud ní je vyvoláno teplotním gradienti v chladicím tunelu, výměnou nou teplého a studeného vzduchu na obou koncích chladicího tunelu, funkcí
39
odtahů atd. Rychlosti však obyčejně nepřesahují hodnotu 0,5 m/s. Toto proudění má většinou škodlivý charakter, a proto není u těchto pecí žádoucí. 2) Chladicí pece s oběžnou (proudící) atmosférou. Jsou to pece, u nichž je atmosféra, která přichází do styku s výrobky, podrobena nucenému oběhu (proudění). Atmosféra tedy v chladicím tunelu, zejména v jeho funkční části proudí, přičemž rychlost proudu omývajícího výrobky musí dosáhnout určité hodnoty. Při splnění této podmínky nastává jednak rychlejší výměna tepla mezi chlazenými zbožím a proudícím médiem (vzduchem, spalinami nebo jejich směsí), jednak se zlepší rozdělení teploty v pecním prostoru. Tím se podstatně zkrátí proces chlazení. Chladicí pece s oběžnou atmosférou se začaly v československém sklářském průmyslu uplatňovat až po druhé světové válce, avšak velmi rychle se rozšířily. V současné době dokonce vytlačují chladicí pece se stacionární atmosférou. Vyrábějí se pece pásové i komorové, s topením přímým i nepřímým, s vytápěním plynovým, elektrickým i kombinovaným. Při správné funkci mají proti stacionárním pecím nesporné přednosti. Chladicí pece komorově. Jsou nejstaršími typy sklářských chladicích pecí. V podstatě jsou to zděné, dokonale izolované komory vybavené topným a odtahovým systémem. Vlastní komora je funkčním prostorem pece. Stavební koncepce neumožňuje kontinuální chlazení, a proto se těchto pecí používá v jednosměnných provozech. Po stránce tepelně technické jsou to pece nehospodárné, neboť pracují periodicky a všechno teplo potřebné k zahřátí pece je při dokončení procesu (vychladnutí pece) ztraceno. Komorové chladicí pece Používá se jich dosud v ruční výrobě domácenského skla, kalíškoviny, olovnatého křišťálu a různých typů skla luxusního. Popis pece Komorová chladicí pec modernější koncepce (obr. 8) je v podstatě čtvercový nebo obdélníkový funkční prostor, který je přímo vytápěn surovým plynem a dokonale izolován. V přední části pece jsou dveře umožňující nakládání a vyprazdňování pece. Topný plyn se před čelem pece rozvětvuje do tří hořáků. Střední hořák je štěrbinový a vytváří po celém prostru dveří tepelnou clonu, která zabraňuje vnikání studeného vzduchu nakládacím otvorem do funkčního prostoru pece. Spaliny ze štěrbinového hořáku proudí pod klenbou pece směrem k zadní
Obr. 8 komorová chladící pec
1 — izolace; 2 — šamot; 3 — kryt zakládacích dveří; 4 — štěrbinový hořák; 5 — přívod plynu; 6 — sběrný odtahový kanál.
40
Poznámka:Tento původně velmi rozšířený typ byl po zavedení vláknitých isolačních hmot nahrazen komorovými pecemi konstruovanými z ocelového plechu s vnitřní isolací z hlinitokřemičtých vláken nejčastěji typu sibral. Jejich hlavní výhodou je nižší investiční i provozní náklady (významně kratší čas pro vyhřátí na chladící teplotu).
Technologie chlazení v komorových pecích Po zapálení se chladicí pec co nejrychleji vyhřeje na potřebnou chladicí teplotu. Po dosažení této teploty se začnou vkládat výrobky, a to na podlahu pece, nejdříve k zadní stěně pece. Pec zaplněná výrobky se ještě vyhřívá na chladicí teplotě určenou dobu a poté se odtahy, popřípadě i hořáky seřídí její teplotní podmínky tak, aby teplota pozvolna klesala v souladu s vypočítaným chladicím postupem. Průvodce studiem Současné pece jsou vybaveny regulací, která umožňuje po naplnění pece zvolit pro daný typ výrobků odpovídající program, který zajistí požadovaný pokles teplot až po dolní chladící teplotu.
Po dosažení dolní hranice chladicí oblasti se odtahy úplně otevřou, a je-li třeba, nechá se hořákovými přívody přisávat okolní vzduch tak, aby teplota v peci dostatečně rychle klesala a proces chlazení se zbytečně neprodlužoval. Pokles teplot je ovšem nutno řídit tak, aby výrobky vinou vysokého přechodného pnutí nepopraskaly. Při druhém způsobu se výrobky do pece vkládají při určité teplotě, která je nižší než požadovaná chladicí teplota. Plná pec se vyhřeje rychle na chladicí teplotu a tato teplota se ponechá určitou dobu v souladu s vypočítaným chladicím postupem. Dále se postupuje stejně jako v prvém případě. Dolní hranice chladicí oblasti se pro tyto typy chladicích pecí uvažuje 150 °C pod horní chladicí teplotou. Určitou závadou v technologii chlazení na těchto typech pecí je proudění studeného vzduchu vkládacím otvorem do funkčního prostoru pece. Tato závada hrubě narušuje teplotní rozdělení v tomto prostoru a často působí i praskání výrobků v peci. Proto je nezbytně nutné, aby střední štěrbinový hořák hořel (a vytvářel tepelnou clonu za vkládacím otvorem) při zahřívání pece a vkládání výrobků tak dlouho, dokud se otvor dokonale neuzavře. Výrobky je třeba vkládat co nejmenším otvorem, aby dovnitř nevnikal škodlivý studený vzduch. Dobře se osvědčila zařízení, kdy pracovník otevře otvor sešlápnutím pedálu pouze při vkládání výrobků a okamžitě jej uzavře. Po stránce technologické je největším problémem dosáhnout stejnoměrné teploty ve všech částech funkčního prostoru pece. Osvědčilo se stavět tyto pece nižší. Vkládá-li se do pece několik druhů výrobků, musí se tlustostěnné výrobky dávat do nižších vrstev; jinak se výrobky vlivem velkého zatížení deformují nebo rozbijí. Plameny nesmějí nikdy přímo zasahovat chlazené výrobky. Pec se musí vytápět výhradně horkými spalinami. V komorových chladicích pecích, tak jako u ostatních pecí, se musí co nejpřesněji dodržovat předepsaný chladicí postup. Proto je třeba, aby se pec mohla rychle vyhřát na potřebnou chladicí teplotu a aby její topný systém i odtahový systém byly dokonale ovladatelné. Je třeba znovu zdůraznit, že komorové chladicí pece jsou provozně velmi nehospodárné. Jejich specifická spotřeba tepla je proti pásovým chladicím pecím pětkrát až desetkrát vyšší. Pouze pro chlazení tlustostěnných nebo obzvlášť velkých výrobků jsou tyto pece proti pásovým výhodnější. (Schill F. a kol.,1968)
41
Pásové chladící pece s oběžnou atmosférou K chlazení strojně tvarovaného dutého a technického skla a v mnoha případech i k chlazení skla z ruční výroby se dnes používá pásových chladicích pecí. V současné době jsou to pece výhradně s oběžnou atmosférou, vytápěné elektricky, nebo spalováním zemního plynu, kterých je s ohledem na provozní náklady většina. Na rozdíl od chladicích pecí se stacionární (nepohyblivou) atmosférou přicházejí chlazené výrobky do přímého styku s proudící atmosférou a jsou jí omývány stejnoměrně po celém povrchu; výměna tepla mezi chlazeným zbožím a atmosférou je tedy podstatně rychlejší než u systémů stacionárních. Ještě důležitější je dokonalejší a snadno regulovatelné rozdělení teplot v celém pecním prostoru. Rychlejší výměna tepla mezi chlazeným zbožím a proudící atmosférou, zejména na funkčních úsecích, a dokonalé, snadno regulovatelné rozložení teplot v peci umožňuje podstatně zrychlit chlazení. Na stejném zastavěném prostoru tak lze vychladit mnohem více výrobků než u pecí sálavých. Minimální rychlost proudu omývajícího přímo výrobky má být kolem 2,5 m/s. Uspořádání jednotlivých částí a jejich technickém vybavení. Chladicí pece s oběžnou atmosférou lze rozdělit zásadně na tři části: 1) část topnou s oběžnou atmosférou, 2) část dochlazovací 3) nekrytou odebírací část s hnacím systémem. Následující obrázek zachycuje běžnou chladící pásovou pec pro průmyslovou sklářskou výrobu.
Obr. 9 elektrická chladící pec BETA výrobce ZEZ Praha,a.s. (převzato z firemní informace výrobce ZEZ Praha a.s., www.zez.cz)
Část A Topná část je sestavena z topných komor o délce 2000 mm. Každá topná komora má ve stropu umístěny dvě ventilátorové jednotky, které zaručují nucený a uzavřený oběh vzduchu. Vzduch je nasávaný ventilátorem z prostoru nad dopravním pásem je oběhovou vložkou usměrněn přes topné články pod dopravní pás
42
se zbožím a přes něj zpět k ventilátoru. Uzavřený oběh vzduchu umožňuje oběhová vložka (mufle) ze žáruvzdorného materiálu, která tvoří vlastní pracovní prostor. Z hlediska funkčně technologického je tato část chladicí pece nejdůležitější, neboť v ní se uskutečňuje vlastní proces chlazení skla. Část B Část chladící Chladicí část je sestavena z chladicích komor o délce 2000 mm. Každá chladicí komora má ve stropu umístěny dvě ventilátorové jednotky, které zaručují nucený a uzavřený oběh vzduchu a dále dva přídavné ventilátory na přisávání studeného vzduchu pro možnost regulace rychlosti ochlazování. Část C Část dochlazovací zaujímá úsek odpovídající dochlazovací oblasti, tedy úseku, kde chladicí křivka prudce klesá. K dochlazení výrobků je možno podle potřeby pec doplnit dochlazovací rampou osazenou ventilátory Délka topné části, chladící a dochlazovací části jakož i topný příkon jsou závislé na tepelné křivce, velikosti výrobků a požadované výkonnosti zařízení Část D Část odebírací a tažná jednotka pohonu pásu. Jeden z nejčastěji využívaných oběžných systémů je na následujícím obrázku. Umožňuje vyrovnané proudění v celé šířce chladícího tunelu. Tato dvouventilátorová varianta je výhodná pro širší chladící tunely, pro užší je postačující jeden ventilátor ve středu sekce.
Obr. 10 Příčný řez topnou sekcí s dvouventilátorovým oběžným systémem, s vertikálním prouděním. (Schill F. a kol.,1968)
1 – oběžný kanál, 2 - topný elektrický článek, 3 – rozdělovací lopatka Ventilátory jsou umístěny souměrně podle středu ve vertikální poloze. Oběžné médium je vysáváno z prostoru chladicího tunelu a je vrháno ventilátory směrech do oběžných kanálů. (Schill F. a kol.,1968) Průmyslové chladící pece fy CAR MED jsou na následujících fotografiích.
43
Obr. 11 pásová chladící pec fy CAR MET ze strany vkládání výrobků
Obr. 12 pásová chladící pec ze strany odebírání vychlazených výrobků
Obr. 13 pásová chladící pec se dvěma dopravníky umožňující nastavení jejích rozdíné rychlosti a tak i dvou chladících křivek
44
Shrnutí Lekce seznamuje s jednotlivými fázemi chladícího postupu, se způsobem výpočtu chladícího postupu a s odvozením jeho zjednodušené verze a s grafickým znázorněním chladícího postupu – chladící křivkou. Dále představuje dva základní typy chladících pecí a druhy pecních atmosfér a základy technologie chlazení. Pojmy k zapamatování • • • • • • •
Chladící postup a jeho etapy Rychlost ochlazování Směrodatný rozměr výrobku Chladící křivka Chladící pece komorové Chladící pece pásové Stacionární a oběžná atmosféra
Kontrolní otázky 15. Z jakých fází se skládá chladící postup? 16. Jaký je zjednodušený vztah pro výpočet rychlosti ochlazování v chladícím intervalu. 17. Jakou přednost má oběžná atmosféra chladící pece?
45
5 Hlavní typy skel Studijní cíle: Studující se seznámí se zásadami pojmenování skel vychájícími z jejich chemického složení a současně s klasickým dělením skel podle tradičních kritérií. V druhé obsáhlejší části jsou uvedeny charakteristiky některých hlavních průmyslových skel. Klíčová slova: Křemenné sklo, vodní sklo, tepelně odolné sklo, SIMAX. Potřebný čas: 2 hodiny
5.1 Rozdělení skel do základních soustav Skla je možno dělit na jednotlivé druhy, podle různých hledisek. Nejčastěji jsou z hlediska skla jako materiálu rozdělována podle následujících kritérií. • chemického složení • čirosti • barvy • zvláštních vlastnosti a použiti• zpracovatelnosti Rozděleni podle chemického složeni: Především dělíme skla podle alkalických zemin (prvky II.A skupiny), zejména na vápenato-hořečnatá a olovnatá. Každé z nich se zase dále děli podle druhu alkálii. Každé z nich se dále dělí podle druhu alkálií. Takže jsou skla sodno-vápenatohořečnatá, draseIno-vápenatá a draselno-olovnatá. Známe však i skla barnatá, zinečnatá, lithno-draseIná apod. Podle druhu kyselé složky známe skla křemičitá, borito-křemičitá, křemičito-fosforečná, křemičito-arseničná a jiná. Při pojmenováni skel uvádíme vždy napřed alkálii, pak alkalické zeminy a nakonec kyselé složky. Pořadí oxidů je podle toho, který převládá. Některá novodobá technická skla nemusejí být vůbec křemičitá. Ke sklům patří také skla vodní. Jsou to křemičitany sodné nebo draselné, vyráběné obdobně jako jiná skla tavením pisku a sody Používají se do tmelů, k výrobě mýdla, nakládáni vajec apod. Chemické složení skla se vyjadřuje procentickým složením, napřiklad; sklo obsahuje: Si02 - 74,3 hmotnostních % Na20 - 13,0 hmotnostních % CaO - 12,7 hmotnostních % Rozděleni podle čirosti Čiré sklo - sklo nezakalené, bez ohledu na barevný odstín Zakalené sklo - sklo, které není ve hmotě čiré, bez ohledu na barevný odstín. Podle různého stupně a druhu zakaleni se rozeznávají např. skla: opalinová, alabastrová, opálová, opakní, barevná opálová, sytá barevná opakní, s hedvábným leskem, atlasová apod.
46
Rozděleni podle barvy Neodbarvené sklo - čiré sklo se slabě až zřetelně znatelným odstínem Bezbarvé sklo - čiré sklo bez znatelného barevného odstínu nebo jen s nepatrným odstínem, znatelným pouze ve větší tloušťce skla Odbarvené sklo - čiré sklo bez znatelného barevného odstínu í ve větší tloušťce Barevné sklo - sklo záměrně zbarvené v celé hmotě Rozděleni podle zvláštních vlastností a použiti vysoce olovnaté křišťálové sklo 30 % PbO, PbO ≥ 30 ℎH€• %, ℎƒ„•€•Z … ≥ 3,00 †/GH3 , olovnaté křišťálové sklo 24 % PbO, PbO≥ 24 ℎH€• %, ℎƒ„•€•Z … ≥ 2,90 †/GH3 , křišťálové sklo krystalin, SodnodraseIné křišťálové sklo - čiré odbarvené sklo, obsahující jednotlivě nebo v kombinaci ZnO+BaO+PbO+K2O≥10%, ℎƒ„•€•Z … ≥ 2,45 †/GH3, index lomu nD ≥1,520 Křišťálové sklo - čiré, odbarvené sklo, obsahující jednotlivě nebo v kombinaci BaO+PbO+K2O ≥10%, ℎƒ„•€•Z … ≥ 2,45 †GH3 , tvrdost povrchu Vickers 550 ± 20, Olovnatý křišťál - čiré, odbarvené sklo, obsahující nejméně 24 % hmotnostních PbO a max. 0,020 % Fé2 O3, Vysoce olovnatý křišťál - čiré odbarvené sklo, obsahující nejméně 30 % hmotnostních PbO a max. 0,020 % Fe2O3. Vrstvené sklo - sklo, složené z několika vrstev různých skel vzájemně natavených /např. neodbarvené a barevné, odbarvené a opálové apod./. Bezpečnostní vrstvené sklo - sklo, sestávající ze dvou nebo více vrstev skla, spojených folii z plastu Přejímané sklo - vrstvené sklo, které má /u dutých výrobků/základní sklo potaženo na vnější straně vrstvou jiného /např. barevného, opálového apod./ skla. Vnější vrstva je obvykle tenčí. Podjímané sklo - vrstvené sklo, které má /u dutých výrobků základní sklo vnější a na vnitřní straně výrobku je tenči, vrstva jiného skla /např. barevného, opálového apod. Sbíhavé opálové sklo - vrstvené přetahem, obvykle přejímané s nestejnoměrně tlustou vrstvou opálového skla, ztenčující se v jednom směru Nabihané barevné sklo - barevné sklo, jehož konečný barevný odstín se vyvíjí teprve tepelným zpracováni m Játrovíté sklo - nabíhané barevné sklo, ve kterém se nesprávným tepelným zpracováním vytvořilo zakalení. Achátové sklo - sklo podobné vzhledem přírodnímu achátu. V základním skle jsou jemné vrstvy odlišného vzhledu /zákalu, barvy, sytosti barvy/ Měsíční svit - sklo s hedvábným leskem s přetahem z odbarveného nebo bezbarvého skla 47
Mramorové sklo - sklo podobné vzhledem přírodnímu mramoru. Vzniká spojením různobarevných skel. Irisované sklo - sklo, opatřené na povrchu tenkou vrstvou kovů, oxidů kovů apod., způsobující irisující vzhled. Avanturinové sklo - sklo, obsahující stejnoměrně rozptýlené krystaly mědi nebo kysličníku chromitého, vyloučené během tepelného zpracováni. Lazurované sklo - sklo povrchově zabarvené difúzi kovových iontů /stříbra, mědi apod./ výměnou za alkalické ionty skla. Křemenné sklo - přetavený kysličník křemičitý ve skelném stavu. Rentgenové sklo - sklo s velkým obsahem 60 % hmotnostních/, které absorbuje účinně X - paprsky.
oxidu
olovnatého
/nad
Fotosenzitivní sklo - sklo, citlivé ke krátkovlnnému zářeni, schopné vytvořit latentní obraz, který se vyvíjí tepelným zpracováním. Fotochromické sklo - sklo, citlivé k ultrafialovému a krátkovlnnému viditelnému zářeni. Během působení světla se zbarvuje temně, přestane-li světlo působit, dochází k vratné reakci. Protislunečni sklo - ochranné sklo, zeslabující sluneční paprsky, škodlivé zraku a tlumící i viditelné světlo. Může být zbarvené ve hmotě nebo opatřené interferenční vrstvou, provedenou chemicky nebo vakuovým napařením, nebo může být barevně přejímané. Optické sklo - sklo, sloužící k výrobě optických dílců. Stabilizované sklo - sklo se stejnoměrnými vlastnostmi v celé hmotě, které se dlouhodobě nemění. Kompoziční sklo - sklo s vysokým obsahem kysličníku olovnatého /kolem 40 %/, používané zejména při výrobě bižuterie. Skelně-krystalická hmota - hmota, vyrobená utavením skla a jeho tvarováním do výrobků, které byly převedeny řízenou nukleaci a krystalizací během tepelného zpracování z převážné části do mikrokrystalického stavu. Má výhodné mechanické i tepelné vlastnosti Fluorescenční sklo - sklo, obsahující ionty, např. uranu, vanadu, vzácných zemin apod., které při účinku ultrafialového záření viditelně fluoreskují. Flintové sklo - optické bezbarvé sklo s vysokým indexem lomu. Korunové sklo - optické sklo s malým indexem lomu. Rozděleni podle zpracovatelnosti Krátká sklovina - interval tvarováni je úzký, sklovina během tvarování v krátké době chladne. Dlouhá sklovina - interval tvarováni je široký, sklovinu lze dlouho tvarovat. Měkké sklo - sklo, které má relativně nízkou teplotu měknutí. Tvrdé sklo - sklo, které má relativně vysokou teplotu měknutí (Konečná a kol., 1985) 48
5.2 Hlavní typy průmyslových skel Skla vyráběná průmyslově lze rozdělit do skupin podle různých kritérií: vzhledu, vlastností, použití, způsobu tvarování apod. V následujících kapitolách bude převládat hledisko chemické; skla budou rozdělena podle příslušnosti k základním soustavám: SiO2, křemenné sklo; Na20-SiO2, tzv. rozpustné (vodní) sklo; Na20-CaO-SiO2, obalové, ploché a užitkové sklo; K20-CaO-SiO2 a K20-PbO-Si02, křišťálová skla; Na2O-B203-SiO2, tepelně odolná skla; Pro některé praktické účely se používá pestřejší paleta skel, jež jsou charakterizována specifickými vlastnostmi a jejichž složení je tak proměnné, že je nelze vystihnout jediným typem základního skla (Hlaváč J., 1985)
5.2.1 Křemenné sklo Křemenné sklo je velmi čistý oxid křemičitý ve skelném stavu; název pochází od modifikace SiO2- křemen, jenž je nejčastější výchozí surovinou. Běžné komerční druhy čirého křemenného skla obsahují řádově 10-2 hmot. % nečistot (oxidy, hydroxylové skupiny). Tavenina čistého SiO2 se velmi snadno přechladí na sklo; viskozita při teplotě tání (1726oC) je asi 107 dPas. Z praktického hlediska je významná nejnižší teplota, při níž se objevují první stopy krystalizace; znatelná vrstvička cristobalitu se začíná tvořit na povrchu obvykle mezi 1150 až 1200 °C. Tato teplota závisí značně na stupni znečištění povrchu a udává horní mez pro běžné praktické použití. Při trvalé tepelné expozici tato vrstvička není na závadu; při ochlazení však následkem rozdílné roztažnosti skla a cristobalitu a zejména nízkoteplotní modifikační přeměny cristobalitu popraská, zmatní a může způsobit úplné porušení výrobku. U běžných typů křemenného skla přísluší viskozitě 1013 dPas teplota asi 1180 °C; krátkodobě bez zatížení lze křemenné sklo použít i při teplotě vyšší, pokud není na závadu krystalizace povrchu. Teploty deformace (log ‹ ≈ 11) se dosahuje asi při 1280°C; vznikající vrstva cristobalitu ji posunuje výše. Krystalizace křemenného skla začíná prakticky vždy na povrchu a cristobalitová vrstva narůstá do hloubky. Křemenné sklo se vyrábí v největším množství v podobě trubic určených k výrobě osvětlovacích výbojek a různých aparatur. Surovinou je obvykle velmi čistý křišťál (z Brazílie). Rozdrcená křemenná surovina se taví ve vakuu kolem 2 000 °C. Viskozita taveniny je ještě tak vysoká (105 až 106 dPa s), že uzavřené bubliny plynů nelze odstranit vzestupem k hladině. Plyny se musí z prostorů mezi zrny suroviny odstranit vysokým vakuem před počátkem slinování (do l 400 °C), aby se póry mohly beze zbytku uzavřít. Za vysokých teplot však nesmí tlak klesnout pod hodnotu rovnovážného tlaku par, který je následkem částečné redukce na SiO poměrně vysoký, takže by mohla nastat expanze bublin místo kontrakce. Sklo se taví indukčně v grafitových kelímcích nebo odporově v kelímcích z wolframu nebo molybdenu. Křemenné sklo se stále více uplatňuje v moderní technice, protože má tyto vlastnosti: 1. vysokou teplotu měknutí při zachování průhlednosti; 2. mimořádně nízký koeficient roztažnosti, jenž je příčinou vysoké odolnosti k teplotním rázům; trubice z křemenného skla snesou ohřátí do červeného žáru a ochlazení vodou; koeficient roztažnosti při normální teplotě je 5 . 10-7; pro 20 až 1 000 °C se uvádí střední hodnota ∝ = 6 . 10-7 K-1; 49
3. vysokou propustnost pro krátkovlnné záření zasahující až do UV oblasti (při vlnové délce 200 nm ještě 50%, u speciálních typů až do 80%); využívá se jí v lékařské technice, při výrobě zářivek aj.; 4. vysokou elektrickou izolačnost (105 až 106 Ω cm při l 000 °C) a nízký ztrátový činitel (tg• = 1. 10 -4); 5. vysokou chemickou odolnost vůči vodě a vodným roztokům, zejména kyselým. (Hlaváč J., 1988)
5.2.2 Sodnokřemičité sklo Na2O-SiO2. Vodní sklo. Vodní sklo je koloidní roztok alkalických křemičitanů, je to čirá nebo slabě zakalená viskózní kapalina našedlé nebo narůžovělé barvy, alkalické reakce, neomezeně mísitelná s vodou, vznikající rozpuštěním alkalicko- křemičitého skla, nejčastěji sodného, ve vodě. Výroba je dvoustupňová: První stupeň výroby patří do sklářské technologie. Sodnokřemičité sklo se taví z písku a sody v kontinuální vanové peci při asi 1 400 °C; plynule vytékající sklovina se ochlazuje vodou. Takto vyrobené sklo je zcela průhledné, avšak působením vlhkosti se na jeho povrchu brzy utvoří bělavý povlak produktů hydrolýzy. Druhý stupněm je jeho rozpouštění. Sodnokřemičité sklo v uvedeném rozmezí složení je dobře rozpustné ve vodě (uvádí se rozpustnost 30 až 60 %), avšak rychlost rozpouštění je nízká. K převedení do roztoku je účelné sklo rozdrtit a rozpouštět za zvýšené teploty a tlaku v autoklávu. Sklo s modulem n = 3 potřebuje k rozpuštění při 100 °C a velikosti částic 0,5 mm 3 až 4 hodiny. V autoklávu za tlaku 0,4 až 0,7 MPa se rychlost rozpouštění několikanásobně zvýší, takže není nutno používat jemně mletý prášek skla. Využití: Tuhnutí a tvrdnutí vodního skla je způsobeno tvorbou kontinuální sítě křemičitého hydrogelu. 1) K tomu dochází snížením obsahu vody a tato vlastnost umožňuje využití vodního skla jako lepidla 2) Chemického tvrzení reakcí vodního skla s CO2 je využíváno u slévárenských forem Tuhnutí vodního skla je využíváno u tmelů pro vysoké teploty, ale též pro nehořlavé a antikorozní nátěry. Jeho využití je též při výrobě dezinfekčních a odmašťovacích prostředků, svařovacích elektrod, výrobě fasádních nátěrových hmot na silikátové bázi, pojiva do speciálních žáruvzdorných vyzdívek, ochranných nátěrů pórovitých stavebních hmot ale též jako náplň do alkalických akumulátorů. Vodní sklo se používá k impregnaci papírových tkanin, jako plnivo do mýdel, k ochraně a sanaci přírodního kamene, ale zejména jako pojivo kyselinovzdorných tmelů, žáruvzdorných materiálů (např. v kombinaci se šamotovou moučkou), nástřiků pro protipožární ochranu konstrukcí nebo kopolymerů, tradičním využitími je ke konzervaci vajec,
5.2.3 Obalové, ploché a užitkové sklo. Na2O-CaO-SiO2 Nejrozšířenějším typem podle vyráběného množství je ploché a obalové sklo, jehož složení je odvozeno ze systému Na2O-CaO-SiO2. Jedná se tedy o křemičité sklo sodnovápenaté. Vzhledem k optimalizaci požadavků na viskozitu a potlačení krystalizace se vyvinulo ustálené složení plochého a obalového skla, jež se pohybuje v rozmezí: 70-73,5 SiO2; 0,6-2,0 Al2O3; 6-11 CaO; 1,5-4,5 MgO (~ 12 CaO + MgO); 13-15 hmot. % Na2O. Malé odchylky ve složení souvisí s požadavky na tavící a tvarovací vlastnosti, dále na chemickou odolnost. U plochého skla mívá poměrně vysoký obsah alkálií sklovina typu 50
Fourcault, zatímco pro bezvýtlačnicové tavení a proces Float je obsah alkálií nižší. K témuž typu skel patří i sklo tvarované litím, stavební skleněné tvárnice, determální sklo (s obsahem zhruba 0,3 % Fe2O3) aj. Velmi podobné je složení bezbarvých obalových skel. Vyšší obsah alkálií a nižší SiO2 + Al2O3 (v nahoře uvedených mezích) je obvykle vyvolán požadavkem na lepší tavitelnost, popřípadě i délku tvarovacího intervalu. Při použití méně kvalitních písků se běžně provádí odbarvování. Požadavky na homogenitu skloviny se v poslední době zvyšují s ohledem na trend k velmi lehkým, tenkostěnným a přitom dostatečně pevným obalům. Obdobné základní složení mají i barevná láhvová skla. Liší se ovšem obsahem barvicích oxidů. Pro zelená skla s olivovým odstínem se používá kombinace: 1,5 až 2,0% Fe2O3 a 0,3 až 0,8% MnO. Čistšího zeleného odstínu se dosahuje barvením Cr2O3 nebo Cr2O3 + Fe2O3 (0,1 až 0,2% Cr2O3, 0,1 až 1% Fe2o3 ) Hnědého zbarvení se dosahuje opět kombinací Fe2O3 + MnO, avšak v poměru l:2 až 1:3, nebo častěji barvicím účinkem malých množství železa, a síry (tzv. ambr, viz TVS1 kap. 6). Zbarvení je výsledkem rovnováhy iontových seskupení Fe2+-Fe3+-S2--SO4-. Tento způsob barvení je velmi citlivý na oxidačně-redukční podmínky; k zbarvení stačí 0,1 až 0,25 % Fe2O3 za přítomnosti síry ze síranů nebo sulfidů. Barevná obalová skla mají důležitou funkci při přechovávání potravin a nápojů, neboť je chrání před škodlivým působením krátkovlnného záření; nejúčinněji tuto složku záření absorbuje sklo hnědé, které je také výhodnější z výrobního hlediska, neboť lépe propouští tepelné záření při tavičích teplotách. (Hlaváč J., 1988)
5.2.4 Tepelně odolná skla Na2O-B2O3-SiO2¨ Jako tepelně odolná se označují skla s lineárním koeficientem roztažnosti a nižším než 50. 10-7 K-1. Jak bylo uvedeno v kap. 1.2.1, teplotní roztažnost je pro tzv. tepelnou odolnost skla (tj. odolnost k teplotním rázům) rozhodující. Tato skla byla původně vyvinuta hlavně pro laboratorní účely, dnes mají také rozsáhlé použití průmyslové. Klasickým laboratorním sklem u nás bylo sklo KS (Kavalier, Sázava), zavedené do výroby již v roce 1837 a ( = 87 10.-7). Neobsahovalo B2O3, mělo zvýšený obsah Si02 (75 hmot. % a snížený obsah alkálii (9,8% Na2O + 3,9% K2O). Hlavním reprezentantem této skupiny bylo jenské sklo G 20, u nás Sial, vyráběný po roce 1951. Tomuto typu skla je příbuzné tzv. sklo neutrální pro farmaceuticky průmysl a lékařství; vyrábí se z něho ampule pro injekční roztoky apod. Z tohoto skla se ani při sterilizaci na 120 °C neuvolňují do roztoku alkalické ionty nebo jiné látky se škodlivým fyziologickým účinkem, takže se nepoškozují kapalná léčiva ve skle přechovávaná. Snahy o vývoj skla s co nejnižším a vedly k patentování a později k výrobě skla označeného obchodní značkou Pyrex (Corning Glass Co., 1919). Dnes se sklo tohoto typu vyrábí jako hlavní zástupce tepelně odolných skel ve všech technicky vyspělých zemích. K tomuto typu patří také u nás vyvinuté sklo Simax s ∝= 32 . 10 -7, jehož složení je uvedeno v Tab. 5. Vysoký obsah SiO2 vyžaduje vysoké taviči teploty (kolem l 600 °C) a velmi kvalitní žárovzdornou vyzdívku. Osvědčuje se tavení v celoelektrických pecích. Ze skla Simax se vyrábí laboratorní nádobí, aparatury, průmyslová dopravní potrubí, varné nádobí pro domácnost aj. oxid
SiO2 B2O 3 Al2O3 Na2O K2O
hmot % 12,8
12,8
2,3
3,5
Tab. 5 Oxidové složení skla SIMAX
51
1,2
Z Tab.5 je zřejmé, že toto sklo náleží svým složením do základní soustavy Na2O-B2O3-SiO2. Označuje se jako borito-křemičité sklo, nebo též jako borosilikát. (Hlaváč J., 1988) Shrnutí Pro utvoření celistvého názoru na technologii výroby skla je nezbytné mít přehled o základních typech vyráběných skel ale i o pojmenování jednotlivých druhů skel. Kontrolní otázky 18. Rozdělení skel podle chemického složení 19. Rozdělení skel podle barvy 20. Rozdělení skel podle čirosti 21. Rozdělení skel podle zvláštních vlastností a použití 22. Základní soustavy průmyslově vyráběných skel a jejich zástupci 23. Co je to vodní sklo a jaké má využití? 24. Čím je výjimečné křemenné sklo a sklo SIMAX?
52
6 Křišťálová skla a lazury Studijní cíle: Studující se seznámí se základními typy křišťálových skel, jejich výchozími soustavami i nepominutelnými technologickými zásadami jejich výroby. Současně získají zjednodušený přehled o zušlechťovacích postupech využívaných především u křišťálů. V druhé části získá podrobnou informaci o lazurách a lazurování, postupu využívaném při zušlechťování křišťálů. Klíčová slova: Křišťálové sklo, český křišťál, anglický křišťál, olovnatý křišťál, vysoce olovnatý křišťál, lazury, stříbrná lazura, lazurovací směs, měděná lazura, lithyalin, Potřebný čas: 2 hodiny
6.1 Křišťálová skla soustavy K2O-CaO-SiO2 a K2O-PbO-SiO2 Oxidy olovnatý a draselný jsou charakteristickou složkou skel zvaných křišťály, neboť se vzhledem podobají horskému křišťálu - drahokamové odrůdě křemene. Základními soustavami, z nichž lze tato skla většinou odvodit, jsou K2O-CaO-SiO2 a K2O-PbO-SiO2. Kromě křišťálových skel užitkových je K2O i PbO častou složkou optických, zátavových a jiných technických skel, o nichž bude pojednáno zvlášť. Pojmem křišťálové sklo (křišťál) se označuje velmi kvalitní druh čirého bezbarvého skla s vysokým leskem a vysokou světelnou propustností. Používá se pro výrobky umělecké, dekorační a též užitkové (např. stolní sklo). Historickými reprezentanty byly svého času: 1. český křišťál 2. anglický křišťál
draselnovápenatý draselnoolovnatý
K2O-CaO-SiO2 a K2O-PbO-SiO2
V současné době jsou podmínky pro určování jednotlivých druhů křišťálového skla včetně názvů těchto druhů, vlastností, které je charakterizují, jim přidaných symbolů a metod stanovení příslušných chemických a fyzikálních vlastností, stanoveny Vyhláškou Ministerstva průmyslu a obchodu ze dne 10. října 2000 č. 379/2000, uveřejněná ve Sbírce zákonů, částce 104, download.mpo.cz/get/26885/27236/301822/priloha001.doc Jednotlivé druhy křišťálového skla se označují těmito názvy a jsou pro ně stanoveny následující podmínky: 1) vysoce olovnaté křišťálové sklo 30 % PbO, PbO ≥ 30 ℎH€• %, ℎƒ„•€•Z … ≥ 3,00 †/GH3 , označení kulatá nálepka zlaté barvy průměr ≥ 1GH 2) olovnaté křišťálové sklo 24 % PbO, PbO≥ 24 ℎH€• %, ℎƒ„•€•Z … ≥ 2,90 †/GH3 , označení čtvercová nálepka, barva stříbrná, délka strany≥ 1GH 3) křišťálové sklo krystalin, Jednotlivě nebo v kombinaci ZnO+BaO+PbO+K2O≥10%, ℎƒ„•€•Z … ≥ 2,45 †/GH3, index lomu nD ≥1,520, označení čtvercová nálepka, barva stříbrná, délka strany≥ 1 cm 4) křišťálové sklo.
53
Jednotlivě nebo v kombinaci BaO+PbO+K2O ≥10%, hustota … ≥ 2,45 †/GH3 , tvrdost povrchu Vickers 550 ± 20, označení nálepka ve tvaru rovnostranného trojúhelníku, barva stříbrná, délka strany ≥ 1 cm. Prvořadou podmínkou pro vyrobení kvalitního křišťálu je nízký obsah barvicích složek ve vsázce, jejichž účinek je navíc ještě potlačen pečlivým odbarvením. Vzhled skla podporují K2O i PbO tím, že dávají lepší možnost odbarvení, a zvýšením indexu lomu. Průmyslově vyráběné typy křišťálových skel lze v některých případech snadno přiřadit k uvedeným ternárním soustavám, jindy je složení komplikovanější. Z dalších oxidů se ve složení objevuje Na2O a BaO v menším množství také ZnO, B2O3 a MgO. Složení draselnovápenatého skla se posunuje ke křišťálům zvaným sodnodraselné, v nichž u tradičního českého typu převažuje K2O, avšak často se vyrábějí i křišťálová skla s převažujícím obsahem Na2O. Příklady složení obou typů jsou uvedeny v Tab.6 sklo
oxid
SiO2 B2O2 CaO Na2O K2O
Pb křišťál
hmot % 59,0
Sodnodraselný kř. hmot % 75,0
0,4
6,7
PbO ZnO
2,0
12,0 25,0
6,1
11,4
1,5
Tab. 6 oxidové složení křišťálů
Pravé olovnaté křišťály obsahují 24 až 32% hmot. PbO. Typické složení je rovněž uvedeno v tab. 6. Existuje však řada přechodných typů s obsahem PbO mezi 4 až 10%, jež obsahují vedle SiO2, PbO, a K2O také BaO (rovněž zvyšující index lomu) a další oxidy (Na20, CaO, ZnO, MgO aj.). Za zušlechťující oxidy jsou pokládány PbO, ZnO, BaO a K2O. Křišťálová skla se taví ze surovin s nízkým obsahem barvicích složek, zejména oxidů železa (méně než 0,025% Fe2O3 ve skle) a Cr2O3. Téměř vždy se ještě sklo odbarvuje, a to jak chemicky (oxidačním tavením), tak i fyzikálně. U draselnoolovnatých skel se k tomuto účelu používá zejména NiO, u sodnodraselných křišťálů je vhodná kombinace Se + CoO. Pro vysoce kvalitní výrobky je výhodné použít oxidy vzácných zemin (Nd2O3 a Pr2O3). Odbarvování s výjimkou vzácných zemin obvykle citlivé na oxidačně-redukční podmínky při tavení, neboť zúčastněné barvicí látky mění oxidační stupeň barvících iontů. Výběr odbarvovacích látek je omezen také nebezpečím solarizace, tj. samovolných oxidačně-redukčních změn působením slunečního záření. Jako čeřicí látka se nejčastěji používá As2O3, resp. Sb2PO3 s dusičnany, dále Na2SO4 a NaCl. U olovnatých skel je Na2S04 nevhodný, neboť vzniká zákal způsobený patrně PbSO4. K tavení křišťálových skel, se tradičně provádělo v pánvových pecích, se dnes používá též malých kontinuálních pecí vanových. U bezolovnatých a nízce olovnatých skel se osvědčily celoelektrické pece o výkonnosti několika tun za den. (Hlaváč 1988)
6.1.1 Přehled zušlechťovacích technik křišťálů U výrobků z křišťálových skel se často provádí úprava povrchu (zušlechťování) mechanickými i chemickými způsoby. Z prvních je nejdůležitější rytí a broušení. Leptání skla se zakládá na chemickém působení kyseliny fluorovodíkové a fluoridů na sklo. Jsou-li produkty leptání v kapalinové lázni rozpustné nebo dají-li se z povrchu mechanicky odstranit, vzniká lesklý povrch, např. účinkem roztoku HF + H2SO4 +H2O. Tento postup se uplatňuje při chemickém leštění broušených povrchů nebo pro tzv. hluboký lept. K matovému leptání se používají páry HF, vodné roztoky
54
solí (např. KHF2, K2CO3) a HF nebo také leptací pasty (např. NH4HF2 + BaS04); produkty leptání pokrývají zčásti povrch, takže leptání pokračuje pouze mezi krystaly produktů a získává se tak drsný matný povrch. Při malování skla sklářskými vypalovacími barvami, kdy se na povrch skla nanáší prášek nízkotavitelných skel s přídavkem barvicích látek v kašovité suspenzi a po usušení se vypaluje při teplotách 500 až 600 °C. Výpalem se vytvoří souvislý povlak (smalt). Při malbě drahými kovy vznikají na povrchu skla dekorovaných výrobků kovové povlaky, které se tvoří redukcí sloučenin zlata nebo platiny za zvýšených teplot. Jiný způsob barvení představují tzv. lazury, jež vznikají difúzí barvicí látky do povrchu skla rovněž v oblasti 500 až 600 °C. Na sklo se nanese směs kaolínu s vodou a AgCl nebo CuSO4. Ionty kovu difundují do skla výměnou za alkalické kationty a zbarvují povrch skla, v případě Ag+ žlutě. Difúzí Cu2+ nejdříve vzniká žlutozelené zbarvení, jež přejde vypálením v redukční a pak oxidační atmosféře ve zbarvení červené. Příčinou zbarvení jsou v obou případech koloidní částice vyredukovaného kovu. (Hlaváč J., 1988)
6.2 Lazury Lazury tvoří zvláštní skupinu zušlechťovacích technik, která se běžně zařazuje do malířských technik, protože s malováním mají totožný způsob nanášení, tj. štětcem, stříkáním nebo tiskem, i podobný způsob vypalování. Zásadní rozdíl je však v tom, že při malování se na povrch skla nanáší nová vrstva cizí hmoty, která se v žáru s původním povrchem spojí a původní povrch zůstává viditelně nezměněn. Naproti tomu u lazur se na povrch skla nanáší suspenze s obsahem stříbrné nebo měděné soli. V žáru vnikají ionty těchto kovů do původního povrchu skla za současného vystoupení iontů alkalických kovů. Ionty stříbra nebo mědi zabarvují sklo a mění do určité hloubky jeho chemické složení. Výměna iontů v povrchu skla: Na-silikát + Ag+ = Ag-silikát + Na+ Na-silikát + Cu 2+ = Cu-silikát + 2 Na+ Původní suspenze se po vypálení smyje i se zbytky těchto kovů a s produkty reakce výměny iontů. Po smytí nezůstává na původním povrchu žádná nová vrstva, nýbrž vniknutím čili difúzí iontů stříbra nebo mědi se sklo zabarví. Tloušťka zabarvené vrstvy skla je dána hloubkou, do které vnikají ionty kovů. U červené lazury proběhne difúze do několikanásobně větší hloubky, než je tloušťka červené povrchové vrstvy. Zároveň se stříbrné ionty ve skle redukují. Podle stupně oxidačního nebo redukčního složení skla, prostředí ve vypalovací peci, doby vypalování a výše teplot je možno ovlivnit zabarvení povrchové vrstvy skla. Rovněž u skla vykazuje povrchová vrstva vzniklá difúzí stříbra nebo mědi zlepšené vlastnosti. Zlepšuje se např. velmi znatelně chemická odolnost, což lze vysvětlit tím, že sodíkové ionty, které jsou snadno vyluhovatelné a způsobují tedy špatnou chemickou odolnost skla, se při lazurování zaměňují za ionty kovů. Lazurované sklo nelze srovnávat se sklem malovaným ani vzhledově pro zcela přirozený lesk povrchu průhlednost a čirost barvy. Poznámka: celá kapitola věnovaná lazurám vychází z knihy: (Bachtík S., Pospíchal V., 1964)
6.2.1 Stříbrná lazura Historický vývoj
55
Stříbrná lazura, dříve zvaná stříbrná žluť, je známa již od doby raného středověku. Malíři jí zdobili chrámová okna snad již v 11. století. O stříbrné žluté lazuře se zmiňuje v 18. stol. i Kunckel ve své knize Ars vitraria a počátkem 19. stol. se jí zabývá Friedrich Egermann v Polevsku u Nového Boru a zavádí ji v průmyslové výrobě. Tohoto jednoduchého procesu se používalo a používá někdy i dnes v malířství skla místo transparentních barev. Snadnost, reprodukovatelnost procesu a jeho zvláštnost byla vždy předmětem nesčetných studií. Týkaly se zejména podmínek disociace solí stříbra, výměny iontů alkálií za ionty stříbra, difúze, někdy až do mimořádné hloubky i různých odstínů, a intenzity zbarvení povrchu skla. Bylo také ověřeno, že krásné žluté zabarvení povrchu skla stříbrem je možno získat výlučně lazurováním, kdežto barvení průhledné skloviny stříbrem v celé hmotě se při tavení skla nepodařilo. Částice stříbra se shlukují natolik, že sklo není zbarvené, ale zakalené. Zkoušky, provedené tak, že utavené sklo barvené stříbrem bylo prudce ochlazeno fritováním, dokázaly, že sklo zůstalo průhledné
Obr. 14 sklenice firmy Egermann Nový Bor. zušlechtěná měděnou lazurou http://www.glassrevue.com/news.asp@nid=1028&cid=6.html Exnar P.: Stříbrná lazura. Glassrevue.com, vydání 16/2002
Teorie procesu. Při lazurování probíhá za zvýšené teploty nejprve výměna kationtů mezi sklem a lazurovací směsí. Do skla vstupují stříbrné ionty a stejný počet alkalických iontů ze skla vystupuje. Možnost výměny je dána velmi podobnou velikostí iontů. Poloměr Ag+ je 1,13 angstrómů, poloměr Na+ je 0,98 angstrómů. Stříbrné ionty z povrchu vnikají i dále do hloubky. Ve skle bývají obsažena redukovadla, která redukují stříbrné ionty Složení lazurovací směsi Stříbrná sůl se smísí s indiferentní látkou, která se neúčastní reakce. Může to být okr žlutý nepálený, okr červený pálený, oxid železitý, jíl, kaolín, popřípadě síran barnatý. Z indiferentních látek má příznivý vliv přísada sulfidu železnatého, FeS, který je málo stabilní a přechází v oxid železitý, Fe203; tím působí rovněž redukčně a zintenzivňuje zabarvení. Má-li být indiferentní složka zvlášť jemnozrnná, uplatní se dobře taková látka, která je chemicky srážena, jako např. síran barnatý BaS04. K této směsi se přidá voda, terpentýnový olej nebo líh a vytvoří se kašovitá suspenze, která se nanáší na sklo. Pozoruhodný je vliv přísady damarového laku, je-li suspenze připravena s terpentýnem. Damarový lak při vypalování lazury zanechává spalováním zplodiny, které svým redukčním účinkem příznivě ovlivňují intenzitu zabarvení lazury.
56
Ve vodní suspenzi má stejný účinek přísada škrobu, klihu nebo jiných spalitelných látek. Méně důležitá je koncentrace Ag, více záleží na druhu sloučeniny a na její redukovatelnosti. Ze stříbrných solí se používá kysličníku stříbrného, Ag2O, uhličitanu stříbrného, Ag2CO3, chloridu stříbrného, AgCl, dusičnanu stříbrného. AgNO3, a sulfidu stříbrného, Ag2S. Stříbrné soli, jako všechny soli drahých kovů, jsou nestálé, snadno se redukcí rozkládají. Z nich se nejhůře rozkládá sulfid stříbrný. Oxid stříbrný barví při nejnižší vypalovací teplotě. Nejvýhodnější je uhličitan stříbrný v poměru 1:3. Rovněž výhodný je chlorid stříbrný v poměru 1:5. Poměr stříbrné soli k okru bývá od 1:10 až k 1:1. Optimální poměr je 1:5. Při vysoké koncentraci stříbra, 1:1, se lazurovací směs snadno přitaví ke sklu. Podle stechiometrického složení při záměně sloučeniny stříbra je nutno počítat s jeho různým obsahem, neboť 1 g Ag je obsažen v 1,33 g AgCl, ale v 1,58 g AgN03. Z lazurovací směsi přejde do povrchu skla pouze malá část stříbra, ostatní zůstává ve směsi nevyužito. Při koncentraci 1:5 přejde do skla průměrně přes 10 % Ag, takže téměř 90 % Ag zůstává ve směsi. Použité lazurovací směsi se po smytí znovu používá za přidání směsi nové. V lazurovaném povrchu skla bývá stříbro v koncentraci kolem 1 %, počítáno na složení skla. Směs musí být dokonale mleta nebo třena, aby byla jemná a homogenní. Přítomná zrna, např. zrna písku, vytvářejí kolem sebe místa s vyšší koncentrací stříbra a dávají odlišné zabarvení. Takto upravené směsi lze záměrně dekoračně využít. Výše vypalovací teploty a doba výdrže Intenzita zabarvení se zvyšuje se stoupající teplotou, jejíž výše je však omezena teplotou deformace skla. Barva se mění s dobou vypalování zejména při nejvyšší teplotě, neboť rychlost difúze iontů je největší při vysokých teplotách. Omezení výše teplot nutné pro nebezpečí deformace skla je nahrazeno delší výdrží, až 2 hodiny. Při vysokých teplotách je také zvýšena rychlost růstu koloidních částic stříbra a tím se posunuje barva směrem k červené. Chemická odolnost Lazurováním se vytvoří povrchová vrstva žlutě zbarvená se značnou chemickou odolností a se zvýšenou pevností mechanickou. Chemická odolnost povrchu méně odolných skel se zvyšuje až o dvě hydrolytické třídy ve srovnání s použitým základním sklem. Tento poznatek je možno sledovat na středověkých sklech. Lazurovaná místa jsou povětrnostními vlivy nedotčena nebo jsou rozrušena jen nepatrně. Místa okolní, nelazurovaná, jsou rozrušena hrubě. Hloubka difúze Hloubka pronikání Ag+ do skla je opět dána jeho složením. U měkkých, lehce tavitelných skel je větší, u skel tvrdých je menší. Běžně kolísá od 0,15 do 0,23 mm, může však být menší. Větší hloubka, nad 0,23 mm, nebývá obvyklá. Lazura a nehomogenita skla Lazurováním skla stříbrnou lazurou vyráběl Egermann známé žluté zabarvení povrchu skla od roku 1820. Zkoušel však také sloučeniny jiných kovů a použil i modré skalice a směsi obou lazur s přídavkem sloučenin jiných kovů. Zkoušel na všech sklech tehdejší výroby a tak objevil své drahokamové sklo, které po dobrozdání profesora university ve Vídni pojmenoval lithyalin (kolem r. 1828).
57
6.2.2 Měděná lazura Teorie procesu Měděná lazura vytváří na povrchu skla průhlednou vrstvu zabarvenou sytě rubínově červeně. Podle dosavadních poznatků je červené zabarvení povrchové vrstvy způsobeno koloidní formou mědi velikosti částic 50 nm (50milimikronů). Červená vrstva vzniká: 1. výměnnou reakcí v povrchové vrstvě skla, při níž se nahrazují ionty alkálií ve skle mědí z lazurovací směsi; 2. difúzí iontů mědi do skla za zvýšené teploty; 3. redukcí velké části iontů mědi, Cu2+ a Cu+ na kovovou měď, Cu°; 4. shlukováním rozptýlených částic za zvýšené teploty na částice koloidních rozměrů, jež se projevují jako červené zabarvení.
Obr. 15 Měděná lazura (sklenice firmy Egermann Nový Bor.) Petr Exnar, Hradec Králové Technika, technologie - vydání 18/2002 http://www.glassrevue.com/news.asp@nid=1028&cid=6.html
Lazurovací směs Lazurovací směs se v podstatě skládá z jílu a síranu mědnatého v takovém poměru, aby byla zajištěna optimální iontová výměna a difúze. Ta proběhne při prvním výpalu, při kterém se povrch skla zabarví žlutozeleně. Druhým, redukčním výpalem jsou difundované ionty mědi na povrchu skla redukovány na Cu+, popřípadě kovovou měď. Posledním třetím výpalem za zvýšené teploty nastává shlukování do částic koloidní velikosti. Pro měděnou lazuru je typická mimořádně malá tloušťka vrstvy. Je tak tenká, že i při nepatrném poškrábání povrchu se ihned ukáže spodní bezbarvé sklo. Nepatrná poškrábání jsou ve sporných případech vodítkem při zjišťování druhu barevné vrstvy na skle. 58
Měděná lazura je výrobně dražší než lazura stříbrná, i když se pracuje s levnější modrou skalicí ve srovnání s cenou stříbrných solí. Výrobní cenu zvyšuje trojí výpal, který téměř trojnásobně zvyšuje spotřebu elektrické energie. Při trojím výpalu jsou i vyšší manipulační náklady s výrobky. Vypalování v pásových pecích není možné pro vysoké nároky na těsné uzavření při redukci. Pokud se lazura vyrábí v malém měřítku, lze ji vypalovat i na dva výpaly tak, že se po redukčním výpalu redukce odstraní a po vyvětrání se pec znovu zapne. Redukční lazury a lithyalin Společná pro všechny redukční lazury je redukce solí stříbra, mědi, popřípadě jiných sloučenin, z nichž nejčastější jsou sloučeniny vizmutu. Soli uvedených kovů se redukují přímo na povrchu skla redukčně utavenýrn sklem nebo je redukce uskutečněna při vypalování výrobků
Obr. 16 Lithyalinový flakon Čechy, Nový Bor, Friedrich Egermann, okolo 1830. Kulovitý flakón z červeného hyalitu, broušený, s hladkým hrdlem ukončeným límcem, zdobený na plášti barevně efektním mramorováním zelenožlutou lazurou imitující drahé kameny, pod hrdlem zlatem malovaný pás obíhajících palmet
http://www.papilio.cz/cz/archiv.php?aukce=a28&pol=9780&PHPSESSID=4e4328653dc 946cb20ca43a4aa16e0fc Lithyaliny vyráběné v letech 1828 až 1840 jsou prvními redukčními lazurami. Egermann dokonce využil redukčně tavených skel a skel utavených nedokonale, tj. nehomogenních. Na výrobky nanášel štětcem lazurovací směsi pokud možno ve stejných nánosech. Různobarevného pruhování dosáhl různou redukční schopností nehomogenního skla. Využil také různé redukční schopnosti vnějšího a zbroušeného povrchu, tedy spodních vrstev různě probroušených do hloubky Nanášení lazurovacích směsí O způsobu nanášení rozhoduje funkce lazury a velikost ploch určených k pokrytí: 1. Pro stejnoměrný nános po celém povrchu skla je nejvhodnější nanášet směs širokým štětcem. Rotační výrobky se přitom staví na otáčející se točnu. 2. Zajímavá struktura lazury vzniká, stříká-li se lazurovací směs pistolí. Kromě běžné, stejnoměrně nanesené vrstvy se může vytvořit lazura stínovaná s plynulým přechodem od nejsvětlejších odstínů až do barev nejintenzivnějších. 1. Hrubší struktura se získá nanášením směsi přes silonovou síťku kartáčkem. Povrch skla má tečkovitý charakter, který z určité dálky dává stejnoměrný barevný odstín. Technika připomíná známé akvatintové zrno z grafiky. 59
Obtížnější je nanášení, má-li lazura vykrýt jenom omezené místo, a to ještě nemá-li být nános stejnoměrný, ale plastický, aby byla lazura po vypálení stínovaná Proces je vhodný zvláště pro skla se zvýšenou schopností vytvářet lazurováním intenzívní barvy. V těchto případech se použije obvyklého malířského stínování. Dokonalé jsou zejména figurální malby. Také je možno nános stírat mokrým štětcem a tím vyplavovat soli z lazurovací směsi. 2.
Kombinace lazur Ze vzájemných kombinací lazur lze dobře uskutečnit kombinaci lazury červené a žluté. Stříbrná směs pro žlutou lazuru se nanáší až před třetím výpalem měděné lazury. Kombinace černé lazury s barvami nebo se zlatem je prakticky neproveditelná, poněvadž se barvy i zlato redukcí nepříznivě ovlivňují. Kombinace lesklého zlata s černou lazurou se musí vypalovat při poměrně nízké teplotě a jen za slabé redukce, takže je lazura nedostatečně tmavá. Běžně se zlato vypaluje při třetím výpalu lazury. Transparentní barva nanesená na červenou nebo jinou měděnou lazuru je průhledná, poněvadž rozpouští tenkou vrstvu skla s obsahem mědi. na kterou působí jako tavivo Jinak lze lazury kombinovat se všemi mechanickými a chemickými způsoby zpracování skla nanášením na broušené nebo ryté plochy, na sklo vrstvené a probrušované. Po lazurování se může znovu dobrušovat, takže se dosáhne velmi kombinovaných efektů. Rytina v červené lazuře působí velmi kontrastně, avšak u pracnějších rytin je nebezpečí, že se lazura poškrábe smirkovou směsí. Zvláště výhodné a rychlé zdobení je odlešťování tenkých vrstev malými leštícími kotoučky, takže se projeví barevná rozmanitost nepatrně tlustých vrstev. Jinak lze lazury odpískovávat nebo odmatovávat a odleptávat velmi zředěnou fluorovodíkovou kyselinou buď jen částečně, nebo do hloubky až na sklo původní barvy. Žlutá lazura odrývaná na elektrokorundových kotoučích, zejména je-li lazura tmavá, dává na okrajích mělkých řezů plynulý barevný přechod. Již dříve uvedená kombinace lazur s barvami transparentními vede mnohdy k jejich záměně za lazury. Běžné lazury však mají vždy zcela hladký rovný povrch, kdežto barvy vykazují mírnou plastiku vrstvy. Méně snadné je někdy rozeznávání lazur od listrů. U červené lazury je však i při nepatrném poškrábání, vidět spodní bezbarvé sklo. (Bachtík S., Pospíchal V. 1964)
Průvodce studiem Friedrich Egermann 1777-1864. Friedrich Egermann byl velkou osobností českého sklářství 19. století. Ze zcela chudých poměrů se vypracoval na významného malíře skla, technologa, obratného obchodníka a váženého občana. http://www.egermann.cz/?go=egermann&lang=cs
Shrnutí Cílem lekce bylo seznámit studujícího s historickými východisky pojmu křišťál ale i se současnými pravidly pro označování a podmínkami, která jsou pro označování tohoto typu skla závazně stanovená. Dále získal obecné informace o technologických podmínkách jejich výroby a běžných metodách využívaných k jejich zušlechťování. Druhá část kapitoly byla věnována lazurám a lazurování jako jedné z významných metod zušlechťování skla, která má pro český křišťál a jeho věhlas i historický význam.
60
Pojmy k zapamatování • • • • •
Křišťál, český křišťál, anglický křišťál Stříbrná lazura Měděná lazura Lazurovací směs Lithyalin
Kontrolní otázky 25. Od čeho se odvozuje název křišťál a kteří jsou jeho historičtí reprezentanti? 26. Jaké jsou požadavky na kvalitu čistotu pro výrobu kvalitních křišťálů? 27. V čem se liší malba skla a lazura? 28. Uveď jednotlivé fáze vzniku stříbrné lazury a měděné lazury a jejich rozdíly. 29. Co je to lithyalin? 30. Čím je významný Friedrich Egermann?
61
7 Prvotní opracování skla Studijní cíle: Studující bude schopen vysvětlit účel a využívané technologické postupy používané při prvotním opracování skla a dokáže popsat zařízení, která se k tomuto účelu používají. Klíčová slova: Opukávání skla, tepelná vodivost, teplotní roztažnost skla, sámování, leštění, zapalování skla, teplota měknutí skla, povrchové napětí, odtavování skla, leštění ohněm. Potřebný čas: 2 hodiny
7.1 Úvod Prvotním opracováním se rozumí úprava většinou již vychlazeného výrobku dalším dodatečným tepelným účinkem, bud plamenem úzkým (opukávání), nebo širokým (zapalování). Vysoce výhřevným plamenem se odtavují výrobky před chlazením. Vyhřátím povrchu výrobku nad teplotu měknutí se vyrovnávají povrchové nerovnosti (leštění ohněm). Dále do prvotního opracování patří též následující technologické operace: řezání, obrušování, sámování.
7.2 Opukávání Pojmem opukávání, někdy pukáni, se označuje způsob oddělování určitých částí skleněného výrobku, např. hlavic, nebo vůbec rozdělování výrobků na kratší kusy tím, že se ve výrobku vytvoří v úzkém pruhu teplotní spád a tím pnutí. Dělení skla za studena naříznutím a lámáním, které je poměrně snadné u plochého skla a všech skel vyráběných tažením, není již možné u skla dutého, které mívá v různých místech různou šíři, stěny kulové a často kónické.
Obr. 17 Opukávání a broušení v brusírně, dostupný z www: http://www.moravskesklarny.cz/technologie_vyroby.php
Po vyfouknutí a postupném vychlazení se polotovar musí dokončit v brusírně, kde se nejprve opukne (odřízne) přebytečná. část výrobku hlavice (kopna) a poté je nutné
62
vzniklou hranu obrousit a případně zapálit. U lahví se většinou ještě zavrtává hrdlo aby zátka dobře těsnila.
7.2.1 Teorie procesu Při opukáváni se využívá záměrně vyvolaného přechodného vnitřního napětí takové velikosti, že dojde k překročení mechanické pevnosti skla. Přispívá k tomu i malá tepelná vodivost a malá mechanická pevnost. Ta je dále snížena záměrným porušením povrchu skla. Vznik praskliny je podmíněn dostatečně velkou teplotní roztažností skla. Při opukáváni se tedy vyvolává ve stěně skla přechodné pnutí omezené na pruh široký několik milimetrů. Přechodné pnutí vzniká zvětšením objemu ohřáté části výrobku a jeho velikost proto závisí hlavně na součiniteli teplotní roztažnosti skla. Snadno proto pukají výrobky z běžného skla, jehož teplotní roztažnost je 80 až 95 x 10-7. Malá teplotní roztažnost skel tepelně odolných se projevuje při pukáni nepříznivě. Tak sklo Simax s α 32 x 10-7 se puká špatně. Křemenné sklo s α. 5,5 x 10-7 nelze vůbec tepelným způsobem pukat. (V těchto případech se oddělování řeší řezáním). Z uvedených bodů vyplývá, že na pukánÍ skla má velký vliv chemické složení skla ovlivňující jeho vlastnosti. Důležitý je i druh použitých hořáků. Při pukáni působí v místě dělení tak velké napětí, že je překročena mez pevnosti skla v tahu. K dosažení potřebného napětí se předmět v místě opukávání nahřívá. Při vzniku praskliny působí: součinitel teplotní roztažnosti skla, který má být dostatečně velký; malá tepelná vodivost; malá mechanická pevnost; naříznutí povrchu ke snížení mechanické pevnosti; prudké ohřátí ve velmi úzkém pásu; dostatečná výše teplot; tloušťka stěny výrobku. Při opukávání skla působí tyto vlivy: výše teplot, délka naříznutí, jakost naříznutí, shodnost výšky naříznutí s výškou pukáni, rychlost otáček výrobku, vystředění výrobku, tloušťka stěny výrobku a zatížení hlavice výrobku.
7.2.2 Opukávání plynovým hořákem. Tento způsob je nejběžnější. Puká se většinou zemním plynem spalovaným s kyslíkem pomocí skupiny malých hořáků. Tak se dosahuje maximální teploty úzkého plamene, který je schopen vytvořit potřebný teplotní spád nutný ke vzniku přechodného napětí. Používá se pukacích strojů se dvěma nebo třemi otáčejícími se točnami, na než se stavějí výrobky určené k opukávání. Pukaný předmět se postaví do první polohy na podložný talíř, nad nímž je nastaven vidiový hrot. Přitlačením stěny předmětu se povrch poruší naříznutím a předmět se přemístí na otáčející se talíř. Rychlost otáčení lze stupňovitě měnit. Hořáky umístěné podle výšky předmětů a seřazené do skupin po 3 až 5 při otáčení ohřívají úzkými, jehlovitými plameny povrch pukaného výrobku. Mezitím pracovník nařízne další výrobek a postaví jej na druhý rotující kotouč. První, již opuknutou hlavici sejme, odloží do střepů a předmět vloží do nosítek. Tento postup se pravidelně opakuje. Při pukáni výrobků s tlustšími stěnami trvá prohřívání déle. (Bachtík S., Pospíchal V. 1964) Kromě něho se někdy používá též pukání elektrickým proudem, který prochází odporovým drátem otočeným kolem skleněného předmětu. Drát se zahřeje a vytvoří potřebný teplotní spád. Tento způsob je výhodný pro pukání hranatých dutých předmětů.
63
7.3 Prvotní opracování - obrušování Po oddělení hlavice je okraj výrobku velmi nerovný a ostrohranný, proto musí být opracován obroušením. Obrušování je mechanický způsob úpravy povrchu skla.. Slabostěnné výrobky se obrušují a sámují na vázaném brusivu (brusné papírové kotouče nebo textilní pásy). U silnostěnných výrobků jako je tomu v tomto případě je účelné postupovat ve více etapách: Nejdříve je to tzv. hrubé broušení,(natrhávání, hrubování) kdy se na litinovém horizontálním kotouči hladinářského stroje pomocí volného brusiva v suspenzi s vodou zarovnají nerovnosti po opukávání, případně se upraví kolmost výrobku. Pro tuto operaci bývá používáno brusivo o ZRNITOSTI ( č. 60 až 120 ). V druhé etapě v tzv. jemném broušení,jemnění, se získá jemně matná hladká plocha dosud bez lesku, k tomuto účelu je používáno měkčí brusivo se zrnem menších rozměrů tzn. o větším čísle ZRNITOSTI ( Č. 150 až 220). (Bachtík S., Pospíchal V. 1964)
Obr. 18 hladinářský stroj HS 600, http://www.rebenda.cz/czech/ostatni/hs600.htm
7.3.1 Prvotní opracování - sámování Pro dosažení požadované kvality je nutné obroušení vnějších a vnitřních okrajů dutých výrobků. Tato operace se nazývá sámování. Sámování vnějších okrajů se provádí při jednotlivých operacích obrušování skla. Sámování vnitřního okraje pak kotoučem na kuličském stroji. Sámování je rovněž běžnou úpravou plochých skel broušení vnějších a vnitřních hran okraje dutých výrobků. Pozn. Sámek je hrana, na které bylo obroušeno jedno nebo obě ostří na plošku širší než 1 mm, ale menší než 5 mm. Nad šířku 5 mm se již jedná o fasetu
7.3.2 Prvotní opracování - leštění Konečný lesk se pak dosáhne finální operací - leštěním. Jako leštivo bývá v tomto případě suspenze pemzy s vodou, která se nejdříve nanese kartáčem na polyuretanový nebo plstěný kotouč. Leštění pak probíhá jemným tlakem výrobku na kotouč, při kterém dochází k postupnému snímání reliéfní vrstvy a původně matový povrch broušeného skla se vyhlazuje a stává se lesklým. Takto vnímáme povrch, jehož nerovnosti jsou menší než je vlnová délka viditelného světla (460 až 700 64
nm), proto nerozptyluje světelné paprsky. Tímto způsobem se postupuje na všech obroušených plochách. Závěrem je nutno výrobek důkladně umýt a zbavit ho veškerých nečistot a provést jeho kontrolu.
7.4 Zapalování (otavování) Zapalování, zvané též otavování, je technologický proces, jímž se opuknuté a obroušené okraje dutých výrobků, po broušení matné a s ostrými hranami, opracují ohněm. Někdy se tak opracovávají i skla technická, mnohdy bez předchozího obroušení (trubice). Při otavování se matné plochy vyleští ohněm, ostré kraje, jež by mohly zranit, se otaví a okraj se zpevní. Poněvadž slovo otavování zní podobně jako odtavování, proces představující u nechlazených výrobků odstraňování hlavice plamenem, je vhodnější tento postup nazývat zapalováním
7.4.1 Teorie procesu Zapalováním se upravují výrobky již vychlazené. Je proto možné takto zušlechťovat jen výrobky tenkostěnné, u nichž není nebezpečí, že prasknou při rychlém ohřátí a následujícím ochlazení. Ohřátí musí být tak silné, že se okraj výrobku roztaví a vlivem povrchového napětí zaoblí. Ohřátí na tak vysokou teplotu, aniž při tom výrobek popraská, je i u tenkostěnných výrobků možné jen za předpokladu, že se okraj nahřívá v dostatečně širokém pásu, aby byl teplotní spád rozložen na plochu širokou několik centimetrů. Zapalovat se proto mohou jen výrobky tenkostěnné - sklo technické i užitkové nápojové - nebo výrobky ze skla s malým součinitelem teplotní roztažnosti. Od opukávání plamenem se tedy zapalování liší tím, že využívá širokého plamene o vyšší výhřevnosti. Dosáhne se zaoblení okraje výrobku, zvýšené pevnosti okraje a zlepší se vzhled výrobku.
7.4.2 Užití Výrobky se zapalují přímo ve sklárně z mnoha důvodů. Hladké výrobky se mohou dodávat přímo obchodu. Mají-li se dále zdobit, dodávají se již tak upravené, že mohou být zušlechťovány bez předběžné úpravy. Zapalováním je nahrazeno několik pracovních postupů: jemné obrušování, zkosení hran čili samo vání a leštění Zapalování je vhodné jen pro výrobky tenkostěnné nebo takové, u nichž nevzniká tak velké trvalé pnutí, které by se projevilo prasknutím. Jsou to hlavně skla nápojová, např. kalíškovina, strojně tažené trubice a některé výrobky z technických skel. Jestliže se výrobky malují dodatečně, odstraní se vzniklé pnutí při vypalování. (Bachtík S., Pospíchal V. 1964)
7.5 Odtavování Při foukání skla je vytvářená nádoba nahoře ukončena částí (hlavicí - nespr. kopna), která dává dutině výrobku charakter zcela uzavřeného prostoru, do něhož se fouká vzduch. Hlavice se volně rozfoukne nad formou; bývá proto širší než vlastní výrobek a u každého kusu má jiný tvar a velikost. Sklář u pece oddělí od píšťaly výrobek i s hlavicí. Výrobky se ukládají do chladicích pecí. Při všech způsobech chlazení se chladí celý výrobek, a tedy i hlavice. Kromě opukávání, kdy se hlavice odděluje od vlastní nádoby až po vychlazení, je v některých výhodné oddělovat hlavici ještě před chlazením výrobku.
65
Odtavování je pochod, kterým je nadbytečná hlavice dutého výrobku oddělena za tepla před chlazením. Přidrží-li se vyfouknutá skleněná nádoba před hořákem spalujícím zemní plyn s kyslíkem v místě, kde má být hlavice oddělena, roztaví vysoce výhřevný a úzký plamen sklo natolik, že se v krátké době propálí otvor a ten se při dalším zahřívání rozšiřuje. Je-li místo jednoho hořáku zapojena celá řada malých hořáků rozložených do kruhu tak, aby obepínaly předmět v takové vzdálenosti, že právě nejžhavější část plamene se dotýká stěny, a předmět se zároveň otáčí, protaví se dosud teplý výrobek, právě vyfouknutý, v místě dotyku plamenů. Slabým tahem hlavice se pak může od výrobku oddělit.
Obr. 19 Odtavování
1 - průměr výrobku se v zahřívané části zužuje při současném zmenšování tloušťky stěny; 2 - tenká stěna se pro taví a před odpadnutím hlavice se vytahuje v nit; 3 - nit se přetrhne a na výrobku se vytvoří zbytek, který se sbalí v kapku. (Bachtík S., Pospíchal V. 1964) Při nestejné tloušťce stěny nádoby, která vzniká špatným rozdělením skla při foukání, se neoddělí hlavice najednou a po celém obvodu, nýbrž nejprve se odtrhne na místě nejtenčím, které je také nejteplejší, a nakonec v místě nejtlustším. V souhrnu lze říci, že odtavování má tyto přednosti: zpevňuje výrobek tlustším okrajem a ušetří další operace, tj. opukávání, obrušování nahrubo, obrušování jemněním, sámování a zapalování. Tento způsob je využíván zejména u velkosériových výrobků. Pro každý druh výrobků je nutno stroj zvlášť seřizovat. (Bachtík S., Pospíchal V. 1964)
7.6 Leštění ohněm Zvýšením teploty při leštění ohněm nastává přehřátí povrchové vrstvy skla a vyrovnání nerovností uplatňujícím se povrchovým napětím
7.6.1 Teorie procesu Při leštění ohněm je povrch výrobku vyhřát na teplotu vyšší, než je teplota měknutí skla. Ohřátí musí být tak rychlé, aby bylo sklo na povrchu tekuté; vnitřek hmoty musí mít teplotu nižší, než je teplota, při níž se výrobek deformuje. Výhodou je ostrý plamen, který rychleji ztekucuje jen velmi tenkou vrstvu skla. Využívá se zde špatné tepelné vodivosti skelné hmoty. V povrchové vrstvě se přitom vyrovnávají všechny povrchové nerovnosti, jako jsou nerovnosti z kovové formy, od tvarovacího nářadí, poškrábání, hrubé nerovnosti po broušení, nerovnosti po odstřihování nebo ostré hrany po sekání trubiček při výrobě korálků. Uvedené povrchové vady se mohou odstranit leštěním ohněm ihned po zhotovení výrobku ještě před chlazením, jako je tomu u výrobků lisovaných, foukaných do
66
kovových forem, hutnicky tvarovaných a roztáčených, vyráběných automaticky a odtavovaných.
7.6.2 Užití Tento postup bývá využíván u lisovaných výrobků, kde je nutné dosahovat zlepšení kvality povrchu nebo zaoblení hran. Hutní sklo má povrch leštěný ohněm, neboť výrobek se víckrát nahřívá v roztáčecí pícce, aby se mohl tvarovat. Sklo se netvaruje ve formě, a pokud se jí použije, pak jenom k dosažení základního tvaru. Jinak se pracuje s různými nástroji, jimiž se povrch skla místně tvaruje, nebo se do povrchu otiskují. K zahlazení hrubých stop i po ostřihování horního okraje se musí sklo nahřívat a tak leštění ohněm je zde součástí procesu tvarování. Totéž platí o jiných předmětech zahřívaných v roztáčecích píckách, jako jsou džbány nebo vystřihované košíky. Při výrobě jakostních výrobků ručně tvarovaných ve formách se předmět po vyjmutí z formy vkládá do ohně, aby se jeho povrch vyhladil a vyleštil, aniž nastane změna tvaru výrobku. Leštění ohněm může mít i následky nepříznivé. Lesklé zlato nanesené na povrch leštěný ohněm má malou přídržnost vlivem předchozí desalkalizace, změny chemického složení povrchu a zalitím povrchových nerovností vysoce křemičitého povrchu. Rovněž nanáší-li se na takovýto povrch měděná lazura, ionty mědi nemohou difundovat do hloubky a hromadí se v tenčí vrstvě než u neleštěného povrchu. Vada se projevuje jako známé zjátrovatění, zde vlivem vyšší koncentrace mědi v tenčí vrstvě skla. (Bachtík S., Pospíchal V. 1964)
7.7 Řezání skla Oddělení části skla vodou chlazenou kotoučovou diamantovou pilou, laserem nebo vodním paprskem pod vysokým tlakem. Řežou se především tlustostěnná skla nebo skleněné bloky. Řezání nahrazuje u tlustostěnných dutých výrobků opukávání. V současné době jsou pro klasické řezání používány nejčastěji diamantové kotoučové pily. Jsou tvořeny tenkým kovovým kotoučem, na jehož obvod je vázán diamantový prach (bort) určitého zrnění. Podle způsobu vazby diamantového zrna rozlišujeme několik typů diamantových řezacích kotoučů, které mají na obvodu uchycený galvanicky nebo sintrací diamantový prach
Obr. 20 Řezací kotouče sintrované, TYP 1a1R s bronzovou vazbou http://www.diasturnov.cz/cz/kotouce_cz.htm
67
Pro řezání skla jsou používány se souvislou řezací vrstvou na obvodu kotouče, vytvořenou spékáním diamantového bortu s bronzem pod tlakem (tzv. kotouče sintrované), nebo je diamantový bort vázán do kovové vrstvy vytvářené galvanickou cestou. Tyto řezací kotouče jsou za provozu vždy chlazeny vodou. Příklady takových kotoučů jsou na Obr.20. V katalogu výrobce je dispozici pro typ DIAS : P2 (Sintrovaný diamantový řezací kotouč) Kotouče tohoto typu jsou dodávány o průměrech (D) od 100 mm do 400mm, Z Tab.7 je patrné, že se liší též tloušťkou (b) a průměrem vnitřního otvoru (d).
Obr. 21 Výkres diamantového řezacího kotouče typ. P 2
Tab. 7 Rozměry diakotoučů typu P2 http://www.diasturnov.cz/en/kotouce/14/Dias14c.htm
číslo výrobku
D
b
d
mm
mm
mm
100
0,5
30
85213
120
0,5
30
85201
125
0,5
20
85208
150
0,8
30
85214
1,4
31,75
85209
200
1,4
16
85212
250
2,2
32
85501
400
2,2
75
85502
Při řezání se dělené sklo přibližuje ke kotouči upevněné na zvláštním posuvném zařízení tak, aby nedocházelo k vychylování řezaného skla do stran. Diamantová pila je velmi výkonná, ale současně je též náročná na kvalitu zařízení, do něhož je instalována. Nesnáší nežádoucí vibrace a chvění, při bočních tlacích může dojít k jejímu poškození.
68
Shrnutí V kapitole jsou popsány jednotlivé postupy náležející do skupiny prvotního opracování výrobku po vychlazení. Pokud není výrobek těmito postupy dokončen stává se polotovarem, který je určen pro další opracování nebo zušlechtění. Pojmy k zapamatování • • • • • •
Prvotní opracování Opukávání skla Sámování Leštění ohněm Zapalování Odtavování skla
Kontrolní otázky 31. Které postupy jsou součástí prvotního opracování? 32. Vysvětli fyzikální princip opukávání. 33. Které postupy jsou používány pro opuknutí tlustostěnného výrobku? 34. Na jaké výrobky je vhodné použít zapalování, 35. Které postupy nahradí odtavování?
69
8 Zušlechťování skla I – broušení, vybrušování Studijní cíle: Studující vysvětlí postup broušení, způsoby broušení, použití volného a vázaného brusiva, tvary používaných brusných kotoučů, řezů a výbrusů. S používaným zařízením i s tradičním kaménkovým výbrusem. Klíčová slova: Brusírna, broušení, obrušování, vybrušování, brusivo, brousící stroje, obvodová rychlost kotouče, hladinářské broušení, kuličské broušení, leštiva, výbrusy, kaménkový výbrus, Potřebný čas: 3 hodiny Zušlechťováním skla se rozumí nejrozmanitější úpravy povrchu skla nebo celého výrobku. Nejstarším a nejrozšířenějším způsobem je broušení volným brusivem, novějším pak broušení brousicími kotouči (broušení, obrušování, rytí).
8.1 Broušení Broušením se nazývá mechanický proces odebírání skla volným nebo vázaným brusivem boční plochou kotouče otáčejícího se kolem svislé osy nebo obvodem kotouče otáčejícího se kolem osy vodorovné; brousicí plocha může být rovná nebo jiného tvaru. Pojmem broušení v širším slova smyslu se rozumí broušení i leštění, neboť leštění je dokončovacím procesem pochodu broušení a jen výjimečně se nechávají broušené plochy nevyleštěné, matné. Z hlediska fyzikálně chemického se však oba procesy liší. Broušení probíhá vzájemným třením skla a brusných zrn za přítomnost brousicí kapaliny. Brusivem jsou ostrá zrna materiálu tvrdšího než je sklo, která snadno poškozují povrch křehkého skla. V místě tření brusiva a skla dochází k vylamování drobných střípků skla. Brusná kapalina plní dvě funkce: odplavuje střípky odbroušeného skla i brusného materiálu a současně odvádí teplo. které se třením při broušení vyvíjí. Broušení se uplatňuje ve všech sklářských oborech, nejvíce při broušení skla optického, v bižutérii, u skla dutého ozdobného, v současné době méně u plochého. Názvosloví Obrušování: je broušení, při kterém brousí se rovnou boční plochou kotouče. Vybrušování je broušení obvodem různého profilu svislého kotouče při vytváření zářezů. (nesprávně se nazývá kulení) Zařízení, jimiž se sklo brousí, jsou brusky nebo brusičské či brousicí stroje, jak k rovinnému broušení, tak k vybrušování (nespr. kuličský stav).
70
8.2 Brusiva Brusiva se rozeznávají přírodní (křemenný písek, smirek, přírodní korund, diamant) a umělá (karbid křemíku, elektrokorund).
8.2.1 Přírodní brusiva Křemenný písek o tvrdosti 7 je nejstarším známým brusivem, dnes už prakticky nepoužívaný, i z důvodů jeho kolísavé kvality a nižší účinnosti. Je jen o málo tvrdší než sklo, jehož tvrdost podle Mohsovy stupnice je 6 až 7. Smirek má tvrdost 8 až 9, směs korundu, magnezitu, hematitu, pyritu a slídy. Nejznámější naleziště v Evropě je na řeckém ostrově Naxos, kde je nejjakostnější, obsahuje 60% až 65% Al203 (korundu), ρ = 3,7 až 4,3 gcm -3. Přírodní korund má tvrdost 9 a obsahuje až 95 %.Al2O3. K broušení se používá odrůd vzhledově podřadných. Bývá znečištěn a zbarven příměsmi oxidů kovů. ρ = 3,95 až 4,1 gcm -3. Diamant. Jedná se o čistý uhlík krystalovaný v krychlové soustavě, má tvrdost 10, jeho hustota je též vysoká a činí ρ = 3,51 gcm -3. Vynikající vlastností je jeho velmi vysokou tepelnou vodivost (6x větší než měď) a tepelná odolnost do 700°C což je výhodné, protože nehrozí nebezpečí jeho přehřátí. Za normální teploty je odolný vůči všem chemickým vlivům. Bort - tmavý neprůhledný, technický diamant. Většina světové těžby diamantů je určena k technickým účelům, pouze cca 10 % se zpracovává ve šperkařství. Diamant se velmi úspěšně používá na broušení tvrdých křehkých materiálů, jako jsou sklo, keramika, kámen slinutý karbid apod. Diamantový prach je na kotouče řezací i brousicí navázán kovovým bronzovým nebo galvanickým pojivem (Ni). Poznámka: Z důvodů afinity k železu za vysokých teplot není vhodný k pro opracování oceli. Při broušení totiž dochází na styčných plochách diamantového zrna a oceli k značnému vývinu tepla a tím k chemické reakci. To má vliv na změnu chemické struktury jak diamantu, tak povrchu obrobku. K opracování oceli je používán syntetický materiál kubický nitrid boru ( KBN). Pro vzácný výskyt přírodního diamantu a jeho vysokou cenu, se používá v průmyslu především umělých diamantů (k výrobě diamantových pil na řezání skla, na řezací sklenářské nástroje a k broušení drahokamů a syntetických kamenů a na širokou paletu brousících nástrojů). Používání těchto materiálů je přes vyšší pořizovací náklady velmi výhodné z těchto důvodů: - vysoký výkon broušení - vysoká produktivita práce - vysoká životnost - stálost tvaru kotouče Podmínky efektivního použití diakotoučů: - stav stroje: Tyto nástroje mají vyšší nároky na technický stav strojů, než při použití kotoučů s klasickými brusivy. Stroj musí být dokonale tuhý, bez vibrací, vřeteno musí být uloženo s maximální házivostí do 0,005 mm a zaručující minimální chvění při broušení Jakékoliv chvění nástroje i obrobku nepříznivě ovlivňuje životnost kotouče, drsnost povrchu, ale též výkon broušení a stálost tvaru kotouče. - řezné podmínky. Základem je správný výběr nástroje pro danou operaci (typ, rozměr, pojivo, zrnitost brusiva, jeho koncentrace) a současně řezné podmínky jako je 71
např. obvodová rychlost kotouče ( m/s), která se u nástrojů s kovovým pojivem pohybuje při broušení obvodem vnější válcové plochy v rozmezí 15 až 20 m/s a při broušení otvoru 2 až 20 m/s. U galvanického niklového pojiva je horní mez intervalu obvodových rychlostí až 25m/s. - chlazení: zásadním způsobem ovlivňuje životnost kotoučů. Chladicí kapalina podstatně snižuje teplotu v místě řezu a odvádí broušený materiál, takže kotouče jsou méně náchylné k zanášení, pálení chvění.
Průvodce studiem Druhá krystalická modifikace uhlíku je tuha - grafit krystalovaný v šesterečné soustavě.
8.2.2 Umělá (syntetická) brusiva Karbid křemíku (karborundum) SiC má tvrdost 8 až 9,5 a hustotu kolem 5. Vyrábí se v elektrických odporových pecích z jemného křemenného písku a koksu podle rovnice:
Si02 + 3 C = SiC + 2 CO2. Korund umělý - elektrokorund - má tvrdost 9, hustotu 4, krystaly soustavy šesterečné. Bývá méně tvrdý než karbid křemíku, je však houževnatější. Obou syntetických brusiv, elektrokorundu i karbidu křemíku, se používá buď jako volných zrn, nebo se z nich vyrábějí brousicí kotouče.
8.2.3 Leštiva Nejjemnější brousicí zrna mají průměr až 0,005 mm, naproti tomu průměr leštících zrn je asi 0,0001 mm nebo ještě menší. Leštící hmoty jsou přírodní (pemza, tripolit) a syntetické často nazývané umělé (leštící červeň, lešticí čerň, cínový popel, preparáty ceru). Pemza. Tvrdost má 5 až 6. Je to skelná pěna sopečné lávy. Je pórovitá. Její hlavní součásti jsou oxid křemičitý a oxid hlinitý, objemová hmotnost 0,4 až 0,9 g/cm3 . Tripolit. Jsou to usazené a zpevněné křemičité schránky třetihorních jednobuněčných řas rozsivek, též je označován jako rozsivková zemina. Je žlutě zabarvena sloučeninami železa. Upravuje se mletím. Dává vysoký lesk. Leštící červeň. Nazývá se též růž (rouge) nebo kolkotar. Chemicky je to Fe203. Má tmavočervenou až hnědočervenou barvu. Leštící čerň, tzv. černý krokus, je směs oxidu železnatoželezitého Fe304.a hydrátu FeOOH Preparáty ceru. Obsahují převážně oxid ceričitý, CeO2, Pro vysokou cenu se uplatňuje pouze při leštění unikátních výrobků. Ze všech leštících přípravků dává nejlepší lesk a leštící účinek má asi 2krát až 2,5krát vyšší než leštící červeň.
8.3 Pracovní postupy Celý proces broušení skla se rozděluje na dvě základní operace: Vlastní broušení, kdy skleněný výrobek je pomocí brusiva opracován do konečného tvaru. Úprava povrchu broušeného skla leštěním, které se podle charakteru provádí mechanickým nebo chemickým způsobem.
72
8.3.1 Broušení na vodorovném brusu - hladinářské broušení Kotouč se otáčí ve vodorovné - horizontální poloze, brousí se na upravené, uhlazené ploše kotouče z vázaného brusiva nebo na podkladu litinového kotouče, na který se přivádí volné brusivo. Na tomto zařízení lze skleněné tvary obrušovat do plochy a vytvářet tak rovné hrany 1 - přívod vody; 2 - nádržka s brusivem, 3 - trámec; 4 - upevňovací klínek; 5 - upevňovací matice; 6 - podložka; 7 - kotouč; 8 - dřevěná podložka; 9 - kovová podložka; 10 - hřídel; 11 - jamka a polštářek s vazelínou; 12 - dubová podložka; 13 - vyzděný podstavec; 14 - řemenice s klínovými řemeny; 15 – motor Obr. 22 Schéma kompletního kotouče a celého hranařského stroje (Mařík E, Satrapa R, 1974)
8.3.2 Broušení na svislém kotouči - kuličské broušení Brusič - kulic brousí sklo na kotoučích, které jsou nasazeny na vodorovné hřídeli brusičského stroje. Sklo je vybrušováno obvodovou hranou kotouče, která se nejčastěji upravuje do tvaru klínu. Kotouče mají různé průměry a šířky. Volba se provádí podle druhu dekoru.
1 - vlastní stroj; 2 - svítidlo; 3 - přívod vody; 4 - ochranný kryt; 5 - kotouč; 6 - vana ze skelného laminátu; 7 - pracovní stůl; 8 - pracovní sedadlo; 9 - trnož
Obr. 23 Vybrušovací stroj (Mařík E, Satrapa R, 1974)
73
8.4 Postupy broušení skla Při použití běžných brusiv lze technologii broušení rozdělit do dvou základních operací:
8.4.1 Hrubé broušení (natrhávání) Dochází k největšímu obrusu skla, používá se nejtvrdší brusivo o největší zrnitosti 60 až 120. Na brousící kotouč je litina nejvýhodnější pro schopnost udržet na svém povrchu brousící zrno a pro malý obrus. Přebrušování se pak děje na litinovém kotouči vodní suspenzí brusiva o zrnitosti 180 až 220 účelem této operace je dokončit broušenou plochu na definitivní velikost a upravit její povrch k vlastnímu jemnění.Při těchto operacích se pracuje s obvodovými rychlostmi kotouče 4 až 6 m/s.
8.4.2 Jemné broušení (jemnění) Úkolem jemnění (také přebrušování) je zbrousit hrubou strukturu vytvořenou při nařezávání hrubým brusivem. Povrch musí být hladký, zůstává však matný. Dokonalá úprava povrchu při jemnění je prvořadým předpokladem kvalitního vyleštěni povrchu skla, kdy sklo se stává lesklým a průhledným. Používá se brusivo menší zrnitosti a měkčí. V současné době se vedle klasického brusiva používá umělý diamant, který je nejčastěji upraven do tvaru kotouče. Při broušení se využívá velké tvrdosti diamantu. Velikost diamantových částic je velmi malá. Při broušení diamantovými kotouči se vytváří velmi jemný brus, takže odpadá hrubé broušení jako základní operace.
8.4.3 Základní děje při broušení skla Další brousicí zrna z takto narušeného skla úlomky a odštěpky vytvářejí tak charakteristický matový povrch. Vzniká narušená vrstva.
Obr. 24 Povrchový reliéf a podpovrchové narušení broušeného skla (Gö••‘ a kol. 1963)
Na povrchu skla vznikají výčnělky a jamky vytvářející reliéfní vrstvu a pod ní je vrstva záprasková, která směřuje do hloubky skla. Rozměry mikronerovností v reliéfní vrstvě jsou větší než vlnová délka světla. Světlo se na těchto mikronerovnostech rozptyluje, proto je povrch skla matový - neprůhledný (obr.24). Poměr reliéfní vrstvy k vrstvě zápraskové je přibližně 1:3, tloušťka narušené vrstvy závisí na zrnitosti brusiva. Brusivo o větší zrnitosti vytváří tlustší narušenou vrstvu, poměr reliéfu a záprasků však zůstává zachován.
8.4.4 Leštění K leštění se používá kotoučů složených z klínů topolového dřeva, na něž se nanáší kašovitá suspenze pemzy ve vodě. Při tomto prvním leštění je obvodová rychlost kotouče 6 až 10 m/s. Druhý stupeň leštění se provádí téměř za sucha na kotoučích z hruškového dřeva nebo hrubé plsti tripolitem, obvodová rychlost 5 až 7 m/s. Exkluzivní výrobky se leští v posledním stupni CeO2 (oxidem ceričitým). V současné
74
době se vedle klasického brusiva používá umělý diamant, který je nejčastěji upraven do tvaru kotouče. Při broušení se využívá velké tvrdosti diamantu. Velikost diamantových částic je velmi malá. Při broušení diamantovými kotouči se vytváří velmi jemný brus, takže odpadá hrubé broušení jako základní operace.
8.5 Praktická část broušení skla 8.5.1 Tvary kotoučů a řezů Tvarem neboli profilem kotouče, se rozumí upravený obvod kotouče tak, aby jím mohly být vytvářeny různé druhy řezů. Obvod kotouče se upravuje do několika základních profilů - klínového, oblého, plochého (rovného), hranového, šikmého a dutého. Tyto základní tvary obvodu kotouče mohou mít několik variant. Například klínový profil může být tupý, ostrý nebo vtažený (Obr. 25). a - klínový ostrý; b - klínový tupý; c - klínový vtažený; d - klínový vroubkovaný; e - oblý vysoký; f – oblý nízký; g - rovný fasetový; h - rovný kónický; i - šikmý; j - hranový; k - dutý hluboký; I - dutý mělký
Obr. 25 Základní profily kuličkových kotoučů (Mařík E, Satrapa R, 1974)
1 - kulička, 2 - oliva, 3 - klínový řez, 4 - ostrý řez, 5 - vroubkovaný řez, 6 - rovný řez
Obr. 26 Základní prvky výbrusů. (ČSN 700000 Základní sklářské názvosloví, 1977)
Řez kotoučem vzniká zaříznutím profilu kotouče do povrchu skla, je to vlastně obtisk obvodového profilu ve skle. Podle tvaru kotouče se vytváří i tvar řezu. Pro charakter řezu je důležité velikost kotouče a jeho šířka. 75
8.6 Broušení dutého skla Ozdoby ve tvaru zářezů se vybrušují na obvodu kotouče otáčejícího se ve směru k pracovníkovi kolem vodorovné osy. Tvary zářezů - řezů jsou určeny profilem brousicího obvodu kotouče. Obvodová rychlost je dána průměrem kotouče a upravuje se převodem. Průměr kotoučů je běžně 10 až 50 cm, jejich šíře 5 až 30 mm; rozměry vybočují z těchto hodnot jen zřídka. Toto zvlnění je způsobeno trhavým chodem kotouče, neboť broušený předmět se drží v ruce pružně, bez upnutí, takže nelze zabránit chvění. Používá se dvou pracovních postupů: hrubého broušení a jemnění viz. Obr. 27.
1 - hrubě broušeno (natrháno) karborundovým kotoučem, zrnitosti 80; 2 - vyjemněno elektro-korundovým kotoučem zrnitosti 150.
1
2
Obr. 27 Broušení hvězdy a pazourku: (Bachtík S., Pospíchal V. 1964)
Šíře kotouče je vždy jen o málo větší než šíře broušeného řezu (obr. 2). Část kotouče, které není u příliš širokého kotouče využito, se musí odstraňovat soustružením. Jemnicí kotouče se nejvíce opotřebovávají v místě, kde se dotýkají hrany hrubě předbroušeného řezu (Obr.28).
Obr. 28 Místa největšího opotřebení jemnícího kotouče: (Bachtík S., Pospíchal V. 1964)
1 - kotouč; 2 - sklo; 3 - tvar řezu po hrubém broušení; 4 - tvar vyjemněného řezu; 5 – místa na jemnicím kotouči vystavená největšímu opotřebení; 6 - nevyužitá část jemnícího kotouče při nevhodné volbě jeho šířky.
Obr. 29 Váza a půllitr zušlechtěná kaménkovým dekorem (SUPŠ sklářská Valašské Meziříčí)
76
8.7 Kaménkový výbrus Kaménkový výbrus je nejčastějším nejč a nejrozšířenějším jším výbrusem. Zpravidla sestává s z těchto částí: podle • Hlavních řezů - Hluboké většinou v klínové řezy, které jsou základem geometrickogeometricko ornamentálních vzorů. • Dělících řezů, které rozdělující rozdě skleněný ný povrch na pásy nebo jiné útvary útvary. • Hrubé výplně,, na dohotoveném dohotov vzoru jsou většinou vyleštěny, ěny, jedná se s o nejtypičtější jší motivy kaménkového vzoru, tzv. kozlíky, hv hvězdy, prořezávané řezávané hv hvězdy, muřiny, kaménky různých ůzných typ typů a větrníky. • Okrajový výbrus. Otevřené Otevř tvary jako jsou mísy, vázy bývají často vybrušovány vybrušo korektivně na okraj různými oblouky, zoubky apod. (tento výbrus není použit na váze na Obr. 30.,, ale je kaménkovým výbrusem zdobené broušené míse viz. Obr. ) • Matové výplně Vybrušují se až po úplném dokončení dokon všech předchozích ředchozích postupů postup včetně leštění. Políčka, čka, ka, která nebyla dekorována kaménkovýmí dekory jsou ozdobena těmito mito výplně výplněmi, které jsou z vlasových přesně ě provedených klínových řezů. Ty tvoří též různé ůzné obrazce ale s jemnější jší strukturou a již se neleští. (Mařík ík E, Satrapa R: 1974) K jejich znázornění ní byla zvolena váza z křišťálového skla přejímaného řejímaného m měděným rubínem a zušlechtěná ěná kaménkovým výbrusem viz. Obr. 30.
Obr. 30 Broušená váza – kaménkový výbrus
(Roška Roška R, Zimák Z. DVD Klasické sklárské technológie a postupy III., Euroregion Bílé - Biele Karpaty 2008) foto Gália O.
77
Jedná se o jednoduchý kaménkový výbrus spojující jednotlivé druhy výplní. Jsou zde střídány vějířky /pazourky/ leštěné a matové. Kozlíky jedenkrát přeřezávané, matové přeřezávané hvězdy osmičky, leštěné muřiny na šestnáct dílů, doplněné na kaménku přeřezávanou matovou hvězdičkou na osm dílů a větrník, který vytváří osmihranný kamének. Celý výbrus je rozdělen a orámován leštěnými oblými řezy. Je zde i klínový řez, oblý řez, rovný řez, matový řez klínový, olivka a kulička. Všechny tyto řezy jsou mechanicky vyleštěné. Je nutno si všímat u všech řezů jejich hloubky a u klínových řezů úhlu, který se má podle jednotlivých dekorů a druhů tvarů pohybovat mezi 80 – 105 stupni. Kaménkový výbrus se dříve také nazýval diamantový. Je nejčastějším a nejrozšířenějším výbrusem. Začal se vyrábět v prvých desetiletích 19 století. V historickém českém skle se tyto dekory vyskytovaly na českém křišťálu i na barevném skle, v posledních desetiletích se brousí hlavně na olovnatý křišťál. Kaménkový dekor na něm nejlépe vyniká, neboť nesčetné hrany kaménků zvyšují jeho třpyt a barevnou hru. Kaménkové vzory se brousí z klínových řezů. Sestavením těchto řezů určitého geometrického pořádku vzniká spleť z různě hlubokých, různě velkých a rozličně se prostupujících řezů, které obvykle pokrývají celý povrch skleněného tvaru. Vznikají tak geometrické ornamentální vzory, jejichž výraznost je ještě vystupňována střídáním lesklých a matových částí výbrusu. Následující text uvádí popis jednotlivých kuličských obrazců, řezů a výplní použitých na broušené váze viz. Obr. 30. Tyto detaily byly rovněž převzaty z uvedeného DVD.
1. Olivka Je to řez elipsovitého obvodu vzniká zadržením skla na otáčejícím se kotouči oblého tvaru. Podle šířky a velikosti průměru a zaoblení profilu vznikne podoba olivky.
2. Přímý klínový řez Vzniká prodloužením zadrženého řezu tažení skla po kotouči v přímém směru.
3. Pazourek – vějířek leštěný a matový Jeden z nejzákladnějších a nejpoužívanějších částí dekoru je pazourek na dvě, tři, pět a sedm, které jsou v prvé řadě a v druhé řadě jsou tyto pazourky doplněny přeřezáváním – klínovým řezem a u posledního přeřezány dvěma klínovými řezy. Je nutno dbát, aby pazourek byl stažen do špičky. Pazourek je mechanicky vyleštěný.
78
4. Kozlík a vějířky Je to jeden z nejjednodušších motivů v broušení. Vzniká souběžným zkřížením dvou nebo více klínových řezů. Jednoduchý kozlík je vlastně samotná křížová hvězda. Přidáním dalších souběžných řezů do sestavy křížové hvězdy vznikají kozlíky složitější.
5. Přeřezávané hvězdy Základním motivem k tvoření přeřezávaných hvězd jsou hvězdy jednoduché. Určitým spojováním špiček těchto jednoduchých hvězd další řezy vytvoříme nový typ hvězdy. Nejčastěji se vyskytují přeřezávané hvězdy osmi, šestnácti a třicetidvěma díly, dále s dvanácti, osmnácti a dvacetičtyřmi díly.. 6. Větrník Tohoto motivu se používá jen zřídka. Jeho vybrušování je složité. Větrník vzniká na klínových kotoučích. Jeho základem je čtverec s prodlouženými stranami. Jeho strany se nesmějí křížit. Větrníky vícedílné vznikají vybrušováním dalších řezů mezi základní ramena větrníku.
7. Hvězdy s kaménkem (muřiny) Hvězdy s kaménkem jsou vlastně neúplné přeřezávané hvězdy, které mají uprostřed tzv. kamének, tj. komolý jehlan s tolika hranami, z kolika dílů je hvězda. Nejčastěji se vyskytují hvězdy osmidílné, šestnáctidílné, dvacetičtyřdílné, dvaatřicetidílné.
8. Čtyřhranky Tyto kaménky se vytvářejí z klínových řezů dvou směrů, které se protínají v pravém úhlu. Nebo prostupují šikmo a vznikají tak kosoúhlé kaménky. Káro patří mezi výplně, které se velmi často objevují v kaménkovém výbrusu. Tato ukázka malých čtyřhranek, matového sekání a malých tříhranek. Čtyřhranky a tříhranky se dělávají většinou matové.
79
9. Tříhranky Tohoto výbrusu se používá jako matové výplně po leštění. Tříhranky vznikají na klínovém kotouči velmi jemné zrnitosti a jsou sestavené z tenkých vlasových řezů. Řezy jsou stejně vysoké a hluboké. Základem pro broušení tříhranek je čtvercová síť, kterou dělíme dalšími řezy úhlopříčně. Vzniklé tříhranné kaménky nesměji být komolé.
10. Zadržený klínový řez ( prizma) Vzniká zadržením skleněného tvaru na otáčejícím se klínovém kotouči. Jeho podoba závisí na rozměrech a tvaru kotouče.
11. Kulička Je to řez velmi podobný olivce s tím rozdílem, že jeho obvod tvoří kružnice. Profil kotouče se volí tak, aby jeho zaoblení nebylo příliš vysoké (umístěná ve středu vějíře z prizem).
Popisy jednotlivých výplní a řezů převzaty z: (Mařík E, Satrapa R: Brusič a rytec skla, SNTL Praha 1974)
Obr. 31 Výbrus klínového řezu na stonku skleničky na kuličském stroji a hranový dekor a pískovaný text na jehlanu (SUPŠ sklářská Valašské Meziříčí)
80
Obr. 32 kaménkovým vybrusem zdobená mísa (Roška R, Zimák Z. DVD Klasické sklárské technológie a postupy III., Euroregion Bílé - Biele Karpaty 2008) foto Gália O.
Shrnutí Lekce seznamuje s broušením a mechanickým leštěním skla, s brusivy a leštivy, s používaným zařízením i pracovními postupy. Studující se též seznámí klasickým kaménkovým výbrusem. Pojmy k zapamatování • • • • •
broušení, obrušování a vybrušování brusivo, leštivo hladinářské a kuličské broušení řezy a jejich obrazce kaménkový výbrus
Kontrolní otázky 36. Co se rozumí broušením, obrušováním a vybrušováním? 37. Uveďte nejpoužívanější brusiva a leštiva. 38. Jaké jsou podmínky pro efektivní využívání dianástrojů? 39. Z jakých operací sestává postup broušení skla? 40. Z jakých částí bývá sestaven kaménkový výbrus?
81
9 Zušlechťování skla II – pískování, rytí 9.1 Pískování Studijní cíle: Studující bude schopen vysvětlit proces pískování skla, jeho účel, princip a postup. Seznámí se základními typy pískovacího zařízení a s používanými typy ochranných nátěrů a používanými typy brusiva Klíčová slova: Pískování skla, brusivo používané pro tryskání,komprasor, vydušník, odlučovač vody, tryska, ochranné kryty. Potřebný čas: 1 hodina Pískováním, někdy nazývaným tryskáním, se povrch skla rozrušuje dopadem volného brusiva. Pískováním se ve sklářství jemně až hrubě drsní povrch skla, použitím šablon se vytvářejí ozdoby a nápisy. Pískování - obrábění skla tryskáním suchého brusiva pod tlakem. Místa, která nemají být pískována, jsou chráněna pružnými šablonami. Dříve byl používán písek, dnes se pracuje s tvrdšími materiály, např. s korundem, název však zůstal.
Obr. 32 Mísa zdobená pískováním - SUPŠ sklářská Valašské Meziříčí
9.1.1 Historický vývoj S pískovaným sklem se poprvé pravděpodobně setkali jihoafričtí farmáři, jimž byla za krátkou dobu zmatována skla v oknech pískem vrhaným za větrných bouří. První patent na pískové dmychadlo pochází z r. 1871 od Američana Tilgmanna. Použil svého zařízení již k hloubkovému porušování tvrdých hmot — kovů, přirozených kamenů, skla aj. Zavedl také používání šablon. Výroba pískovacích strojů byla přenesena do Evropy kolem r. 1880. Již v r. 1879 byl B. Holsteinovi z Osnabrűcku udělen patent na matování povrchu skla pískem. U tohoto zařízení působil písek vlastní vahou, samospádem. Brzy následují zprávy o pískování i u nás. (Bachtík S., Pospíchal V. 1964)
82
9.1.2 Teorie procesu Při pískování dopadají zrna ostrohranného materiálu zvýšenou rychlostí a rozbíjejí povrch křehkého skla. Zpočátku se od každého místa dopadu na všechny strany se šíří lasturovitě trhliny. Po prvním nárazu nebývá povrch rozrušen tak, aby lasturovité úlomky vypadly. Teprve dalšími nárazy z povrchu vypadávají částice skla. Povrch je drsný, zvlněný, matný a jenom průsvitný. Zdrsněný povrch intenzívně rozptyluje světlo, proto není vnímán jako lesklý. Ve srovnání s obyčejným tabulovým sklem se u pískovaného skla sníží propustnost světla z 92 % na 80 %. (Bachtík S., Pospíchal V. 1964) Tryskané brusivo (abrazivo). Z jeho vlastností nejvíce působí tvrdost, křehkost, tvar a velikost. Vlastnosti zrna jsou dány druhem materiálu. Původně se používalo křemičitého písku, dnes častěji korundu, méně často karbidu křemíku. Korund je proti písku mnohem tvrdší a houževnatější. Nevznikají hluboké za praskliny a zvyšuje se výkon, což je cenné zvláště pří ruční práci. Rychlost a vzdálenost. Pohybová energie zrn je dána výší tlaku nebo vakua a velikostí zrn. Při zvýšené rychlosti dopadne za určitou časovou jednotku na danou plochu větší počet zrn. Výkon se tedy zvýší. Rychlost se však nesmí zvýšit natolik, aby se nesnižovala životnost použité šablony nebo jiné krycí hmoty. Se vzdáleností rychlost klesá. Stoupá však stejnoměrnost pískované plochy. Doba. Doba pískování se volí podle požadavku na otryskanou plochu. K pouhému zmatování postačí několik vteřin. Hloubkové zpracování skla vyžaduje několik hodin. Působí-li vrhaný písek na jednom místě, které je ohraničeno šablonou, propískuje se otvor. Pískováním se tak nahrazuje vrtání; mohou se získat otvory i o větším průměru než 10 mm. Mají-li být otvory o průměru nad 25 mm, propískuje se jenom mezikruží.
9.1.3 Zařízení a pracovní postupy Pískováním se ve sklářství jemně až hrubě matuje a drsní povrch skla; použitím šablon se vytvářejí ozdoby, značky a nápisy; připravuje se povrch skla pro ledování klihem; získávají se hloubkové a reliéfní ozdoby nebo nápisy; vytvářejí se otvory. Pískovací zařízení Pneumatické zařízení. Ve všech pneumatických zařízeních se zrnitý materiál vrhá proti sklu tlakovým vzduchem nebo je nasáván. Injektorová zařízení Jsou založena na tom, že tlakový vzduch prochází injektorem a nasává zrnitý materiál vzniklým podtlakem do trysky. Materiál je pak dále tlakovým vzduchem tryskán proti sklu.
83
Celé zařízení se pak skládá z více součástí. • kompresor dodávající stlačený vzduch do vzdušníku • vzdušník je určen k vyrovnávání tlaku vzduchu, takže kompresor pracuje pouze po poklesu tlaku vzduchu ve vzdušníku pod stanovenou hodnotu. • Odlučovač vody z tlakového vzduchu. Nežádoucí voda vzniká v proudu tlakového vzduch kondenzací vzdušné vlhkosti, ke které dochází při expanzi stlačeného vzduchu jeho ochlazením. • Tlakový vzduch je veden do odlučovače vody a následně do trysky. • Pískovací komora má dno zešikmené do jehlancovitého nebo kuželovitého tvaru. V nejnižším místě je injektorová tryska. Tryskaný materiál se nasává v otvoru injektoru tlakovým vzduchem a vrhá do pracovního prostoru vzhůru. Vzduch s jemným prachem se odsává exhaustorem. Trysky Velmi trpí opotřebováním. K výrobě trysek se používá speciální tvrdých slitin; přesto je jejich trvanlivost krátká. V dnešní době jsou pokládány za nejodolnější trysky z karbidu wolframu. Obvykle však jsou trysky karbidem wolframu jen pouzdřeny, aby byla snížena jejich cena. • Odsávací zařízení je nedílnou součástí sestavy pro pískování. Může být prováděno průmyslovými vysavači (např. typ Nevada 215) nebo u výkonnějších pískovacích jednotek pomocí tuzemského průmyslového odsavače řady POC. Odsavače umožňují oklep vnitřních filtrů. Jako doplněk je vhodné použít CYKLON, který je umístěn mezi box a odsávání. CYKLON je separátor ještě použitelného abrasiva od jemného prachu v odsávané vzdušnině.
Označení:Nevada215 Příkon:1x1080(W) Sacívýkon: 2833(l/min) Podtlak220 Tank : 24 l
Obr. 33 vysavač Nevada 215 http://tryskani-piskovani.gds.cz/odsavani--filtrace--kompresory/odsavani
•
•
Při pískování je třeba hlavně pamatovat na to, že v průběhu pískování nesmí docházet k úniku prachu z pískovacího boxu. Proto je nezbytná soustavná kontrola těsnosti systému a kvality filtračního zařízení. Pracovník musí být prokazatelně proškolen z odpovídajících bezpečnostních předpisu platných pro pískovací zařízení a je povinen dodržovat pokyny BOZP (bezpečnost a ochrana zdraví při práci). Otvory kabiny pro pracovníkovy ruce musí být opatřeny gumovými rukavicemi, aby ani jimi prach neunikal.
84
Charakteristika pískovacího boxu: - robustní ocelová konstrukce (vysoká životnost zařízení) - uzavřený oběh tryskacího abraziva - dvojí průzorové sklo (rychlá výměna skla) - minimum plochých hran uvnitř boxu (rychlá výměna abraziva) - pogumovaný vnitřní prostor (zvýšená životnost, nízká hlučnost) - nožní ovládání tryskání - osvětlení- wolframkarbidová tryka - regulace tlaku vzduchu na boxu
Obr. 33 Pískovací box ITB 90 - injektorové provedení GDS - GlassDekorService
1 - přívod vzduchu 2 - tryska; 3 - zásobník písku; 4 - nasávání písku injektorem; 5 - tryskaný písek; 6 - otvor uzavíraný pískovaným výrobkem; 7 - kryt; 8 - tlakový vzduch k exhaustoru; . 9 - odsávaný prostor.
Obr. 34 Injektorové tryskací zařízení (Bachtík S., Pospíchal V, 1964)
Ochranné kryty Druh a volba ochranného krytu se řídí intenzitou pískování, k jemnému matování postačí i lepicí páska nalepená na skle. Naopak při intenzivním pískování je třeba používat odolnějších fólií. Ochranný nátěry Dříve používané nátěry ze směsi s klihu, glycerinu, vody a plavené křídy byly nanášeny štětcem za tepla. Po jeho zatuhnutí byl na něm nakreslen dekor a poté vyřezán. Později se využívaly krycí nátěry z roztoků latexu. Jedním ze současných systémů jsou samolepící pískovací šablony Walachit S Je to technologie, která je určena zejména pro pískování ve sklářství. Jedná se o jednorázovou šablonu, která se po opískování snadno odstraní pomocí teplé vody. Tento druh šablon je vhodný pro malosériovou výrobu, ale především pro střední a velké série (díky ceně jedné samolepící šablony při větším odběru). Další informace na: http://tryskani-piskovani.gds.cz/piskovaci-sablony/sablony-walachit-s Informativní záběry z používání tohoto ochranného krytu jsou na: http://www.youtube.com/watch?v=bcZVTsEfv0c&list=UULFRGGHX7GGMjwZvaV6pXa g&index=2&feature=pl
85
Pružné folie – plastické hmoty, samolepicí folie, z nichž jsou šablony vyřezávány řezákem nebo na plotru. K jemnému matování stačí nalepit na povrch skla vzory ze samolepících folií a lepicích pásky.
Obr. 35 Řezací plotr GCC Bengal firma REFO spol. s r.o., http://www.refo.cz/
Plotrové pískovací šablony pro pískování jsou vyřezávány do samolepící fólie, která velmi dobře odolává i silnému pískování. Současně umožňuje výrobu menšího počtu kusů. Další výhodou je, že touto technikou lze provádět i plastické pískování více vrstev. Nevýhodou naopak je omezení „jemnosti“ detailů a značná pracnost při „vyloupávání“ vyřezané fólie a jejím následném přenášení na výrobek.
Obr. 36 Výroba šablony na pískování - SUPŠ sklářská Valašské Meziříčí
Kovové folie - hliník, olovo, slitiny. Dekor je vytvářen vyřezávání nebo vyrážením.
Obr. 37. Pískovaná souprava SUPŠ sklářská Valašské Meziříčí
86
Užití Technika pískování se dosti uplatňuje při zušlechťování plochého skla (někdy i tabulí rozměrů až několika metrů), u skla osvětlovacího, technického i užitkového a umožňuje realizaci širokého spektra výtvarných návrhů. Pískování výrobků může být kombinováno s broušením a rytím, ledováním klihem nebo leptáním kyselinou fluorovodíkovou. Shrnutí Lekce seznamuje s technikou pískování a z významnými technologickými vlivy, nejběžnějším zařízením pro pískování ale i používanými ochrannými kryty pro vytváření dekorů nebo písma. Pojmy k zapamatování • • •
brusivo používané pro tryskání Pískovačka, pískovací box, součásti pískovačky (kompresor, vzdušník, odlučovač vody, tryska) Ochranné kryty
Kontrolní otázky 41. Které brusivo je při pískování používáno nejčastěji a proč? 42. Které technologické vlivy jsou při pískování důležité? 43. Jaký princip je u pískovacího zařízení nejčastější? 44. Na čem závisí volba ochranného krytu při pískování?
87
9.2 Rytí skla Studijní cíle: Studující bude schopen vysvětlit proces rytí skla, jeho účel, princip a postup. Seznámí se základními typy rycího zařízení a s používanými nástroji pro rytí skla Klíčová slova: Rytí skla, rytecký stroj, druhy rytin, plastická (reliéfní) rytina, linková rytina, klouzavá rytina, rytecký stroj, rycí kolečko, český křišťál, Portlandská váza, kamejové sklo, Potřebný čas: 2 hodiny
Obr. 38. Rytina, Křižkovského ulice, Valašské Meziříčí, autor L.Šurýn (SUPŠ sklářská Valašské Meziříčí)
Rytí skla je mechanický proces zušlechťování skla většinou za použití volného brusiva, který je jednou z nejpracnějších zdobících technik. Kresba se ryje buď do hloubky, nebo se zpracovává reliéfně. Reliéfní zpracování skla se dříve označovalo názvem řezání. V technice rytí se uplatňují tytéž vlivy jako u broušení skla, s tím, že v tomto případě jsou nástroje přizpůsobeny pro práce malých rozměrů s přesným vypracováním detailů. Dalším rozdílem je používání rozdílné smáčecí kapaliny. U broušení je to voda, kdežto u rytí jde o kombinaci oleje a petroleje. (Cozl. Z. a kol., 1969) Rozeznáváme tyto druhy rytí: plastické (hloubkové, reliéfní), linkové, klouzavé. K rytí plastickému, linkovému i klouzavému se může použít kotoučů měděných nebo elektrokorundových, diamantových popřípadě kotoučů z karbidu křemíku. Rytiny měděnými kotouči lze vypracovat detailně. Pro rytiny na elektrokorundových kotoučích je charakteristický velmi hladký povrch, rytiny kotouči z karbidu křemíku mívají patrné rýhy po hrubých zrnech kotouče. V technice rytí se uplatňují tytéž vlivy jako při broušení skla. Zvláštností rytiny je uzpůsobení nástrojů - kotoučků - pro práce velmi malých rozměrů s přesným vypracováním detailů. Hrubost nebo jemnost povrchu ryté plochy se může měnit volbou smáčecí kapaliny, velikostí brusiva, otáčkami kotouče nebo tvrdostí kotouče a jeho velikostí. Hloubka rytiny běžně kolísá v rozmezí 0,5 až 3 mm. Plastické rytiny (Obr. 38) jsou nejpracnější, a proto se pracuje zprvu smirkem hrubší zrnitosti. Místo toho je často výhodnější použít nejprve karborundových nebo korundových a diamantových kotoučků.
88
Ke zvýšení kontrastů se hotová plastická rytina většinou přelešťuje stejnými kotouči jako při broušení, za použití týchž leštících prášků (např. pemza). Následující pojmy jsou převzaty z knihy: Rudolf Hais a kolektiv: Sklářské názvosloví aneb CO JE CO ve sklářství?, která byla vydaná Vydavatelstvím ČSS s.r.o. Teplice 2010. Rytí skla - v minulosti používán i název hyalografíe. Zdobení skla mechanickým vytvářením kresby, reliéfu, písma apod., zejména rycím kolečkem. Původně se nazývalo řezání a jako rytí bylo označováno rytí diamantem. Rytí skla lze provádět jak na ryteckých strojích, tak pomocí zařízení s ohebnou hřídelí, ( n ě m . - B i e g s a m e W e l l e , a n g . - f l e x i b l e s h a f t ), novodobě i dalšími způsoby, např. vibrografem ( n ě m . - G l a s g r a v u r , a n g . – g l a s s engraving) Řezání - starý název pro rytí a broušení polodrahokamů a skla. Název profese: řezáč (něm. - Glaschneider, ang. - engraver). Dnes pojem řezání znamená oddělování, rozdělování nebo ořezávání skleněného výrobku např. diamantovou pilou, laserem, vodním paprskem (hydroabrazivním způsobem), také řezání (a odlamování) plochého skla diamantem, či řezacím kolečkem, (něm. - Schneiden, ang. - cutting) Rytina, také gravura, - dekor provedený rytím (rycím kolečkem, diamantem, vibrografem apod.) (něm. - Gravur, Radierung, ang. - engraving) Profese: rytec, rytečka skla (něm. - Glasgraveur, ang. engraver) Dílna, provoz: rytebna (něm. - Gravuerwerkstátte) Rozeznáváme: 1.plastickou (reliéfní) rytinu a) pozitivní (kameogravura) - sklo je odebráno kolem dekoru do hloubky, ( n ě m . - Hochschnitt, Kameenschnitt, ang. - engraving in relief) b) negativní (intaglio gravura) - dekor je vybrán ve skle do hloubky ( n ě m . Tiefgravur, ang. - intaglio engraving, wheel engraving) 2.linkovou rytinu - dekor je vytvořen úzkými vyrytými linkami - viz dále i rytí diamantem. ( n ě m . - L i n i e n g r a v u r ) 3. klouzavou rytinu, starší název smýkání - dekor je proveden povrchovým odebíráním tenké vrstvy skla klouzáním rycího kolečka po výrobku, ( s l g . ručování, něm. - Rutschgravur, ang. - wheel engraving). Rytecký stroj - zařízení pro zdobení skla rytím. Rycí kolečko je upevněno na otáčející se, vodorovně uložené hřídeli ryteckého stroje. (něm. - Graveurwerkzeug, Graveursíuhl, ang. - engraving lathe) Rycí kolečko - kotouč, sloužící k rytí skla. U klasické umělecké rytiny se používá především měděných rycích koleček, na která se nanáší smirek s olejem. Na kolečka z elektritu (kamenorytina) se přivádí voda, na kolečka z diamantu voda nebo voda s emulzí, ( n ě m . - G r a v e u r r a d c h e n , a n g . - w h e e l ) Rytí na mědi - klasický způsob rytí skla s použitím měďěných koleček a volného brusiva (smirku) používaný především pro uměleckou tvorbu. Kamenorytina - původně označení pro jednoduchou rytinu, prováděnou pískovcovými kotouči. Dnes na rozdíl od umělecké rytiny „na mědi", se jedná o průmyslovou rytinu ( s l g . - r y t í n a k a m í n k u ) , viz rovněž matový výbrus, matbrus. Používají se kotouče syntetické a často i robustnější, kamenorytecké stroje, (něm. - Steingravur, Kuglergravur) Diaryt - způsob a strojní zařízení pro rytí skla diamantovými kotouči, obvykle na vícepozico- vém, automaticky řízeném stroji. 89
Vibrograf, rytí vibrografem - rytí skla za pomoci přístroje s vibračním hrotem z tvrdokovu. ( n ě m . - V i b r o g r a v u r , a n g . - v i b r o - e n g r a v i n g ) Rytí diamantem, také kreslení diamantem - mechanické zdobení skla vytvářením kresby pomocí diamantového hrotu zasazeného do držátka. (něm. - Diamantrifi, Diamantritzen, Diamantgravur, ang. - diamont engraving) Tečkování diamantem, rovněž ťukání nebo punktování - vytváření dekoru na skle diamantovým hrotem pomocí teček. Hustším nebo řídším skládáním teček se vytváří stínový obraz. Tato technika byla používána především v Nizozemí v 17. a 18. století. (něm. - Punktieren, Stippen, ang. - stippling, diamond point engraving)
9.2.1 Historický vývoj Rytí skla je jednou z nejpracnějších sklářských zdobicích technik. Vždy se pokládalo za veliké umění. Původně se rytím zpracovávaly drahokamy. Roku 1609 dal Rudolf II. výsadní listinu Kašparu Lehmannovi, s výhradním právem na rytí skla. Kašpar Lehmann přenesl rytí drahokamů i horského křišťálu na sklo. Pro české sklářství má rytí skla mimořádný význam. V největším rozmachu je téměř celé 17. a 18. století. České sklo je v té době uznáváno jako vrchol dokonalosti a krásy a je srovnáváno s drahokamy. Hluboká rytina, která se v této době uplatňuje na skle poprvé, je umožněna jen proto, že na konci 17. století vzniká svým složením nové sklo - český křišťál. Do skla se přidává ve větším množství oxid vápenatý. Sklo zůstává bezbarvé i při své masivnosti, zatímco dřívější sklo mělo nežádoucí barevný odstín. Nejprve se uplatňuje rytí do hloubky, kamenářsky zvané intaglie, a teprve později se zhotovují rytiny reliéfní, zvané kamenářsky kameje. Reliéfně ryté sklo se označuje jako sklo krkonošské. Historicky lze sledovat nejprve rytí na skleněných deskách, později se přechází k rytí nádob. Rytina je nejprve nehluboká kresba, často jen z přímých řezů, později to jsou řezy zatočené, z nich sestavené ornamenty, květiny, zvířata, osoby, výjevy z bitev, honů, zátiší, krajiny a budovy. Nehluboká čárová rytina přechází v plastiku, která se prohlubuje, když je tloušťka stěn výrobků větší.
Obr. 39 Josef Drahoňovský, U okna, trojdílná plaketa s rytinou, 1932; ze sbírek UPM v Praze http://www.glass.cz/hist_main.htm
Z vynikajících rytců, českých pokračovatelů dřívějších mistrů, jsou známi zejména absolventi odborné školy kamenářské v Turnově. Z nich nad jiné vynikají práce Josefa Drahoňovského, profesora VSUP v Praze. (Bachtík S., Pospíchal V. 1964)
90
9.2.2 Nástroje a zařízení Rytecký strojek má hřídel uloženou ve dvou ložiskách původně dřevěných, nyní kovových. Jeho pohon se dlouho obstarával šlapáním, nyní se používá elektromotorů. Změny v počtu otáček se dosahuje dvojím převodem s vícestupňovými řemenicemi. Stůl i rytecký strojek pro jemnou práci je masivní, aby bylo vyloučeno chvění. Vlastní rytecký kotouč je nanýtován stabilně na dlouhé hřídeli, která je opatřena výstupkem. Ten zajišťuje vždy stejné zasazení do otvoru v hřídeli strojku. Rytec pokládá na kotouč tzv. praporek, proužek z jemné kůže, jelenice nebo řemenu, připevněný k mosaznému plechu, který tvoří stříšku nad kotoučem. Praporek zabraňuje rozstřikování brousicího kalu. Rycí kotouče se vyrábějí z měděného plechu, jen výjimečně z jiných kovů. Výhodou mědi je její mimořádná houževnatost proti ostatním kovům, které rychle ztrácejí daný tvar. Tvrdší kovy, jako železo, zanechávají hrubší rýhy ve skle, kovy měkké, například olovo, naopak ryjí málo a rychle se deformují. Tloušťka kotouče bývá 0,5 až 5 mm, průměr od velikosti špendlíkové hlavičky do 10 cm. Nejmenší kotouče jsou upraveny přímo z konce ocelové hřídelky. Kotouče samy neryjí, nýbrž jsou pouze oporou brousicím zrnům. Řezná plocha měděného kotouče je osoustružena do vhodného profilu ocelovým nožem a vyhlazena kusovou pemzou. Brusivem byl původně pečlivě tříděný přírodní smirek. Dnes se pracuje se zrny umělého korundu, která jsou houževnatější. Naproti tomu zrna karbidu křemíku jsou tvrdší, ostrohranná, ale křehčí. Většinou se pracuje se třemi až čtyřmi zrnitostmi. Na úzké liniové řezy se používá zrna nejjemnějšího, aby se ostrá hrana kotouče brzy neotupila. U plastické rytiny se pracuje zpočátku se zrny nejhrubšími, jemnější zrna se uplatňují při rozpracování celkové plastiky a nejjemnější zrna na vypracování nejjemnějších detailů. Hrubý bílý mat je vhodný při procesu stíracím, který zavedl Egermann při rytí do lazurovaného skla; bílá matná stopa kotouče dobře kontrastuje s barvou lazury. Hloubka této rytiny je nepatrná, jen několik setin milimetru.
Obr. 40 Arno Čančík F Egermann, litofanie, http://arnocancik.cz/htm/clovekaj.htm,Jaroslava Votrubová , http://www.prostorad.cz/pruvodce/praha/sporilov/vytvarni/votrubov.htm
Jedním z podstatných rozdílů mezi broušením a rytím je, že při rytí se pracuje s jinými smáčecími kapalinami. Bývá to olej, dříve lněný, dnes strojní, petrolej a jejich směs v různých poměrech. Při rytí na úzkých a malých kotoučích je třeba, aby kapalina měla větší přilnavost a zabraňovala odstřikování a odhrnování brusiva s kotouče. Vyšší viskozita a větší přilnavost a smáčivost olejů i petroleje těmto požadavkům zcela vyhovují. Smáčecí kapalina vytváří s brusivem kal, v podobě tenkého filmu na skle a na kotouči. (Bachtík S., Pospíchal V. 1964
91
9.2.3 Zařízení ryteckých dílen Pracoviště, kde je umístěn rytecký stroj, musí být velmi dobře osvětlené. Většina dekorů je malých rozměrů s mnoha detaily, které vyžadují pozornost rytce. Rytecké stroje se umisťují k oknům, aby rytec mohl kdykoliv kontrolovat svou práci proti světlu. Nejvhodnější je světlo rovnoměrně rozptýlené
1 - brusivo větší zrnitosti nutno mísit s viskózním olejem; 2 - jemnozrnné brusivo vytváří s viskózním olejem příliš tlustou vrstvu; 3 - jemnozrnné brusivo, např. k rytí linek, vyžaduje vyšší dávku petroleje ke snížení viskozity; 4 - viskózní olej; 5 - petrolej. Obr. 41. Vrstva brusiva na obvodu rycího měděného kotouče: (Bachtík S., Pospíchal V., 1964)
Rytecký stroj Nejstarší typ stroje měl dřevěný nebo kovový podstavec, hlavicemi stroje prochází hřídel. Hřídel je napojena pomocí řemene na třístupňovou řemenici. Na konci hřídele je dutý kužel se zajišťovacím zářezem. U nejstarších strojů byl pohon zařízen na šlapání, později byl použit vodní pohon. V současné době se používá elektrická energie. Aby se vřeteno zasunuté v hřídeli neotáčelo, má vroubek, kterým se přesně zasune do drážky v dutině hřídele. Je-li nutné vřeteno vyměnit, zasune se do otvoru hřídele vyrážeč, který vřeteno z hřídele uvolní. Hřídel stroje se uvádí do otáčivého pohybu plochým řemenem, kterým se spojuje s protiřemenicí poháněnou elektromotorem. Důležitou součástí stroje je držák na stříšku se stříškou a praporkem. Praporek se těsně dotýká kolečka a zabraňuje odstřikování brousící suspenze (rytí pomocí měděných kotoučků).
Obr. 42 Rytecky stroj starého typu a rytí skla http://www.moser-glass.com/
Nový rytecký stroj je řešen jako stolový stroj s vlastním motorem. Převody jsou kryty. Rychlost otáček lze měnit plynule pomocí regulačního zařízení, není třeba řemenice. Ostatní konstrukční prvky jsou stejné jako u předcházejícího stroje. Při rytí (řezání) skla se uplatňují dvě základní rytecké technologie: - rytí pomocí kovových kotoučů, na které se nanáší brousící suspenze,
92
- rytí pomocí vázaného brusiva; používá se malých karborundových nebo elektrokorundových kotoučů, což lze přirovnat k broušení v menších rozměrech.
Obr. 43 Kotoučky na rytí diamantové a měděné DIAS TURNOV s.r.o.
9.2.4 Pracovní postup http://www.sklosafranek.cz/vyroba.html, http://translate.google.cz/translate?hl=cs&langpair=en%7Ccs&u=http://www.moserglass.com/en/pages/hand-engraving-of-the-glass/ Pracovní postup lze rozdělit takto: 1) příprava polotovarů a předkreslování, 2) natrhávání 3) rytí a jemnění, 4) leštění. Používané polotovary je nutno zodpovědně zkontrolovat (vady skloviny, vnitřní napětí, rozměry apod.) Předkreslování vzoru se liší podle druhu rytiny a podle požadavku na přesnost. Jednoduché vzory se nepředkreslují vůbec. U běžných rytin linkových a stíraných se svislými a vodorovnými čarami vymezí umístění vzoru a ten se předkreslí jednoduchou linkou.
Obr. 44 Předkreslování dekorů, http://www.sklosafranek.cz/vyroba.html
Pro rytiny náročné a rytiny figurální se přenese celá kresba z papíru. K urychlení práce lze rytinu částečně vypískovat nebo vyleptat. Výhodné je použití pantografu k vyznačení kresby k leptání. Kresba je přesná a dá se zmenšit až do miniaturních rozměrů (např. výška písma může být až 0,2 mm). Rytinu lze předkreslit i razítkováním nebo některým druhem tisku, např. sítovým tiskem. K získání plastického dojmu se ryjí do největší hloubky části kresby v popředí, do menší hloubky části kresby v pozadí. Předkreslování vzoru se liší podle druhu rytiny a podle požadavku na přesnost. Jednoduché vzory se nepředkreslují vůbec. U běžných rytin linkových a stíraných se svislými a vodorovnými čarami se vymezí umístění vzoru 93
a ten se předkreslí jednoduchou linkou. Pro rytiny náročné a rytiny figurální se přenese celá kresba z papíru K urychlení práce lze rytinu částečně vypískovat nebo předkreslit elektrickou ruční bruskou. K získání plastického dojmu se ryjí do největší hloubky části kresby v popředí, do menší hloubky části kresby v pozadí. Používané polotovary je nutno zodpovědně zkontrolovat (vady skloviny, vnitřní napětí, rozměry Plastická rytina je plastické zobrazení motivů tak, že předloha nebo model vystupuje do popředí Při plastickém rytí skla do hloubky platí základní pravidlo, že se nejprve pracuje s velkými kotouči, jimiž se zhruba vyznačí tvar a hloubka velkých částí, a pak kotouči stále menšími. Kotouč se volí takového průměru, aby při práci zabíral co největší plochu a dosáhl potřebné hloubky. Rozdílným charakterem ryté plochy se mohou rozlišovat různé materiály, které má rytina představovat. U hloubkové rytiny se sklo zpracovává prakticky tak,že se dělá opačným způsobem než rytina reliéfní že se ryjí do největší hloubky ty části kresby, které jsou k pozorovateli nejblíže. Části, které jsou v kresbě v pozadí, se ryjí nejméně hluboko. Při rytí reliéfu se postupuje tak, že se nejprve odebírá sklo kolem kresby, aby rytý obraz vystupoval plasticky.
Obr. 45 Plastická rytina, Milan Holoubek, rytá váza Svatý Josef - tesař, http://www.moser-glass.com/pages/milan-holubek/
Obr. 46 Rytina K.Feifer, http://www.kfdesign.cz/index.php?option=com_content&view=article&id=15&Itemid=19
9.2.5 Linkové rytí Nejobtížnější ryteckou prací je rytí písma úzkých linkových řezů, neboť vyžaduje jisté nasazení na správné místo. Stopy po nesprávném nasazení a při dotyku mimo kresbu zůstávají znatelné a jen těžko se opravují přeleštěním. Spirály a křivky se neryjí jedním tahem, nýbrž musí být sestaveny z rovných krátkých linek, které na sebe navazují. 94
Obr. 47 Linkové rytí
www.moser-glass.com
9.2.6 Klouzavé rytí Rytí klouzáním kotouče po skle je ze všech rytin nejrychlejší. Užívá co největších kotoučů měděných nebo elektrokorundových. Velké kotouče mají tu výhodu, že na skle
Obr. 48 Klouzavá rytina na lazuře http://www.skleneny-raj.cz/kontakt.php
zanechávají širokou stopu, takže postup práce je rychlý a rytina je přitom mělká. Kotouče mají profil mírně zaoblený, bez ostrých hran. Rytí klouzáním je zvlášť výhodné při prorývání velmi tenkých barevných vrstev, jaké vytváří měděná lazura. Rytina na proryté tenké barevné vrstvě velmi kontrastně vyniká. Leštění rytin Plastický dojem rytiny se zvýší leštěním výstupků nebo prohlubní na plstěných nebo dřevěných kotoučích běžnými leštícími hmotami, tj. leštící červení a pemzou. Matový charakter rytiny se odstraní také přeleštěním na kartáčovém kotouči. Odleštěním vrchních vrstev se barevně uplatňují spodní vrstvy; přitom je povrch skla prakticky nezměněný, lesklý a bez patrného výškového rozdílu. Užití Rytinou se zdobí převážně skla křišťálová, tenkostěnná i tlustostěnná a skla přejímaná, kde se prorýváním barevných vrstev dosahuje vysokého efektu. Na barevných sklech
95
je rytina málo výrazná. K rytí je třeba tvrdších skel, která kladou dostatečný odpor. V měkkém skle lze těžko dosáhnout plastické dokonalosti a ostrosti hran. Proto se olovnatý křišťál nehodí pro rytecké práce. Velmi kontrastně vyniká při prorývání barevných vrstev. Vrstvená barevná skla bývají zdobena rytinou] reliéfní. Historicky známá je tzv. Portlandská váza z 1. stol. n. l., nalezená v Římě. Je z tmavomodrého skla převrstveného bílým opálem, v němž je ryta nízká reliéfní plastika s překrásnými poloprůsvitnými přechody do základní temně modré barvy.
Obr. 49 Portlandská váza oboustranně, foto Britské muzeum http://www.britishmuseum.org/explore/highlights/highlight_objects/gr/t/the_portl and_vase.aspx
Portladská váza je významný historický artefakt dokladující vyspělou úroveň zušlechťovacích technik již v dobách starého Říma. Portlandská váza, která je příkladem tzv. kamejového skla je uložená ve sbírkách Britského musea.
9.2.7 Kamejové sklo. Této techniky se využívalo též k napodobování kamejí, řezaných drahokamů s vypouklým reliéfním obrazem využívajícím barevných vrstev kamene. Portlandská váza bývá označována jako jeden z nejdůležitějších historických sklářských nálezů. Jako její pravděpodobný původ bývá uváděn Řím 5 až 25 let našeho letopočtu. Měla být nalezena v sarkofágu v blízkosti Říma v 16. století. V současné době je uložena v Britském muzeu v Londýně, kam byla zakoupena v roce 1945 od vévody z Portlandu, kde patří mezi nejvýznamnější exponáty. Váza, vysoká 24 cm o průměru 17,7 cm, je vyrobena přejímáním jako dvouvrstvá. Vlastní nádoba je z tmavomodrého průsvitného skla a vrchní vrstva vznikla částečným přepíchnutím bílou opálovou sklovinou. Po vychlazení byly pak zobrazené výjevy dosaženy odstraněním bílého skla obrušováním reliéfně kamejovou technikou velmi zkušeným brusičem drahokamů. Váza měla velký vliv na v období klasicismu a byla často napodobována. Tři její repliky jsou pak uloženy v muzeu fy Corning v USA. (Corning Museum of Glass).
9.2.8 Broušení a rytí na ohebné hřídeli Rytí zůstávalo omezeno na zdobení dutých výrobků a plochých výrobků malých rozměrů, jako např. medailony, plakety, dveřové výplně a zrcadla. Stejně tomu bylo i při
96
broušení. Tabulové sklo velkých rozměrů a surové sklo stavební se začalo opracovávat touto technikou asi v první čtvrtině tohoto století, kdy bylo ve sklářství zavedeno broušení bruskou na ohebné hřídeli připojené k motoru. Motor má až 30 000 i více otáček za minutu. Kotouče jsou zasazeny a tmelem upevněny na ocelových stopkách podobně jako zubařské vrtáky nebo jsou na hřídeli našroubovány. Mini-vrtačka pro vrtání, frézování, broušení, leštění, kartáčování, zbavování rzi, gravírování a obrábění. Vlastnosti a funkce: Plynulá regulace otáček díky plně elektron hřídeli. Konstantní točivý moment v nízkém rozsahu otáček. Kuličkové vřeteno (pro výměnu nástroje s aretací stiskem tlačítka).
Obr. 50 Minivrtačka a brousící hroty www.naradi-profesionalu.cz
Skleněná tabule je při práci opřena na dřevěném podstavci, poněkud nakloněném šikmo dozadu. Po tabuli stéká voda, aby byl kotouč stále smáčen a chlazen. Po přiložení kotouče k tabuli se sklo odrývá. Tímto způsobem se dá zejména zpracovávat barevné vrstvené sklo prorýváním barevné vrstvy zcela nebo jen částečně. Dobře se uplatňuje tmavá vrstva na skle bezbarvém; prosvětlením vznikají barevné přechody. (Bachtík S., Pospíchal V., 1964)
Shrnutí Kapitola umožňuje získat informace o nejpracnější zdobící technice skla, seznamuje s její historií, s názvoslovím tohoto obru, druhy rytin a zařízením.
Pojmy k zapamatování • • • • •
Rytí skla plastická (reliéfní), linková a klouzavá rytina rytecký stroj, rycí kolečko český křišťál kamejové sklo a Portlandská váza
97
Kontrolní otázky 45. V čem se liší broušení a rytí skla? 46. Jaké jsou základní druhy rytin skla? 47. Proč byl český křišťál vhodný pro rytí? 48. Jak byla zhotovena Portlandská váza?
98
10 Zušlechťování skla - chemické leštění, matování, leptání Studijní cíle: Studující bude schopen vysvětlit proces chemického leštění, matování a leptaní skla. Seznámí se s teorií procesu leštění a matování skla, s používanými kryty při leptání skla. Seznámí se s hygienickými a ekologickými riziky, se kterými je spojeno chemické leštění a matováno skla. Klíčová slova: Matování skla, leptání skla, kyselina fluorovodíková, (NH4)2SiF6 – fluorokřemičitan amonný, K2SiF6- - fluorokřemičitan draselný, kyselina sírová, fluorid amonný, rozpouštění, rozpustnost, nasycený roztok, druhy leptání přenášení dekoru, techniky leptání, pantograf, gilošovací stroj, chemické leštění skla, Potřebný čas: 3 hodiny
10.1 Leptání a matování Při těchto postupech je povrch skla upravován, zdrsněn tak, že intenzivně rozptyluje světelné paprsky, proto není vnímán jako lesklý, ale sametově nebo hruběji matný. Leptání skla je založeno na vlastnosti fluorovodíku (HF), který reaguje nejen se složkami alkalickými Na2O, K2O a Li2O a se stabilizátory CaO. MgO, BaO, PbO a ZnO, ale i s mřížkotvorným SiO2, který je převládající složkou většiny anorganických skel. Tím, že HF rozrušuje mřížku SiO2, nastává velmi rychlý rozklad skla - leptání. Na rychlost leptání skla určitého složení má vliv koncentrace kyseliny, doba leptání, teplota, proudění a přísady.
10.1.1 Teorie procesu Leptání skla je založeno na vlastnosti fluorovodíku, HF, který reaguje nejen se složkami alkalickými Na2O, K2O a Li2O a se stabilizátory CaO. MgO, BaO, PbO a ZnO, ale i s mřížkotvorným SiO2, který je převládající složkou většiny anorganických skel. Tím, že HF rozrušuje mřížku SiO2, nastává velmi rychlý rozklad skla — leptání. Na rychlost leptání skla určitého složení má vliv koncentrace kyseliny, doba leptání, teplota, proudění a přísady. Fluorovodík a kyselina fluorovodíková Bezvodý H2F2 je bezbarvá kapalina hustoty 0,988g/cm3, vroucí již při 19,5 °C. Na vzduchu silně dýmá a přijímá z něho vlhkost. Páry fluorovodíku do 32 °C se skládají z diméru H2F2, nad 32 °C se začíná disociovat v jednoduché molekuly HF a při 90 °C je disociace zcela ukončena. Ve vodě se rozpouští za vývoje tepla a dává kyselinu fluorovodíkovou. Při destilaci koncentrované kyseliny uniká nejprve plynný HF až do koncentrace kyseliny 35,4 %. Při destilaci velmi zředěné kyseliny uniká nejprve voda, opět až do koncentrace 35,4 %, Při této koncentraci má kyselina fluorovodíková hustotu 1,114 a destiluje při 120 °C jako azeotropní směs, tedy aniž se rozloží. Za obyčejné teploty obsahuje nasycená, tzv. dýmavá kyselina fluorovodíková, asi 70 % HF - hustota 1,213 g/cm3 Soli kyseliny fluorovodíkové a rozklad skla Kyselina fluorovodíková rozpouští všechny kovy, mimo olovo a platinu, na fluoridy. Ty vznikají též rozpouštěním kysličníků, hydroxidů nebo uhličitanů.
99
Při rozkladu skla se tvoří fluorid draselný, snadno rozpustný ve vodě - KF a sodný méně rozpustný – NaF, dále fluoridy málo rozpustné - CaF2, MgF2, BaF2, PbF2. ZnF2 a plynný SiF4. Kromě iontů F- (fluoridových) jsou v leptací lázni obsaženy hydrofluoridové ionty, které dávají kyselé fluoridy: HF⇄ H+ +¯ F¯ F¯+ HF = HF¯2 Plynný SiF4 dává ve vodě volnou kyselinu fluorokřemičitou, velmi nestálou. Její soli jsou fluorokřemičitany, z nichž K2SiF6 a BaSiF6 jsou nerozpustné. Zahříváním se rozkládají: K2SiF6 = SiF4 + 2 KF. Zahříváním fluoridů s koncentrovanou H2SO4 všechny fluoridy uvolňují HF. Rozklad sodnovápenatého skla: Na2 O . CaO . 6 SiO2 + x HF ⟶ 2 NaF + CaF2 + 6 SiF4 + x/2 H2O I I sklo nerozpustný plyn 3 SiF4 + 3 H2O ⟶ 2 H2SiF6 + SiO2 . H2O rosolovitý gel kyseliny křemičité Nestálá kyselina fluorokřemičitá reaguje dále a dává fluorokřemičitan sodný: H2SiF6 + 2 NaF⟶ Na2SiF6 + 2 HF Rozklad olovnatého skla K2O . PbO . 6 SiO2 + x HF ⟶2 KF + PbF2 + 6 SiF4 + x/2 H2O / I I sklo rozpustný bílá sraženina plyn 3 SiF4 + 3 H2O ⟶ 2 H2SiF6 + SiO2 .2 H2O rosolovitý gel kyseliny křemičité¨ Nestálá kyselina fluorokřemičitá fluorokřemičitanu draselného:
dále
reaguje
za
vzniku
nerozpustného
H2SiF6 + 2 KF ⟶ K2SiF6 + 2 HF bílá sraženina Stejně probíhají reakce, jsou-li přítomny jiné kysličníky alkalických zemin, jako BaO, MgO a ZnO. Fluorovodík a SiF4 dávají s páleným vápnem nebo s vápencem fluorid vápenatý. Těchto reakcí se využívá k neutralizaci odpadu z leptáren a leštíren. Vliv zplodin na charakter leptané plochy skla: Zvýšená koncentrace zplodin v leptací lázni vytváří na leptané ploše skla usazeninu nerozpustných velmi malých krystalů fluoridů a fluorokřemičitanů, které brání dalšímu účinku HF; zprvu jen v některých místech, později po celém povrchu. Podle požadavku, na druh leptu a charakteru leptané plochy může být tvorba těchto produktů záměrně urychlována, zpomalována, nebo může být do určité doby zabráněno jejímu vzniku. Tak při leštění je nutné, aby vznikaly fluoridy rozpustné nebo aby se jejich rozpustnost zvyšovala (přísadou H2SO4 a zvýšenou teplotou). Kromě toho se fluoridy již usazené odstraňují prouděním a oplachováním. Tím vzniká hladký rovný a lesklý povrch skla. Naopak při matování, ať již v lázni, nebo matovací pastou, se požaduje rychlá tvorba nerozpustných fluoridů, aby se usazovaly na povrchu skla a zabraňovaly dalšímu působení HF nebo HF¯2. Tyto krystalky mají podobu pyramidek (jehlanů). Vznikající 100
gel kyseliny křemičité vytváří vrstvičku, která umožňuje dobrou krystalizaci na povrchu skla. Zárodky se vytvářejí na nerovnostech povrchu.
Průvodce studiem Rozpouštění – kapalný roztok vzniká rozpouštěním látky (látek) v rozpouštědle. Látky je možno v příslušném rozpouštědle a za daných podmínek určených především teplotou (a u plynných látek i tlakem) rozpouštět jen do určitého složení roztoku, při kterém je roztok nasycený- to je takový roztok, který je v rovnováze s nerozpuštěnou látkou. Rozpustnost látky v daném rozpouštědle se vyjadřuje podílem hmotnosti rozpuštěné látky a rozpouštědla. Přesycený roztok vzniká z nasyceného roztoku např. poklesem jeho teploty, pak dochází k vylučování pevné látky z roztoku – u krystalických látek ke krystalizaci.
Obr. 51 Matování Odlišný charakter povrchu u stejného skla po působení odlišných matovacích lázní zvětšení 250x, (Černá Z. Trenčín1990)
• Rozhodují vliv na růst a velikost krystalků má množství vytvořených krystalizačních zárodků vlastně jejich hustota. Ta je především závislá na stupni přesycení krystalizující látky u povrchu, která je určená její rozpustností, Rozpustnost pevnkterá vždy a tedy i teplotě a druhu látky a její rozpustnosti. Jestliže teplota stoupá, pak stoupá rozpustnost, proto se tvoří menší množství zárodků. Takže zvýšením teploty lze dosáhnout hrubší struktury. Čím větší je rozpustnost solí, tím větší a lépe vyvinuté krystalky mohou vznikat při stejné koncentraci. • Největší krystalky vytváří (NH4)2SiF6, který má rozpustnost 18,5g/100g vody tedy o řád vyšší než je rozpustnost K2SiF6, která je 0,12g /100g vody. Proto (NH4)2SiF6
101
tvoří méně zárodků a ty pak mohou narůstat na velké krystaly a matový povrch má velmi hrubou strukturu. • Kdežto K2SiF6 a Na2SiF6 mají podmínky k vytvoření velkého množství zárodků a tak je výsledný charakter matu jemnozrnný. Uvedené závislosti jsou názorně patrné na Obr. 51, kde se jedná o křišťál pro osvětlovací skla po stejně dlouhé expozici (300s) v odlišném matovací lázni. Rozpustnost fluoridů se proto snižuje přídavkem nasycených fluoridů a částečnou neutralizací kyseliny fluorovodíkové draselnými solemi, např. potaši. Kationty vznikajících krystalických produktů jsou obsaženy v lázni i ve skle. Tak při leptání různých skel vznikají i fluoridy rozdílné, a tím ve stejné lázni má sklo sodné mat bělejší. Skla olovnatá draselná jsou méně matná než skla vápenatá, sodná. Další vlivy na charakter leptaného povrchu. Vyšší koncentrace urychluje proces rozkladu skla, avšak zároveň urychluje tvorbu usazeniny. Dává tedy lept hrubší, méně rovný. Leptat lze kyselinou koncentrovanou nebo jejími parami i kyselinou zředěnou. Poměr kyseliny a vody může být různý, účinné je ještě ředění 1 díl HF na 12 dílů vody. S delší dobou se celkové množství odleptaného skla zvětšuje, avšak úbytek za určitou časovou jednotku je stále menší, až se téměř zastaví. Leptání trvá 1 minutu až několik hodin. Doba a koncentrace jsou dva hlavní vlivy působící na množství rozloženého skla. Rychlost rozkladu skla stoupá se stoupající teplotou. Leptáním v lázni 15°C se získá lept mdlý, mělký, nevýrazný. V leptárnách se běžně pracuje při teplotách 18 až 20°C. Jen ve výjimečných případech se lep tací lázeň přihřívá, nejvýše však do 30°C. Proudění může být vyvoláno pohybem, popřípadě chvěním výrobku v lázni nebo mícháním lázně. Poněvadž se prouděním částečně odplavují usazující se produkty rozkladu, lept se urychluje a vytváří stejnoměrný povrch. Ještě účinněji se projeví otírání usazeniny štětcem. Jednosměrné proudění vytváří na skle proudnicovité linie. Dosáhne se jím tzv. linkového leptu, který vytvářejí bubliny pravidelně stoupající po povrchu skla. U matovacích past zahuštěných inertními přísadami je proudění znemožněno, takže leptání je hrubší, zrnité struktury. Přísada H2SO4 rozpouští produkty jinak v lázni nerozpustné, osvědčuje se proto u lesklého leptání — leštění. K dosažení matového leptu se přidávají látky zabraňující rozpouštění tvořících se fluoridů a fluorokřemičitanů. Přidává se K2CO3 nebo jiné draselné soli (KF, KCl, K2SO4). Hrubší mat dávají soli amonné. Vliv druhu soli je dán rozdílnou rozpustností a rozdílnými tvary tvořících se krystalů. Přísadami indiferentních látek (BaS04, CaF2, dextrín, škrob, mouka, Na3AlF6, Na2SiF6, CaS04) se vytvářejí pasty. Leptání se přeruší opláchnutím ve vodě. Náhlého přerušení se dosáhne neutralizací ponořením do roztoku sody nebo NH4OH. Druhy leptu jsou: leptání parami HF; leptání neředěnou HF; leptání zředěnou HF (hluboký lept, leptání velkých ploch, reprodukční leptání); matování v lázni; matování pastou (razítkování, perokresba); odleptá- vání vrstveného skla; odleptá vání lazur; odleptávání listrů a lesklého zlata; linkový lept; křížový lept. (Bachtík S., Pospíchal V., 1964)
10.1.2 Kryty proti leptacím prostředkům Při leptání se na sklo nanášejí kryty, které zakrývají povrch skla a zabraňují tak působení fluorovodíku, kdežto na jiných místech je povrch skla vystaven tomuto působení. Vhodnou a záměrnou kombinací leptaného místa s neleptaným vzniká dekorace skleněného předmětu. Jako ochranné krycí vrstvy se používá krytu suříkového, asfaltového a voskového.
102
Suříkový kryt se připravuje ze suříku, kalafuny a tiskařská fermeže. Podle poměru jednotlivých částí se mění i vlastnosti krytu, při větším množství fermeže je kryt vláčnější, pomalu tvrdne - při větším množství kalafuny kryt rychleji tvrdne a brzy oprýskává. Kryt je červený a dobře se na něj kreslí, např. přímo tužkou. Odstraňuje se namočením v petroleji a setřením v pilinách. Nakonec se sklo oplachuje v teplé vodě. Asfaltový kryt se připravuje z rozemletého asfaltu rozpuštěného v terpentýnové silici s přidáním hmot působících k jeho zvláčnění (např. fermeže). Kryt je černý, nehodí se tedy ke kreslení přesných vzorků. Nanáší se na sklo štětcem a smývá se podobně jako kryt suříkový. Voskový kryt se připravuje z vosku s přísadou parafínu a ceresinu. Do taveniny se ponořují očištěné skleněné předměty hromadně v koších. Vosk na ponořených předmětech vytvoří tenkou vrstvu pokrývající povrch. Voskový kryt je poměrně měkký, snadno se poškozuje, nehodí se proto k přímému kreslení. Zato je výhodný ke strojovému přenášení dekoru. Kryt se odstraňuje hromadně ponořením do vodní lázně teplé 90 C, v níž se vosk rozpustí.
10.1.3 Přenášení dekoru V užitkovém skle se dekor nakreslený na výkres přenáší na sklo a jeho kyselino vzdorný kryt buď ručně, nebo strojově. Ruční přenášení dekoru. Tímto přenášením dekoru se rozumí nakreslení dekoru přímo na kryt, Např. suříkový, tužkou nebo přenesení použitím pausovacího papíru. Přenesený dekor se vyryje do krytu buď jehlou, nebo nožíkem (škrabátkem). Rýt lze v liniích tenkých, tlustších nebo nepravidelných, podle potřeby dekoru. Odškrábáním celých ploch krytu lze připravit sklo k plošnému leptání nebo matování. Při leptání větších ploch se také tyto plochy nechávají nezakryté. Po vyrytí dekoru dokrytu suříkového nebo asfaltového se poškozená místa opraví asfaltem. Po zakrytí otvoru dutiny (aby nevnikla kyselina též do skleněného předmětu) se začne leptat nebo matovat. Strojové přenášení dekoru. Rozumí se tím přenášení a rozmnožování dekoru na sklo použitím pantografu nebo gilošovacího stroje. Tyto způsoby jsou využívány průmyslově. Pantograf je strojové zařízení, které umožňuje vyrývat jehlami dekor do voskového krytu podle předem určeného vzoru, a to najednou na několik skleněných předmětů. Stroje jsou konstruovány na 12 až 48 kusů, na něž lze najednou vyrývat dekor. Dekor vyrytý do vosku je linkový.
Obr. 52Lineární dekor leptaný použitím pantografu, (Mařík E, Satrapa R: Brusič a rytec skla, SNTL Praha 1974)
103
Vyrývání dekoru se řídí z jednoho místa. Dekor je vyryt jako kresba na kovové desce. Přejížděním této rytiny hrotem vodicí páky, na kterou je napojeno řízení všech rycích jehel, se převádí pohyb potřebný k vyrytí vzoru na skleněné předměty. Po sejmutí skleněných výrobků se stroje a po opravení voskového krytu se výrobky natmelují na desku. Tím se zabrání vniknutí leptací lázně do skleněných předmětů. Společným ponořením do kyseliny se sklo leptá (obr. 53). Gilošovací stroj vyrývá také jehlami do voskového krytu dekor. Stroj má soustavu různě uspořádaných jehel, které se buď otáčejí, nebo jsou pevné. Pří pohybu jehel se zároveň otáčí skleněný předmět. Spolupůsobením otáčivých a pevných jehel i otáčivého pohybu skleněného předmětu, jeho pravidelného zvedání í klesání se vyrývá do vosku ornamentální dekor, který se skládá z různých spirál, vlnovek a pásků. Počet druhů dekoru je tedy omezen. Dekor musí být sestaven tak, aby na obvodu skleněného tvaru na sebe navazoval (otáčky jehel musí být dělitelné otáčkami skla). Vlastní leptání je obdobné jako při pantografu (obr. 54).
Obr. 53 Leptaný dekor rytý do voskového krytu gilošovacím strojkem, (Mařík E, Satrapa R: 1974)
Leptané dekory bývají velmi rozmanité. Můžeme je rozdělit na lept linkový, plošný a plastický, hluboký. Linkový lept. Je to nejčastější typ leptaného dekoru, již proto, že se může přenášet oběma strojovými způsoby. Pantografem lze přenášet jakýkoliv kreslený vzor: ornament, krajinu, ptáky, zvířata, figury, architekturu, písmo aj. Naproti tomu pro gilošovací stroj vyhovuje lépe dekor ornamentální, a to zcela vyhraněného charakteru, tj. složený ze spirál, linek a vlnovek. Jiné dekory tímto způsobem nelze přenášet. Při ručním vyrývání dekoru lze pro linkový lept přenést prakticky každou kresbu. Linkový lept se ponechává jako konečný dekor. Někdy se leptaná linka, která má určitou hloubku, zatírá barvou nebo zlatem, takže se musí sklo ještě vypalovat. V jiných případech se plocha mezi leptanými liniemi ještě matuje (matovací solí). Matování může být i různě odstupňováno. Linkový lept se uplatňuje i při transparentní malbě - lept vytváří konturu pro jednotlivá pole vyplněná transparentní barvou (transparentní barva nevytváří přesnou konturu). Plošný lept. Je výhodný při výrobě dražších předmětů, při ručním přenášení dekoru. Odstraněním nebo vynecháním krytu na celých plochách vytváří lept svůj typický ledový povrch, kterého se může vhodně dekorativně využít. Pro tento způsob leptání můžeme vybrat různé motivy. Plošný dekor můžeme také vytvořit matovacími pastami s různým odstupňováním jemnosti matované plochy. Matovacími pastami můžeme také odleptávat lazuru a získávat tak několik odstínů barvy. Plastický lept. Vyžaduje výhradně ruční práci. K vytvoření odstupňovaného leptu musíme postupně odkrývat sklo a nechat na ně působit kyselinu. Tím vznikne jakýsi vrstevnicový reliéf. Protože některá místa dekoru jsou dlouho vystavena působení kyseliny fluorovodíkové, musíme v průběhu leptání odstraňovat usazující se zplodiny. 104
Někdy se pracuje také tak, že jsou plochy na skle odleptány do hloubky několikahodinovým účinkem leptací lázně, která tak odstraní vrstvu skla tlustou několik milimetrů. Tento hluboký lept není potom stupňovitý a je méně pracný. (Mařík E, Satrapa R:,1974)
10.2 Podstata chemického leštění Broušený povrch vykazuje značné reliéfní nerovnosti. V leštící lázni se rozpouštějí, zbroušená se vyhlazuje a získává lesk. Výhodou chemického leštění je vysoký výkon a dobrá jakost. Toto leštění záleží v rozpouštění jednotlivých součástí skla ve vhodné směsi, kterou je roztok kyseliny fluorovodíkové s kyselinou sírovou a vodou. Proti mechanickému leštění má tento způsob mnoho předností, zejména v tom, že je rychlejší, lze leštit více výrobků najednou, dosahuje se jím vysokého lesku a je fyzicky méně namáhavý, zvyšuje významně efektivitu leštění a produktivitu práce. Leštící roztok je ale hygienicky a zdravotně nebezpečný, neboť se pracuje s koncentrovanými kyselinami, jejichž páry unikají ve velkém množství z lešticí lázně. Proto je tento proces v současné době prováděn pouze v zařízeních, kde leštění výrobků probíhá bez kontaktu s pracovní obsluhou.
10.2.1 Působení kyseliny fluorovodíkové (HF). Kyselina fluorovodíková je hlavní součástí lešticí lázně, neboť její koncentrovaný vodný roztok rozpouští sklo. Z jednotlivých oxidů ve skle (křemičitého, sodného, draselného, vápenatého nebo olovnatého) vznikají fluoridy (křemičitý, sodný, draselný, vápenatý, olovnatý) a voda: SiO2 + 4HF = SiF4 + 2 H2O NaO2 + 2HF = 2Na F + H2O K2O + 2HF = K + H2O CaO + 2HF = CaF2 + H2O + H2O PbO + 2HF = PbF2 Fluorid křemičitý (SiF4.) je plynný, zčásti uniká a zčásti se opět slučuje s přítomnou kyselinou fluorovodíkovou na kyselinu fluorokřemíčitou (SiF4 + 2HF = H2SiF6), jejíž alkalické soli jsou nerozpustné (Na2SiF6 a K2SiF6), a fluorokřemičitan (CaSiF6), který je rozpustný. Fluorid sodný (Na F) a fluorid draselný (KF) jsou rozpustné. Fluorid vápenatý (CaF2) a fluorid olovnatý (PbF2) jsou nerozpustné.
10.2.2 Působení kyseliny sírové. Druhou důležitou součástí leštící lázně je kyselina sírová (H2SO4). Její význam je pro leštění nesmírně důležitý, neboť váže vodu uvolněnou chemickou reakcí a tím zabraňuje nežádoucímu rozřeďování kyseliny fluorovodíkové; rozkládá nerozpustné fluoridy (CaF2 a PbF2) a fluorokřemičitany (Na2SiF6 a K2 SiF6). Vlivem přítomnosti kyseliny sírové nastávají chemické reakce, při kterých vznikají: nerozpustný bílý kal: síranu vápenatého (CaSO4) a síranu olovnatého (PbSO4) rozpustné produkty: síran sodný (Na2S04) a síran draselný (K2S04) kyselina fluorovodíková a fluorid křemičitý Pb F2 Ca F Na2SiF6
+ + +
H2SO4 H2SO4 H2SO4
= = =
PbSO4 Ca SO4 Na2SO4
105
+ + +
2HF 2HF 2HF
+
SiF4
K2 SiF6
+
H2SO4
=
K2SO4
+
2HF
+
SiF4
Fluorid křemičitý (SiF4) se v přítomnosti vody hydrolyzuje a vzniká kyselina fluorokřemičitá a gel kyseliny křemičité: 3Si F4
+
2 H2O
=
SiO2
+
2H2SiF6
10.2.3 Průběh vyrovnávání povrchu skla. Působením leštící lázně se rozpouštějí především výčnělky povrchu broušeného skla. Kal, který je usazen především v prohlubeninách po výbrusu proces rozpuštění zpomaluje a tak se dosahuje stejnoměrného odstranění nerovnosti viz (obr. 54).
Obr. 54 Postup vyrovnávání povrchu skla použitím leštící lázně, (Mařík E, Satrapa R: 1974)
Vyleštění tedy závisí na nerovnoměrném působení lešticí lázně na povrch skla a jeho nestejné rychlosti rozpouštění na vrcholcích a v jamkách reliéfu. To vysvětluje důvod používání kyseliny sírové. Jejím vlivem se vytvářejí nerozpustné sírany usazující se v prohlubních; tím zabraňují působit kyselině fluorovodíkové rovnoměrně na celém povrchu skla.
10.3 Vlivy působící na průběh leštění Jakost a rychlost leštění závisí zejména na způsobu leštění (míchání), složení chemické lázně, na teplotě lázně, a na druhu skla. Vliv proudění - způsobů leštěni Proudění se dosahuje pohybem skla nebo mícháním leštící lázně. Důsledkem je oplachování reakčních zplodin, které se tvoří a odstraňují na vrcholech nerovností častěji než v prohlubních. Tak se povrch stává rovnoměrnější. Posuzujeme-li správný způsob leštění, vidíme, jak neobyčejně důležité je míchání lázně, popřípadě její pohyb, který by zabraňoval usazování solí a umožňoval jejich oplachování přímo v lázni. Usazenina totiž zabraňuje přístupu lešticí lázně přímo ke sklu, takže se leštění zpomaluje. Při dosavadním způsobu leštění se leštěný předmět v lázni pohybuje a také oplachuje ve vodě. Počet ponoření do lešticí lázně i jejich délka se souběžným oplachováním ve vodě mají nesmírný vliv na jakost vyleštění. Doporučuje se kratší a častější ponoření v lázni, i když se tím prodlužuje doba leštění. Vliv složení leštící lázně. Je zcela pochopitelný. Stoupající koncentrace kyseliny fluorovodíkové má zvětšený vliv na rozpouštění skla. Při leštění samotnou kyselinou fluorovodíkovou se velmi špatně vyhlazuje povrch, takže zůstává slabě matný. Na povrchu skla působí HF a vytváří se 106
tenká vrstvička fluorokřemičitanu a fluoridů. Zajímavé je, že vlivem samotné HF se nezaoblují hrany leštěného skla jako ve směsi kyselin. Průměrně se počítá s koncentrací HF 18 až 20 % hmot. v lešticí lázni. Kyselina sírová podporuje rozpouštění skla. Při jejím větším obsahu ubývá skla rychleji. Avšak i malé množství H2SO4, podporuje rozpouštění skla a vytváření dosti značné vrstvy soli (síranu). Tato usazenina se při nízké koncentraci kyseliny sírové nedá ze skla opláchnout. Na skle zůstávají lpět jakési vrstevnicové ostrůvky poleptání. Přilnavost usazenin se zvyšuje při hrubším povrchu skla. Proto se musí při výbrusu hrubšího povrchu použít většího množství kyseliny sírové, tj. 50 až 60 hmot. %. Při jemném povrchu skla stačí 45 až 50 hmot. %. Zvýšením obsahu H2SO4 ve směsi lešticí lázně můžeme také buď prodloužit dobu jednotlivých ponoření, nebo zmenšit počet oplachů. Vliv teploty. Chemické leštění je rychlejší při zvýšené teplotě. To proto, že se rychleji rozpouští sklo, a rychleji se též uvolňují usazené soli. Teplotu není vhodné zvyšovat nad 60 °C, neboť hrozí popálení skla působením HF. Popáleni může být také způsobeno vysokou koncentrací HF. Oba vlivy, tj. zvýšení teploty i zvýšení koncentrace HF, leštění urychlí. Nízká teplota lázně (pod 40°C) je příčinou větší přilnavosti síranů na skle. Vliv druhu skla. Uvedené vlivy se uvažují z hlediska leštění olovnatého skla, ke kterému se lázeň nejčastěji připravuje. Složení skla ovlivňuje leštění natolik, že pro každé sklo se musí lázeň zvlášť připravit, aby bylo dosaženo jakostního vyleštění. Zkouškami bylo ověřeno, že lze kvalitně vyleštit i sodnodraselnovápenaté sklo, ovšem za změněných podmínek. Jako nejlepší se doporučuje lázeň s obsahem 9 až 11 % kyseliny fluorovodíkové a 65 až 70 % kyseliny sírové při maximální teplotě 30 °C. Zásadní rozdíly jsou tedy v obsahu kyseliny fluorovodíkové a kyseliny sírové v lázni a v teplotě. Pokusy je ověřeno, že nižší obsah H2SO4 umožňuje větší ulpívání usazující se soli, která zaviňuje nestejné rozpouštění skla. Pokud jde o dobu leštění, doporučuje se max. 15 sekund jedno ponoření, celková doba leštění max. 15 min. Při leštění skel přejímaných způsobuje nestejná rozpustnost spojených skel, že vrstva skla, která se rozpouští pomaleji, utvoří výstupek. Proto se vrstvená skla nehodí k chemickému leštění a také proto, že tenká vrstva skla může být nevhodně kyselinou proleptána. Jiné vlivy. Na výsledek chemického leštění má vliv jakost předchozího jemnění. Jsou to zejména tyto vady jemnění, které mohou zhoršovat výsledek vyleštění: a) mikroskopické trhlinky vzniklé z jemnění (příliš hrubého jemněni), b) trhlinky z nařezávání nedostatečně odstraněné jemněním, c) podélné brázdy způsobené nedostatečně uhlazeným jemnícím kotoučem, d) příčná zvlnění. Při mechanickém leštění se všechny tyto závady odstraňují při vyhlazování povrchu kotoučem s lešticí suspenzí; při chemickém leštění tyto závady zůstávají. Protože zplodiny vznikající při chemickém leštění se nejvíce usazují právě v trhlinkách nebo na hrubém povrchu skla, způsobují uvedené chyby velké závady. Zadržené usazeniny solí se řádně neopláchnou, zamezují přístup kyselině a tím i po leštění zůstávají tato místa drsná. Pokud se týká povrchu skla chemicky vyleštěného, je třeba si ještě vysvětlit rozdíl mezi tímto povrchem a povrchem skla vyleštěného mechanicky. Chemicky vyleštěné sklo se stříbřitě leskne. Způsobuje to nerovnoměrný odraz paprsků od povrchu skla po chemickém leštění. Povrch chemicky vyleštěného skla není totiž tak dokonale hladký jako po mechanickém leštění. Zvlněný povrch odráží paprsky různými směry a dává tak plochám stříbřitý lesk (obr. 55). 107
a
b
a - odraz paprsků od skla leštěného mechanicky; b - odraz paprsků od skla leštěného chemicky Obr. 55 Rozdílnost vzhledu skla leštěného mechanicky a chemicky, (Mařík E, Satrapa R: 1974)
10.4 Ekologické a bezpečnostní rizika chemického zušlechťování Vzhledem k poměrně nízké teplotě varu kyseliny HF dochází k jeho značnému odpařování. Plynný HF je nutno odsávat z prostoru, kde by mohl ohrozit pracovní prostředí. Takto znečištěný vzduch lze vypouštět do ovzduší pouze po jejím vyčištění. Stávající zákon o ovzduší stanovuje v Nařízení vlády č. 294/2011 ze dne 8. září 2011 emisní pro procesy: Zpracování a zušlechťování skla (leštění, malování, mačkání, tavení z polotovarů nebo střepů, výroba bižuterie, aj.) 7 mg/m3 platí pro HF při hmotnostním toku rovném nebo větším než 0,05 kg/h Účinný způsob čištění je absorpce HF do vody nebo slabého vodného roztoku NaOH v pěnovém absorbéru, kterým odsávaný znečištěný vzduch před vypuštěním do ovzduší prochází. Oplachové vody z matovny obsahují fluoridové anionty z HF i fluoridů. Z leštírny pak ještě disociovanou H2SO4, a síranové anionty. Takto znečištěná voda nemůže být vypuštěna do kanalizace, protože může být příčinou ekologické znečištění a otravy vodních toků. Vypouštěné vody musí splňovat: Nařízení vlády č.61/2003Sb o ukazatelích a hodnotách přípustného znečištění povrchových vod a odpadních vod, náležitostech povolení k vypouštění odpadních vod do vod povrchových a do kanalizací, které v příloze č. 1 stanovuje pro výrobu a zpracování skla emisní limit: Fluoridy Arzen Olovo Barum
16 mg/l 1,5 mg/l 1mg/l 5 mg/l
K neutralizaci se používá práškový hydrát vápenný, což je chemicky hydroxid vápenatý Ca(OH)2. Tato prášková látka je zdravotně nebezpečná a je zařazena mezi látky dráždivé. R 37/38 – Dráždí dýchací orgány a oči R 41- Nebezpečí vážného poškození očí Vlastní neutralizace pak probíhá po matování a leptáni podle níže uvedené teoretické rovnice: + 2 HF = CaF2 + H2O Ca(OH)2 sraženina 108
Při neutralizaci vod z leštírny vznikající kromě sraženiny fluoridu vápenatého též sraženina síranu vápenatého, které spolu vytvářejí v neutralizační tanku sraženinu – kal, který se nechá usadit na dně. Ca(OH)2
+
H2SO4
=
CaSO4 + H2O sraženina Po provedené zkoušce kvality provedené neutralizace, která se provádí změřením pH a pravidelně též ověřením kvality chemickým rozborem je pak možné vodu vypustit. Bezpečnost práce: Při práci s roztoky obsahujícími HF je nutno dodržovat maximální opatrnost, protože mohou způsobit velmi těžké poleptání do hloubky, které se velmi obtížně hojí. Kyselina HF patří mezi látky zařazené do skupiny: vysoce toxické, označení na obalu T+ Tyto látky podléhají zvláštnímu režimu distribuce, evidence i pracovního využívání. Mohou s nimi pracovat pouze osoby starší 18 let, které jsou vybaveny stanovenými ochrannými pomůckami a prokazatelně absolvovaly bezpečnostní školeni, Upozornění na legislativní rámec Přestože v této kapitole uvedené informace vycházejí z dlouhodobých v praxi ověřených postupech, je nutné respektovat skutečnosti, které vyplývají z rizika práce s oběma kyselinami a zejména s kyselinou fluorovodíkovou. Především je nutno vycházet ze současné legislativní úpravy, které jsou dány Zákonem č. 350/2011 Sb (Zákon o chemických látkách a chemických směsích a o změně některých zákonů /chemický zákon/, Datum účinnosti od 1. ledna 2012). Nakládání s těmito látkami je podmíněno respektováním řadou bezpečnostních opatření, bez kterých není možné s těmito látkami pracovat. Pro informaci jsou níže uvedeny údaje z bezpečnostních listů obou kyselin: Kyselina sírová: Kategorie nebezpečnosti, seznam kódu tříd a seznam příslušných H a R-vět: C – Žíravý S-věty : S (1/2) uchovávejte mimo dosah dětí S 26 v případě vniknutí do oka vypláchnout velkým množství vody a přivolat lékaře S 30 K tomuto výrobku nikdy nepřidávejte vodu S 45 V případě úrazu okamžitě vyhledejte lékařskou pomoc Kyselina fluorovodíková Kategorie nebezpečnosti, seznam kódu tříd a seznam příslušných H a R-vět: Acute Tox. 2 - Akutní toxicita, kategorie 2, vdechování Acute Tox. 1 - Akutní toxicita, kategorie 1, kožní Acute Tox. - Akutní toxicita, kategorie 2, orálně Skin Corr. 1A - Žíravost pro kůži, kategorie 1A H330 Pri vdechování muže způsobit smrt. H310 Pri styku s kůží muže způsobit smrt. H300 Pri požití muže způsobit smrt. H314 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. T+ Vysoce toxický C Žíravý R26/27/28 Vysoce toxický při vdechování, styku s kůží a při požití. R35 Způsobuje těžké poleptání.
109
Shrnutí Studující bude schopen vysvětlit proces chemického matování, leptaní a leštění skla. Seznámí se s teorií těchto procesů,s rozhodujícími vlivy, s používanými kryty při leptání skla. Seznámí se s hygienickými a ekologickými riziky, se kterými je spojeno chemické zušlechťování skla. Pojmy k zapamatování • • • • • •
Matování a leptání skla Rozpustnost Druhy leptání, linkový lept, plošný lept, plastický lept Voskový kryt, asfaltový kryt, suříkový ryt Leštící lázeň Neutralizace a hydrát vápenný
Kontrolní otázky 49. Jak probíhá mechanismus matování skla ? 50. Které faktory ovlivňují charakter matu a proč? 51. Uveďte používané ochranné kryty. 52. Popište mechanismus leštění skla. 53. Které faktory ovlivňují rychlost a kvalitu leštění? 54. Která látka se používá k neutralizaci oplachových vod z leštírny a matovny?
110
11 Sklářské barvy a drahé kovy Studijní cíle: Studující se v této kapitole seznámí se sklářskými barvami a drahým kovy používanými k malbě na sklo. Získá informace o složení, druzích i výrobě těchto speciálních barev ale též o možnostech využití jednotlivých druhů a jejich možnostech. Klíčová slova: Sklářské barvy, tavidlo, barvítko, pojivo, ředidlo, silice, balzámy, transparentní barvy, krycí barvy, lesklé zlato, leštěné zlato, lístkové zlato, stříbro, platina, listry, plošné barvy, reliéfní barvy, vysoký smalt, matfond,vypalovací křivka Potřebný čas: 2 hodiny
11.1 Složení sklářských barev Sklářské barvy jsou nízkotavitelná olovnatoboritá skla rozemletá na mikroskopické prášky s obsahem barvící složky. Mají dilatometrický bod měknutí nižší než sklo, na které je barva nanášena. Skleněné výrobky zdobené sklářskými barvami se vypalují v pecích při teplotách nižších, než je dilatometrický bod měknutí skla. V průběhu výpalu se musí barva dokonale roztavit a spojit s povrchem skla. Vypálená barva musí být lesklá, hladká a povrchově jednolitá. V běžné praxi jsou používány tyto druhy sklářských barev: krycí (plošné a reliéfní) a transparentní. Tyto barvy mají tři základní složky: 1. Taviva - lehce tavitelná olovnatoboritá skla, • transparentní barvy, pro tyto barvy je charakteristické, že v tomto případě taviva úplně rozpouštějí barvítka, jde o iontové zabarvení • krycí barvy, vznikají, jestliže tavivo s barvítky reaguje jen v malé míře a zůstáva tak ve formě pigmentů, nebo nereaguje s barvítky vůbec 2. Kaliva – látky způsobující neprůhlednost barev přímým přidáním nebo rekrystalizací. Přidávají se do barev krycích ( SnO2, ZnO, CeO2, TiO2) 3. Keramické pigmenty neboli barvítka, jedná se o oxidy kovů Transparentní barvy se barví jednoduchými oxidy, které se dobře rozpouštějí v tavivu. V tomto případě se barvítka přidávají přímo do vsázky a vyrábějí se tavením, během tavby se rozpustí v základním skle. Krycí barvy jsou barveny oxidy spinelového typu MeO.Me2O3. V tomto případě se barvítka společně melou s tavivem, ale spojí se s ním až při vypalování malovaného výrobku. Matové barvy jsou to plošné krycí barvy přídavkem oxidu zinečnatého nebo porcelánového prášku, aby při výpalu vznikl matový vzhled.
11.2 Výroba sklářských barev 1. Tavení. Vzhledem k tomu, že se jedná o nízkotavitelná skla, odpovídá tomu způsob výroby. Klasická výroba používá k tavení sklářských barev zvláštní pánev, v jejímž dně je malý otvor, uzavřený šamotovou kuličkou. Ta uzavírá pánev do té doby než je skloviny unavena. Hustota utavené skloviny je větší než šamotu, proto kuličky stoupne k hladině a uvolní otvor ve dně pánve. 2. Granulace (fritování). Sklovina vytékající do nádoby s vodou se frituje.
111
3. Mletí, sušení, mletí, prosévání V dalších výrobních etapách se mele a drtí na jemný prášek a nakonec suší. Po usušení se po přídavku vody s terpentýnem mele v kulových mlýnech u některých barev i několik dnů. Poté se na sítě oddělují větší kousky a po novém sušení se znovu proséváním na velmi hustých sítech získává finální prášková barva
11.3 Příprava barev k nanášení a organické složky sklářských barev Barvy se dodávají v podobě jemného prášku. K tomu aby mohly ulpět na skle se musí pojit s pojivy a upravovat přidáním ředidel. Jsou to látky organického původu. Ředidla - jsou lehce těkavé silice Pojiva - jsou balzámy a pryskyřice, Pomáhají pouze rovnoměrně rozptýlit a nanést barvu za studena, protože při vypalování ředidla vytěkají nebo se spálí a barevná zrnka přecházejí ve vlastní sklovinu. Rozdíl mezi silicemi, balzámy a pryskyřicemi je pouze ve stupni oxidace a polymerace látek, které tvoří silice. Silice – lehké, těkavé kapaliny vyrábějící se z různých rostlin destilací, extrakcí, lisováním apod. Nejznámější jsou silice: terpentýnová – vyráběná destilací surových terpentýnů a levandulová, rozmarýnová, hřebíčková – získávána destilací příslušných rostlin. Balzámy jsou roztoky pryskyřice v silici. Jsou to přirozené organické látky vytékající z poraněných stromů. Nejznámější balzámy jsou terpentýn francouzský vytékající z přímořské borovice, a terpentýn benátský z jihoalpského modřínu. Pryskyřice jsou posledním stupněm oxidace polymerace silic. Vznikají z balzámů odpařením silic. V malířství je nejpoužívanější damarová pryskyřice. Používá se ji jako damarový lak, což je damarová pryskyřice rozpuštěná v terpentýnu. (Draxler J a kol., 1973) Sklářské barvy se dodávají ve formě jemně mletých prášků, pro sítový tisk a stříkací techniky bývají barvy již připraveny s ředidly a pojivy. Pouhý prášek není schopen samostatně ulpět na skle, proto se připravuje s kapalnými složkami. Organické složky sklářských barev umožňují nanášení barvy na povrch skla. Sklářské barvy jsou pigmenty nerozpustné v pojivech a ředidlech. Pojivy a ředidly jsou přísady organického původu, silice, balzámy a pryskyřice. V průběhu vypalování tyto látky vytěkají a zbytky se spálí bez jakýchkoliv negativních účinků na kvalitu vypálené barvy. Dalším zvyšováním teploty se pak barva spojí s povrchem skla. Pojiva a ředidla pouze pomáhají nanést barvu za studena na povrch skla. Vlastní příprava: Suspenze barvy, pojiva a ředidla se nanáší na sklo štětcem, stříkáním nebo tiskem, podle zvoleného způsobu je třeba barvu připravit. 1. Příprava k ruční malbě vyžaduje největší množství pojiv a ředidel, aby tahy štětcem byly vláčné a barva zůstala na skle v požadované tloušťce. Směs musí vysychat a tuhnout pomalu. Nadbytek ředidel způsobuje při výpalu puchýřovatění (roztrhání povrchové vrstvy). Nadbytek pojiv pak působí redukčně na olovnaté barvy jejich zešednutí. 2. Příprava ke stříkání. Zde se volí co nejmenší množství pojiv a ředidel, nebo jsou zcela bez pojiv a jsou stříkány jen s vodou nebo s lihem. Nastříkaná barva bez pojiv má menší mechanickou přilnavost ke sklu.
112
11.4 Přehled drahých kovů Jejich používání pro malbu skla je velmi rozšířené. Patří sem: • zlato – lesklé tekuté, leštěné tekuté, lístkové, práškové • stříbro – leštěné tekuté • platina – lesklá tekutá • listry – tekuté Z těchto preparátů je nejvíce používáno tekuté lesklé zlato. Tekuté lesklé zlato. Je to směs rezinátů nebo merkaptidů zlata s rezináty, terpenáty dalšími organickými sloučeninami přídavných kovů ( Ag, Bi, Si, V, Cr, Rh, Ti), rozpouštědel a ředidel (toluenu, nitrobenzenu, silice rozmarýnové, fenyklové, levandulové atd.) Je to hnědá kapalina s obsahem asi 12 % Au, upravená tak, aby se dala nanášet na sklo štětcem i perem. Nejčastějším problémem je při zdobení lesklým zlatem jeho přídržnou po výpalu, která závisí hlavně na těchto činitelích: • na povrchu skla, jeho čistotě a alkalitě, čím je povrch více znečištěn, tím horší je přídržnou zlata na skle, alkalita závisí na vlastním složení skla. Skla měkčí s větším obsahem alkálií snadněji hydrolýzují na povrchu a mají proto horší přídržnost. Desalkalizaci je možno provést účinně oplachem zředěnou kyselinou sírovou. Tento způsob je s ohledem na bezpečnost prováděn jen výjimečně. • na kvalitě mezivrstvy vlastního zlata, je to skleněná vrstvička vzniklá z oxidů přídavných kovů obsažených v tekutém lesklém zlatě. Jsou v ní zastoupeny zásadotvorné i kyselinotvorné oxidy. Čím je vrstva kyselejší, tím méně podléhá hydrolýze a tím pevněji váže zlato. • na průběhu vypalovací křivky a pecní atmosféře. Výpal je rozhodujícím činitelem pro přídržnost zlata na skle. Zlato vypálené na nízkou teplotu je tmavé a nedrží. Je-li zlato vypáleno na dostatečnou teplotu, má dobrou přídržnost, světlou barvu i lesk. Pro dosažení uvedené kvality zlata je nutný odvod spalin a destilačních produktů z organických sloučenin během výpalu, protože redukční atmosféra způsobuje zvyšování alkality povrchu skla. • na vlhkosti prostředí, v němž je vypálený výrobek Vlhké prostředí může být příčinou hydrolýzy mezivrstvy a skleněného povrchu. Tekuté leštěné zlato Je to v podstatě lesklé zlato, v němž je rozptýleno práškové zlato společně s tavivem – boritanem olovnatým - a plnivem oxidem rtuťnatým. Obsah Au se pohybuje v rozmezí 16 až 20 %. Pro barvu leštěného zlata je rozhodující množství stříbra v něm obsažené, čím je více Ag v leštěném zlatě, tím zelenější odstín má vypálené zlato. Po vypálení získá zlato kovový lesk teprve mechanickým leštěním. Zlato se leští: kartáči ze skleněných vláken, achátem, kusovým krevelem a plavenou křídou. Při zdobení se zlato odlévá z lahvičky do malé odlivky, v níž je povrch zlata co nejmenší, aby se ředidlo co nejméně odpařovalo. Zlato se pokud možno neředí, protože při nerovnoměrném ředění se nanáší rozdílná vrstva. V extrémních případech to může vést k tvorbě velmi tenké vrstvy zlata, která nejen špatně kryje, ale má i velmi malou odolnost proti otěru. Pro tekuté kovy, jako zlato, platina a listry, které se nanášejíc sklo ve formě organických sloučenin kovů, je velmi důležitá čistota povrchu skla a štětce.
113
Čistota může být porušena: prachem, nečistotami zaujímajícími různě velké plochy vodou, tukem, nebo potem. Lístkové zlato používá se v menším měřítku. Nanáší se ve formě tenkých fólií s pomocí plochého štětce z jezevčích chlupů. Fólie se přilepí na zdrsněný povrch pomocí rychle schnoucího bezbarvého lepidla. Po jeho zaschnutí se zlatá fólie překryje průhledným, pomalu schnoucím lepidlem, která vytvoří ochrannou vrstvu proti mechanickému porušení zlata. Práškové zlato používá se s lesklým zlatem, na jeho čerstvě natřený povrch se nanáší měkkým tampónkem Platina je používaná jako tekutá lesklá platina, která obsahuje cca 5% Pt a3% Au. Příprava avýpal je stejný jako u lesklého zlata. Listry jsou to roztoky organických sloučenin kovů, např. Fe, Co, U, Sn, Au v terpentýnech a éterických olejích. Kromě těchto kovů, které vyvolávají barevný efekt, obsahují listry zpravidla ještě organickou sloučeninu olova, která má listrový povlak pevně přichytit na povrch skla. Příprava a způsob zdobení listry malováním jsou prakticky stejné jako u tekutého zlata a platiny. Stejnoměrný nános listru je nutný, jinak se tvoří skvrny různých odstínů. Vedle nanášení štětcem se listry nanášejí stříkáním. (Draxler J a kol. :1973
11.5 Druhy a charakteristika sklářských barev Plošné barvy V současné době jsou nejvyužívanějšími barvami umělecké tvorby pro jejich vynikající schopnost přizpůsobit své vlastnosti různým typům malby. Po vypálení mají snížený lesk, protože obsahují méně taviv (75 až 90 %), aby dobře kryly. Obsahují pouze zvýšené množství barvítka, někdy i malé množství kaliva k odstínění. V pastózní i tenké vrstvě mají velmi dobrou krycí schopnost při zachování charakteru malby.Jsou určena ke stínovému malování, kde se volí nejvýše vrstva cca 0,1 mm. Krycí barvy Jsou nejběžnějšími barvami používanými k malování nestínovaných ploch. Jejich vrstva je po vypálení dokonale nepropustná, dobře kryje. Vypálené jsou lesklé. Vedle barvítka obsahují i kalící přísady. Krycí smalty na větších plochách, již nad 1cm2, jsou náročné na stejnoměrnou tloušťku vrstvy. Při vytváření jednobarevných stejnoměrných ploch se využívá proto techniky stříkání barvy pistolí, aby se předcházelo nestejnoměrným plochám. Transparentní barvy Jsou průhledné a zachovávají výrobku jeho skelný charakter. Jsou to skla velmi měkká, aby v nich po vypálení nezůstaly neprotavené částice. Tím jsou málo chemicky odolná. Jejich nanášení ruční malbou je velmi náročné, máli být vytvořena stejnoměrná tloušťka vrstvy. Kolísáním 114
tloušťky kolísá i barevný odstín, toho lze využít dekoračně. Postupuje se proto tak, že se nejprve nanese barva štětcem a potom se na skle míchá jehlou. Nakonec se ještě vyrovná poklepáním, aby se stejnoměrně rozlila. Reliéfní barvy Reliéfní barvy jsou barvy, které se používají k vytváření reliéfních, tedy plastických dekorů a techniku vysokého smaltu. Po namalování a vypálení barevného ornamentu se ornament překryje lesklým zlatem, přitom zlato se vypaluje podstatně níže než reliéfní barva. Zlato se totiž nesmí v barvě rozpustit, neboť při tom mění barva lesklého zlata a celý dekor je pak znehodnocen. Jsou to barvy, které se na sklo nanáší ve větší tloušťce ve velkých plochách nebo tenkých linkách. Barva musí být velmi vláčná a nanáší se měkkým, dlouhým štětcem z veverčích chlupů, který pojme hodně barvy. Tím jsou linky plynulé a tah štětce není třeba přerušovat při namáčení barvy. Barva obsahuje více kaliva a nanáší se do výšky až 1 mm. Reliéfní barva slouží často jako podklad pro drahé kovy (např. lesklé zlato), takže vzniká dojem, že je zlato naneseno v mohutné vrstvě. Vysoký smalt Vysoký smalt se značně liší od všech ostatních barev jak vzhledem, tak způsobem nanášení. Je to malířská technologie, při které se vytváří plastické motivy květů až do výšky 110 mm. Tyto smalty jsou tvrdší (hodnoceno z hlediska teploty výpalu, který je u reliéfních barev vyšší než barvev ostatních), obtížně se spojují s povrchem skla. Proto se nejprve na sklo nanáší barva měkčí, snáze tavitelnější, která se s povrchem skla lépe staví. Tato měkká barva má teplotní roztažnost ležící mezi roztažností skla a smaltu, takže vytváří mezisklo (tzv. podklad: plošná barva s vysokým smaltem míchána v poměru 1:1), na které se pak nanáší smalt. Uvedená podkladová vrstva se pak vypaluje společně s vysokým smaltem. Tlustá vrstva vysokého smaltu se nanáší postupně, aby mohla unikat část ředidel ještě před nanesením další vrstvy. Hotový smalt se nechá až 24 hodin volně vysýchat, aby při vypalován nezačala náhle unikat ředidla, tím by se potrhala celá vrstva. Matfond Je to bezbarvá nebo bílá barva s přísadou těžko tavitelného porcelánového prášku. Ten dává vypálené vrstvě hedvábně matový vzhled a zvyšuje její chemickou odolnost. Nanáší se obvykle ve větších plochách ve velmi tenké vrstvě. Po vypálení je povrch skla zmatovaný, avšak při pozorném prohlédnutí barvy jsou patrné tahy štětce. Malířské ledy Malířské ledy jsou barevné transparentní drti lehce tavitelných olovnatoboritých skel, jejichž složení je stejné jako složení transparentních barev. Jsou zrnitosti od 0,1 do 0,5 mm. Různá zrnitost ledu poskytuje odlišný charakter 115
malovaného povrchu skla. Po vypálení se led spojuje s povrchem skla, nevytváří se však jednolitá plocha jako u sklářské barvy. Jednotlivá zrnka ledu zůstanou vzájemně oddělena, jen ostré hroty se zaoblí. Při nanášení ledu na povrch skla se dekorovaná místa opatří mírně lepkavou vrstvou a na ni se uchytí zrnka ledu. Malířské ledy se vypalují při teplotě 520ºC, podobně jako transparentní barvy. Drahé kovy Pro zdobení skla drahými kovy se nejčastěji využívá zlato a platina (stříbro je nestále, rychle oxiduje, proto bývá pro podobný vzhled nahrazováno platinou). Jsou to kovy ušlechtilé, na vzduchu stálé, lesklé, kujné a tažné. Je z nich možno vyrobit velmi tenké fólie o tloušťce 0,0001 mm. Bod tání zlata je 1063ºC a platiny 1773ºC, takže tyto kovy nelze natavit na sklo. Zlato a platina jsou zcela odolné proti účinku zředěných i koncentrovaných kyselin, proti účinku zásad i solí. Převést do roztoku se dají pouze pomocí lučavky královské, která je směsí koncentrované kyseliny chlorovodíkové a dusičné v poměru 3 :1. Tyto kovy jsou 24 karátové. Lesklé zlato K výrobě lesklého zlata na sklo se používá ryzích zlatých prutů nebo plechů, které se nechají pozvolna rozpouštět v lučavce královské při teplotě 30 až 40ºC. Vzniká chlorid zlatitý jako žlutohnědá kapalina. V další fázi výroby se převádí chlorid zlatitý na merkaptid zlata, což je hnědočerná viskózní kapalina odporného zápachu. Tímto zlatem bychom již na skle vytvořili zlaté zrcátko, ale přídržnost této vrstvičky k povrchu skla byla velmi malá. Proto se do směsi přidávají dále organické sloučeniny kovů i nekovů, které se chemicky váží se zlatem a současně vytváří mezivrstvu s povrchem skla. Dále také organické látky v podobě silic (rozmarýnová, levandulová, benzen, terpentýn), které mají funkci ředidel a homogenizérů. Silice mají velmi příjemnou vůni a částečně zakrývají nepříjemný zápach merkaptidů. Organické přísady v preparátech drahých kovů zabraňují aglomeraci (shlukování) částic zlata, zajišťují přídržnost filmů na skelných podkladech a také ovlivňují barvu drahého kovu po vypálení. Důležité je, aby jednotlivé komponenty byly vzájemně dokonale promíseny (mísení trvá několik hodin a provádí se ručně). Tekuté zlato se nanáší štětci, nebo stříkáním v plochách odpovídajících návrhu dekoru. Vypaluje se v oxidační atmosféře při teplotě 540ºC. Leštěné zlato Název leštěné zlato je odvozen od pracovního postupu výroby, kdy konečného lesku zlata se dosáhne až v závěru výroby mechanickým dolešťováním zlaté vrstvy. V průběhu vypalování leštěného zlata dochází k zalití mikroskopických částeček zlata tavidlem, takže tyto částice se teprve mechanickým leštěním dostávají na povrch vypálené vrstvy a tím vrstva zlata získá vysoký lesk. Přídržnost této zlaté vrstvy je lepší než u lesklého zlata. Tímto zlatem se ozdobují náročné ryté dekory nebo okraje nápojového skla, které před tím byly zdobeny leptáním.
116
Lístkové (fóliové) zlato Dnes se používá lepení zlaté fólie jen zřídka, a to v kombinaci s rytým dekorem. K lepení lístkového zlata se používá lepidel, které musí mít stejný index lomu jako sklo a musí být bezbarvá. Nejčastěji se používá lepidel silikonových a epoxidových. Prvním, rychleschnoucím lepidlem se lepí drahý kov na sklo. Druhým, krycím lepidlem se chrání zlato proti mechanickému poškození. Toto lepidlo má tuhnout naopak pomalu, aby došlo k vyprchání lehce těkavých rozpouštědel a tím křehnutí bylo co nejvíce oddáleno. Fóliové zlato se na sklo nanáší pomocí širokých plochých štětců z dlouhých jezevčích chlupů. Při rytí dekoru nemají být vytvářeny hluboké zářezy a ostré hrany, na kterých se fólie trhá. Předností této techniky je, že nanesené zlato má na skle z obou stran stejnou barvu. Listry Listry jsou rezináty kovů. Vytvářejí na povrchu skla bezbarvý, nebo barevný film, který zvyšuje pevnost skla proti mechanickému porušení a nárazu, zabraňuje poškrábání předmětů odíráním, má vysoký lesk a snižuje průhlednost skla o 20 - 30% i více. Listry se vyrábějí dvěma způsoby: tavením (za sucha), srážením (za mokra). Při výrobě dochází k přípravě listrů jednotlivých kovů, tzn. pouze základních odstínů, aby se barevná škála listrů rozšířila, mísí se a rozpouštějí vzájemně mezi sebou, nebo s drahými kovy (v kombinaci se uplatňuje zejména lesklé zlato, někdy i lesklá platina). Pro nanášení listrů se nejčastěji využívají štětce a stříkací pistole. Na drobné skleněné výrobky jako jsou perly, knoflíky apod. se listr nabaluje. Nanesená vrstva musí být stejně tlustá, jinak vznikají na povrchu listru po vypálení barevné odstíny v sytosti odstínů. Vypalováním nanesených listrů dochází ke spojení listru s povrchem skla. Listr získává vysoký lesk, organická ředidla se beze zbytku spálí. (Bachtík S., Pospíchal V., 1964) Hydroglazury Jsou organické barvy (bezolovnaté) ředitelné vodou určené pro dekorování dutého i plochého sodnodraselného skla, olovnatého křišťálu a borokřemičitého skla. Barva je dodávána v přibližně správné viskozitě pro stříkání, namáčení, ale v závislosti na způsobu nanášení může být barva dořeďována vodou. Voda musí být přidávána pomalu, za stálého míchání bez vhánění vzduchu do barvy, které způsobují nežádoucí napěnění barvy, které se projevuje i při následné malbě. Při vypařování vody z aplikované barvy částečky polymerují, malé množství pomalu se odpařujícího rozpouštědla napomůže slití do souvislého filmu. Po vytvoření filmu se dosáhne chemické vazby teplem, žádné další vytvrzování při pokojové teplotě nenásleduje. Pro kompletní vytvrzení a pro standardně větší odolnost barvy je potřeba dosáhnout vypalovací teploty 170º-200ºC.
117
11.6 Vypalování Sklářské barvy, ledy, listry a drahé kovy se trvale upevní na výrobku vypalováním na teplotu ležící pod teplotou jeho deformace.
11.6.1 Vypalování barev Při vypalování barev je nutno přihlížet k těmto činitelům: 5. Tepelný náraz při nízkých teplotách a jím způsobené přechodné pnutí ve skle nesmí u tlustostěnných výrobků přesáhnout hranici pevnosti výrobku. 6. Z ekonomických důvodů je třeba dodržet maximální přípustnou rychlost stoupání teplot, která závisí na konstrukci pece. 7. V průběhu stoupání teplot je třeba dodržovat oxidační atmosféru. 8. Výrobky se musí vypalovat na teplotu vypalování příslušných barev. 9. Musí se dodržet optimální prodleva na vypalovací teplotě. 10. Pokles teplot musí odpovídat chladicí křivce vypalovaných výrobků, aby se dosáhlo takového trvalého pnutí, které nemůže způsobit prasknutí. 11. Výrobky se mohou vybírat z pece při teplotě, která nezpůsobí prasknutí vlivem přechodného pnutí. Sklo se maluje barvami transparentními, krycími a reliéfními. Většina těchto barev jsou nízkotavitelná boritoolovnatokřemičitá skla, jemně rozemletá, aby po smíšení s terpentýnem a s přísadou damarového laku nabyla konzistence vhodné k nanášení štětcem Malířské barvy se teprve vypalováním spojují pevně s povrchem výrobku a jejich zrna se také váží mezi sebou. Přitom lze rozeznávat tři stadia: slinování, roztékání v souvislou vrstvu a stavování s podkladem. Slinování. Tímto pojmem se rozumí zachycení barvy na skleněném podkladu. Lesku ještě není dosaženo, barva zůstává sametově matná. Podle původní domněnky se při slinování roztaví tavivo; toto tavivo zvolna rozpouští další látky a stmeluje je tak, že se mezery mezi zrny barvy vyplňují sklovinou nově vytvořenou. Roztékání v souvislou vrstvu. Zatímco vlastnosti krystalických látek a jejich závislost na teplotě v blízkosti bodu tání se mění náhle, skokem. Krystalické látky mají přesný bod tání. U sklářských barev, jako u skla, hmoty amorfní, probíhají změny pozvolna a plynule. Barvy postupně měknou, až jsou tekuté. Přitom má na rychlost roztékání vliv i smáčení, které závisí na velikosti stykového úhlu. Předpokládá-li se u barev plynulost změn jako u skla, je možno určit mezní stav — teplotu za určité viskozity, která je označena jako bod měknutí, ležící u běžných skel asi 30 °C nad transformační teplotou. Stavování s podkladem. Konečným stavem při stavování barvy se sklem se rozumí roztavení barvy, vzájemné spojení jejích částic a dokonalé přilnutí na skleněný podklad. Při vypalování se zrna spojují s alkáliemi a zatavují se do povrchu skla. Nesporně se vytváří mezi sklem a barvou nízkotavitelná mezivrstva. Teploty slinování, roztěkání v souvislou vrstvu a stavování s podkladem jsou stanoveny rozmezím teplot. slinování 390 - 430oC roztékání v souvislou vrstvu 410 - 450 oC stavování s podkladem 530 - 540 oC Vzhledem k tomu, že sklářské barvy jsou vysoce olovnatá skla, z nichž se snadno redukuje olovo, je nutno k zachování jasnosti barevného tónu a vysokého lesku, aby se v peci při vypalování udržovala oxidační atmosféra. Jinak se projevuje redukční účinek plynů na olovo obsažené v barvě tím, že barva šedne, až zčerná. (Bachtík S., Pospíchal V., 1964) 118
11.6.2 Vypalování lesklého zlata Vypalovací křivky lesklého zlata musí mít takový průběh, aby těkavé plynné složky měly dostatek času k vytékání při určitých teplotách. Tyto plyny mají redukční schopnost, takže při zvýšené koncentraci, k níž dochází při příliš rychlém stoupání teplot, mohou nepříznivě ovlivnit jakost vypáleného povrchu. Kromě zlata jsou v lesklém zlatě obsaženy tyto kovy: Bi, Cr, Rh, V, Ti, Si a Ag. Tyto složky obsazené v určitém poměru, který je blízký poměru eutektickému, vytvářejí mezi povrchem skla a zlatým povlakem nízkotavitelnou spojovací, mezivrstvu. Mezivrstva je tedy složkou rozhodující o přídržnosti zlatého filmu a zároveň jakýmsi anorganickým sklem. Vytváří se při vypalovací teplotě asi 540 °C a stavuje se s alkalickým povrchem skla. V takto vzniklé skelné mezi vrstvě jsou jemně rozptýleny částice kovového zlata tak, že vrstva vytváří hladký a lesklý povrch kovového zrcátka. Takto pevně vázané částice zlata jsou dostatečně chráněny proti mechanickému otírání. Při tvorbě mezivrstvy se uplatňují též procesy difúze do povrchu skla, což je dáno přítomností Ag, V i jiných kovů. Vytvoření mezivrstvy a její stavení s povrchem skla je základní podmínkou přídržnosti lesklého zlata. Při vypalování lesklého zlata je nutno, kromě splnění všech požadavků pro vypalování barev, uvážit i tyto skutečnosti: 1. Lesklé zlato obsahuje asi 85 % těkavých a spalitelných látek. 2. Kolem 50 % jich vytěká do 200 °C; maximum těkání je v rozmezí 150 až 180 °C. 3. Nad 180 °C se uvolňují a rozkládají merkaptany a pryskyřice. 4. Do 350 °C se uvolňují zbytky organických látek a pak se na skle objevuje viditelné zlaté zrcátko. Poslední zbytky vytěkají v rozmezí 300 až 400 °C. 5. Zplodiny výpalu lesklého zlata při teplotách 200 až 350 °C způsobují redukční atmosféru. 6. Barvu, lesk a přídržnost ovlivňují zplodiny, které se uvolňují při rozkladu pryskyřice hlavně nad teplotou 200 °C. (Bachtík S., Pospíchal V., 1964)
11.6.3 Vypalovací křivka Při stanovení vypalovací křivky je nutno uvážit: chemické složení a fyzikální vlastnosti skla, největší tloušťku stěny, tvar zdobeného výrobku, barvu skla a zdobicího materiálu, velikost zdobené plochy, tloušťku vrstva dekoru, druh a množsrví řediv a pojiv, druh vypalovací pece, umístění výrobků ve vypalovací peci Chemické složení zdobeného skla udává svými fyzikálními vlastnostmi hlavně výši bodu měknutí skla, tj. jakých maximálních vypalovacích teplot můžeme k vypalování zdobících materiálů použít. Z toho vyplývá, že pro určitá chemická složení skla lze volit jen některé druhy zdobících materiálů. Je rozhodně mnohem obtížnější vypalovat barvy nebo drahé kovy na olovnatém křišťálu, který má bod měknutí skla podstatně nižší než sodnodraselný křišťál, pro který se uvedených zdobících materiálů běžné používá, pokud neexistují speciální zdobící materiály, jejichž chemické složení a fyzikální vlastnosti jsou vhodné ke zdobení olovnatého křišťálu. K největší tloušťce stěny zdobeného výrobku je nutno přihlédnout hlavně pro interval chlazení skla. Čím tlustší má výrobek stěnu, tím vyšší maximální vypalovací teploty můžeme použít. Tlustostěnný výrobek není tak citlivý na deformaci jako tenkostěnný. Je možná delší prodleva při maximální vypalovací teplotě. Chladicí křivka musí být časově podstatně delší vzhledem k pomalejšímu vyrovnání teplot uvnitř skla. Je totiž všeobecnou snahou zanechat ve skle po chlazení trvalé napětí co nejnižší hodnoty. Pro špatnou tepelnou vodivost skla je možno vypalovat na tlustostěnných sklech, například olovnatých, zdobící materiály, které se běžně vypalují na tvrdším sodnodraselném skle. Při výpalu se postupuje tak, že se zapálí jen zdobící materiál na povrchu skla — vrstva skla se neprohřeje, a tedy nedeformuje výrobek. Vypalování na tlustostěnných sklech tak probíhá při teplotách podstatně vyšších, než je bod měknutí 119
podkladového skla. Protože každý výrobek má podle svého tvaru různou tloušťku stěn, probíhá v každém místě výrobku jiná vypalovací a chladicí křivka; tím má výrobek v různých místech ve skle různá napětí. Proto i vypalovací křivka je ovlivněna tloušťkou vrstvy skla, ne však tolik jako křivka chladicí, protože vypalování dekorů je pochodem, který probíhá převážně na povrchové vrstvě skla. Přesto nastávají případy, kdy tloušťka vrstvy skla podstatně ovlivní výpal zdobícího materiálu. Při vypalování lesklého zlata se někdy stane, že na některém místě výrobku zlato drží a na jiném nedrží. Při pohledu na výrobek se zjistí, že zlato drží lépe na tlustší vrstvě skla, než na tenčí. Je to způsobeno tím, že na tlustší vrstvě skla probíhá vlivem špatné tepelné vodivosti skla podstatně delší tepelné působení na zdobící materiál při nejvyšších vypalovacích teplotách, než je tomu u tenké vrstvy skla. Vypalování dekoru probíhá u tlustostěnného skla určitou dobu i po vypnutí vypalovací pece. Podle tvaru zdobeného výrobku se řídí nejvyšší teploty k vypalování dekoru. Uzavřené tvary a výrobky se stonkem nebo nožkou jsou velmi choulostivé, a proto se musí vypalovat tak, aby se vlivem vyšší vypalovací teploty nedeformovaly. V tomto případě je proto velmi důležité vhodně umístit výrobek ve vypalovací peci a postavit ho na děrovaný plech tak, aby místa výrobku nejchoulostivější k deformaci, tj. stonek nebo nožka, nebyla příliš zatížena Barva skla a zdobícího materiálu ovlivňuje tepelnou absorpci. K tomu je třeba přihlédnout při stanovení maximální vypalovací teploty a délky tepelné prodlevy. Dekory na tmavých barevných sklech je možno vypalovat se stejným efektem při poněkud nižších teplotách než u skel křišťálových. Skla tmavých barev pohlcují totiž více tepla než skla křišťálová. Rovněž dekory tmavých barev je možno vypalovat se stejným efektem poněkud níže než dekory světlých barev, zvláště barvy bílé. Tmavé barvy vždy získávají lesk dříve než barvy světlé. Rovněž stejné barvy jsou dříve lesklé na tmavých sklech, než na sklech křišťálových. Tato skutečnost může být někdy příčinou toho, proč při stejných tepelných podmínkách jsou některé barvy na některých sklech dobře vypálené, zatímco ostatní barvy ještě nemají potřebný lesk. Druh a chemické složení zdobícího materiálu ovlivňují výši maximální vypalovací teploty. Snahou je, aby zdobicí materiály používané na jednom výrobku měly přibližně stejnou_maximální vypalovací teplotu, to znamená i podobné chemické složení. Chemické složení zdobícího materiálu musí být takové, aby se maximální vypalovací teplota příliš nelišila od bodu měknutí podkladového skla. Velikost zdobené plochy ovlivňuje spotřebu tepelné energie na výpal. Čím větší je tato plocha, tím větší je spotřeba energie, a proto je nutno vést výpal v delším tepelném intervalu, zvláště při vyšších teplotách, kdy začíná slinovat zdobicí materiál. Při nedostatečném množství tepla vznikají matné plochy vedle lesklých vlasových dekorů. Tloušťka vrstvy dekoru ovlivňuje vypalovací křivku po celém jejím průběhu. Čím tlustší je vrstva naneseného zdobícího materiálu, tím více obsahuje ředidel a pojiv. Je proto nutno vést vypalování dekoru tím pomaleji, čím tlustší je vrstva dekoru. Týká se to hlavně počátečních nízkých teplot, kdy se odpařují ředidla a pojiva. Při vyšších vypalovacích teplotách je vypalovací křivka tím pozvolnější, čím tlustší je nanesená vrstva; zdobicí materiál musí totiž dokonale slinout s podkladovým sklem a vlastní barva se má v celé vrstvě protavit, aby se dosáhlo potřebného lesku. Druh a množství ředidel a pojiv jsou důležité hlavně pro počáteční vypalovací teploty. Vedle jejích použitého množství záleží rovněž na vzájemném poměru ředidla a pojiva. Výpal musí probíhat tak, aby ředidla a pojiva mohla vytěkat nebo se popřípadě spálit, ale nikoliv, aby se vařila. Varem ředidel nebo pojiv se barva potrhá. Var může být způsoben příliš rychlým vzestupem vypalovací křivky. Může k němu dojít též použitím nadměrného množství pojiva nebo ředidla, jež obsahuje značné množství olejovitých látek, i když se zachová původní vypalovací křivka. Přebytky těchto látek se pak vypalují při vyšších vypalovacích teplotách, což vede k uvedenému varu.
120
Druh vypalovací pece ovlivňuje vypalovací křivku, pokud jde o Vlastní možnosti vypalování. V komorových a poklopových pecích je možno nastavit programovou regulací prakticky jakkoliv dlouhou vypalovací křivku. To není možné na pásových pecích, protože rozsah rychlostí pohybu pásu dovoluje použít vypalovacích křivek jen určité délky. Rovněž na pásových pecích není prakticky možné použít minimální tepelné prodlevy při maximální vypalovací teplotě pro tlustostěnné výrobky. To proto, že celková rychlost pásu je podřízena hlavně chladicí křivce, která je zcela ovlivněna tloušťkou stěny výrobku. Dále je nutno přihlédnout k tomu, že jednotlivá tepelná pásma jsou ovlivněna tepelnými podmínkami pásem okolních a pásová pec je v celém průběhu vypalování otevřená. Není proto možné provést na pásové peci při vypalování tlustostěnných výrobků rychlý vzestup nebo sestup vypalovacích teplot v okolí maximální vypalovací teploty. Proto je lépe použít pásové pece na výrobky tenkostěnné, kde je možno využít dostatečné rychlosti pásu. Rozhodně se nemá na pásových pecích nikdy kombinovat vypalování výrobků tenkostěnných s tlustostěnnými. Nehledě na nehospodárnost s energií při takto prováděném výpalu na pásových pecích mohou vzniknout četné závady, jako jsou deformace tenkostěnných výrobků, nevypálení zdobicích preparátů na výrobcích tlustostěnných, popřípadě lom tlustostěnných výrobků. V pásových pecích vlivem dokonalého odvětrávání spalin je možno vypalovat některé druhy dekorů při poněkud nižších teplotách než v pecích komorových. Jde například o listry; výška vypalovací teploty má vliv nejen na, odstín, ale někdy i na konečnou barvu listru. Umístění výrobků ve vypalovací peci je důležité z hlediska rovnoměrného vypálení dekoru. V zásadě není dobré výrobky nakládat příliš hustě u sebe, protože vzájemné tepelné působení stěn skla může vést nejen k nerovnoměrnému výpalu na celé ploše dekoru, ale i k případné deformaci výrobku. Tepelné prodlevy se totiž prodlužují v místech, kde jsou stěny výrobků příliš blízko u sebe; postihuje to nejvíce výrobky tenkostěnné. Při výrobě lazur se v tomto případě tvoří nežádoucí skvrny, které mají buď jiný odstín, nebo dokonce jinou barvu, než je původní barva lazury. Základním předpokladem ke stanovení vypalovacích křivek je rovnoměrné rozložení teplot uvnitř vypalovací pece. Čím hůře je tepelně seřízena vypalovací pec, tím zkušenější musí být vypalovač. Pro dobře tepelně seřízenou vypalovací pec je možno použít programové regulace vypalování, která umožňuje přesně dodržet potřebnou vypalovací křivku. Při stanovení správné vypalovací křivky odstraňuje programová regulace možnost deformace výrobku a umožňuje vypálit jakýkoli zdobicí materiál na kterékoliv dobře tepelně seřízené peci. (Draxler J a kol. 1973) Technologické souvislosti významné pro určení vypalovací křivky byly zařazeny v celém rozsahu z uvedené publikace, přestože přesahují stanovený rozsah textu. Draxler J a kol. : Malování, pokovování a příbuzné techniky, HSP, SNTL Praha1973, autorem kapitoly o malbě skla je: Ing. L. Škorpík Vypalovací křivka je grafické znázornění průběhu teplot v závislosti na čase. Její schematické znázornění je na Obr. 56. S vyznačenými úseky. Do teploty cca 2 Úsek A: Vlastní vypalovací křivka zdobících preparátů se skládá z několika částí: v prvé části přibližně do 250 °C je rychlost vypalování ovlivněna množstvím a jakostí použitých ředidel. V této části je vzestup teplot nejpomalejší, aby nedocházelo k jejich „vaření“ a nevznikaly trhliny dekoru, protože do uvedené teploty vytěká kolem 80 % ředidel. To vyžaduje zcela otevřený odtahový komín, dostatečný přívod vzduchu do vypalovací pece a potřebný tah ve vypalovací peci na odstranění destilačních zplodin. Analogické jsou podmínky při výpalu lesklého zlata, které obsahuje 85 % těkavých a spalitelných sloučenin, z nichž 50 % vytěká do teploty 200 °C. Zbytek sloučenin jsou pryskyřice, merkaptidy a asfaltické látky uvolňující se do 350 °C.
121
Až do této teploty je nutno dodržet oxidační atmosféru, aby byl a dodržena jakost a přídržnost vypálené vrstvy. U výrobků tlustostěnných a u výrobků spojovaných více skel (vrstvená skla) je třeba vzestup teplot brzdit až do 350 °C, aby se zabránilo jejich prasknutí při případném sečtení zbytkového trvalého pnutí přechodným vyvolaným teplotním rázem při vypalování Úsek B: Ve druhé části probíhá těkání, tepelný rozklad a spalování pojiv. Rychlost vypalování je v této rychlejší než v části předchozí. Při teplotách kolem 450°C jsou prakticky všechna pojiva nejen spálena, ale při dobrem odtahu i odstraněna z pece. U vypalovacích křivek musí být pamatováno na dokonalé odkouření všech organických látek a na zajištění oxidační atmosféry. Ve vypalovací peci vzniká při stoupání teplot tepelný rozdíl až 150 °C. Tepelné zpoždění se vytváří v dolní části komorové pece. Při dosažení maximální teploty nutno teplotní rozdíl vyrovnat prodlevou na této teplotě. Navíc má delší prodleva příznivý vliv na tvorbu uvedené mezivrstvy. Vytvoření skelné mezivrstvy u lesklého zlata, skelné vrstvy na povrchu skla u listrů i skelného povrchu vypalovaných barev jsou základními podmínkami ovlivňujícími jakost nanesených vrstev. Tyto podmínky jsou splněny v úseku C vypalovací křivky tzv. prodlevou - výdrží. Úsek C:Tato prodleva trvá většinou 15 až 20 minut, podle druhu vypalovacích barev. Maximální vypalovací teploty jsou 540 až 560°C. Úsek D: Pokles teplot po prodlevě je opakováním procesu chlazení. Musí se proto vést tak, aby výrobek neobsahoval zbytkové pnutí, které by způsobilo překročení hranice pevnosti výrobku. Vypalovací teplota je blízká transformačnímu bodu, a tím i horní chladicí teplotě. Úsek E: V tomto úseku probíhá pokles teplot teoreticky již pod spodní chladící teplotou, kde nevzniká trvalé, ale pouze přechodné vnitřní napětí. Protože v reálné v peci s výrobky probíhá proces změny teplot v důsledku rozdílů mezi hodnotou na ukazateli měřené teploty pece a teplotou výrobku se zpožděním, bývá teplota rychlejšího ochlazování posunuta směrem k nižším hodnotám. Výrobky se z vypalovací pece odebírají nejdříve po dosažení 50°C.
Obr. 56 Vypalovací křivka. (SUPŠ sklářská Valašské Meziříčí)
122
Shrnutí Studující získal celkový přehled o běžně využívaných prostředcích pro malbu skla, ale též podrobné informace o možnostech a podmínkách pro využívání jednotlivých typů barev a drahých kovů. Získá též poznatky o jednotlivých fázích výpaly barev a drahých kovů.
Pojmy k zapamatování • • • • •
Sklářské barvy, tavidlo, barvítko, pojivo ředidlo, silice, balzámy transparentní barvy, krycí barvy, plošné barvy, reliéfní barvy, vysoký smalt, matfond, lesklé zlato, leštěné zlato, lístkové zlato, stříbro, platina vypalovací křivka
Kontrolní otázky 55. Které jsou tři základní složky sklářských barev? 56. Které jsou organické složky sklářských barev a jakou mají funkci? 57. Které drahé kovy jsou využívány k malbě skla? 58. Uveďte jednotlivé typy sklářských barev 59. Nakreslete vypalovací křivku a vysvětlete význam jednotlivých etap.
123
12 Lehané sklo a tavená plastika Studijní cíle: Studující se seznámí s výrobou lehaného skla metodou fusing a se zásadami, které je nutno při jeho výrobě dodržovat, dále se seznámí s možnostmi výroby tavené plastiky. Klíčová slova: Ploché sklo typu „FOURCAULT“, ploché sklo typu „FLOAT“, bod měknutí skla, Littletonův bod měknutí, transformační teplota, horní a dolní chladící teplota, teplota zpracování skla, granulometrie skla při výrobě tavené plastiky. Potřebný čas: 2 hodiny
12.1 Lehané sklo – výroba metodou fusing 12.1.1 Lehané sklo - úvod Sklo patří mezi materiály, které je možné zpracovávat mnoho různým způsoby. Technologie spékání skla byla využívaná jako jedna z prvních metod pro tvorbu skleněných výrobků na samém počátku historie skla např. při výrobě skleněných nádob spékáním skleněných tyčinek na pískovém jádře před vynálezem sklářské píšťaly již ve starověku. Pojmem lehané sklo se rozumí výrobek vzniklý současným působením tepelné expozice a gravitace, díky kterým získá výrobek tvar daný formou, jejímuž tvaru se skelná hmota během svého změknutí přizpůsobila. V současné době jsou postupy spékání a lehání skla široce využívány při tvorbě dekoračních předmětů, šperků, ale i užitných předmětů svítidel, talířů, podnosů, mís a dalších. Ve své podstatě však umožňuje vytvořit téměř libovolný objekt.
12.1.2 Používané materiály Ploché sklo Nejčastěji používaným sklem při výrobě metodou fusingu (lehané sklo) je ploché okenní sklo vyráběné technikou plavení (float), kterou je po jejím zavedení ve 2. polovině 20. stol. zcela dominantní. Formy Základními surovinami pro výrobu forem jsou bílá sádra a sklářský písek. Může se používat i mramorit (kvalitní tvrdá modelová sádra) nebo speciální formovací hmoty k tomuto účelu speciálně vyrobené. Formy můžou být i keramické nebo kovové, někdy mohou být vytvarované z běžných žáruvzdorných materiálů. Pomocný materiál Barevné drtě, kovy, skleněné textilie Po aplikaci skleněného prášku, výrobky disponují vyšší barevnou stálostí než při povrchovém barvení. Mezi dvě skla můžeme vkládat i materiály jako jsou hliníkové, měděné či mosazné folie, stejně tak dráty nebo skelné textilie. Před každým použitím takového materiálu se musí provést technologická zkouška. I zde platí, že veškeré materiály, které jsou používány při stavování s plochým sklem, mohou představovat riziko vzniku trvalého napětí způsobené rozdílnou roztažností.
124
12.1.3 Teplotní křivka pro fusing a význam chlazení U velkých rozměrů skla je obtížné dosáhnout během chladicího procesu jednotnou teplotu uvnitř skleněné plochy Téma chlazení je s ohledem na spékané sklo velmi důležité. Při výrobě spékaných skel se jednalo pouze o malé plochy, případně malé objekty. Ty se snadněji chladí, neboť efekt rychlejšího chladnutí okrajů než středu je v případě malých rozměrů daleko méně závažný. Jestliže teplota fusingové pece po spékání nebo lehání poklesne na teplotu 540oC, je další pokles teploty pozastaven a další pokles by měl respektovat chladící křivku odpovídající danému výrobku. Délka této prodlevy se řídí sílou stěny výrobku a roste s tloušťkou. Účelem této prodlevy je vyrovnání teplotní gradientu ve skleněném výrobku. Po prodlevě je možno dále rovnoměrně chladit. V běžných fusingových pecích probíhá chlazení zpravidla jednostranně. Teplo se může uvolňovat jenom z horního povrchu. To má významné účinky na dobu trvání chladicího procesu. Chladící proces ovlivňuje také druh podlahy pece a podložky, na které spékání tabule probíhá. Pro získání výrobku s vnitřním pnutím v bezpečných mezích je důležité, aby skla procházela teplotním rozsahem mezi horní a dolní chladicí teplotou v odpovídajícím časovém intervalu lineárně, aby byla dodržena odpovídající chladící rychlost (oC/min). Chlazení, které nebere v úvahu základní podmínky, jako jsou sklo, síla jeho stěny, typ pece, izolaci, podklad atd., vede ke vzniku vnitřního napětí, které má za následek prasknutí skla.
12.1.4 Příprava skla pro fusing Nařezané kousky skla se nejprve očistí, a pak se poskládají v tavicích formách do požadovaného tvaru. Pro vytvoření originálního designu se kombinuje sklo různých typů a barev. Poté se forma vloží do tavící pece, kde se zahřívá na 750 až 850°C. Čím déle jsou skleněné kousky vystavené vysokým teplotám, tím více se zakulacují jejich hrany a splývají jejich přechody.
12.1.5 Formy pro fusing Pro tvarování talířů či ohýbání oblouků se používají často formy nerezové, u kterých je nutné nanášet separační hmotu, která vytvoří tenký film mezi sklem a formou. Požívají se i formy keramické, nebo ze speciálního žárobetonu např. NOVOBET Q10 Nejméně nákladnou technikou, která současně umožňuje vytvářet tvarově jednoduché i velmi složité formy, je vyrobit formu ze sádry a sklářského písku. Základem je zhotovení modelu požadovaného tvaru výrobku z modelovací hlíny, který se pak zaplní dobře homogenizovanou směsí sádry a písku v poměru 1:1.
12.1.6 Využití fusingových pecí pro přípravu lehaného skla 1. Při použití plochého skla typu float, je nutno zjistit, která strana plochého skla byla ve styku s cínovou lázní a která strana byla vyrovnána pouze povrchovým napětím. Přítomnost cínu ve skleněné vrstvě zjišťujeme pomocí testru, takto určená strana plochého skla je vždy při kladení více skel na sebe stranou spodní Také by na stranu s cínem neměly být sypány barevné rubíny. Cínový tester pro Float. Bezbarvá kapalina, distributor TGK s.r.o., R 34 – způsobuje poleptání, www.tgk-cz.cz. Zkoušku lze provést nanesením kapky testeru (např. dřevěnou špejlí) na povrch skla. V případě přítomnosti cínu se zbarví hnědě.
125
2. Sklo nereagující na tester test je sklo fourcaultové, čili vyrobené původně ůvodně používanou technologií, nikoliv plavením na cínové lázni. Tento typ skla nelze kombinovat se s současným asným sklem float, protože složení těchto skel se významně ě liší a tak je tomu s jejich roztažností (dilatací dilatací). Nevyhnutelným důsledkem sledkem by pak bylo získání výrobku s trvalým vnitřním napětím ětím vedoucím k jeho prasknutí. 3. Platí zásada, že starší sklo fourcaultové můžeme žeme zpracovat, ale za podmínky, že sklo neřežeme z různých ůzných tabulí, ale že celý fu fusingový artefakt nařežeme řežeme z jedné tabule (praskání by mohlo nastat v důsledku d sledku odlišného výrobce, odlišného složení, rozdílného stupně dezalkalizace povrchu vlivem povětrnostních pov podmínek apod.) 4. Kladené sklo do fusingové usingové pece musí být dokonale čisté, závadou vadou jsou i otisky prstů, prst (na mastný povrch se nalepí prach vířící ví ící v peci, mastnota sice shoří, shoř ale nalepený prach se na sklo při ři teplotách 800 °C nataví. Povrch je pak matný. Barevné fusingy lze vytvářet: řet: 1. Z barevného skla,, barveného ve hmotě, ale jeho cena je poměrně ěrně vysoká. 2. Jiným řešením s nižšími nižší náklady je barvení skla v průběhu ů ěhu spékání pomocí barevných drtí přetahových řetahových skel ((rubínů) sypaných na ploché sklo před tepelnou expozicí mikrosítem.
Zde je nutno upozornit, že v případě odlišné roztažnosti drti barevného rubínu a posypaného plochého skla natavená vrstva praská a odpadává. ešením je zatavení rubínů rubín mezi dvěma skly 3. Jiným řešením
Obr. 57 Lehané sklo
126
6. Sklo v ploše Takto mohou vznikat fusingové vitráže využitelné v architektuře ře a interiérech, vvýplně dveří, prosklených přepážek, řepážek, oken. Tento způsob byl využit v klauzurních a maturitních pracích studentů jako byly deska stolu, výplň skříňových dveří, ří, vícedílný paraván, závěsné sné velkoplošné zrcadlo - jeho rám apod. Postup:
7. Formy: ného modelu a) zhotovení hliněného b) odlití žárovzdorné formy ze směsi sm — voda, sklářský písek a alabastrová sádra v poměru 1:1 ř ěřenou armaturu zlepšující její pevnost c) forma obsahuje přiměřenou d) forma musí mít vyvrtané odvzdušňovací odvzduš otvory a musí být dokonale vysušená (nebezpečí bublin ve skle) e) před ed použitím je povrch formy vymazán suchou suchou sádrou, která vyplní odvzdušovací otvory a zabrání natavení skla k formě. form f) přii používání pískosádrových forem je nutno respektovat skute skuteč skutečnost, že tento materiál je maximálně ě použitelný do 900oC. Při překročení ení této hranice dochází k destrukci, popraskání formy. 8. Komerční ní ploché sklo (např. ( float), lze nahradit silnostěnným ěnným plochým sklem utavených ze střepů¨.
Získané utavené desky různých ůzných tvar tvarů lze tvarovat vat do podoby skla prostorového: a) pomocí forem negativních
b) nebo pomocí ohýbacích jader, forem pozitivních 127
9. Provozní teplota fusingových pecí BVD je 1000oC, a pro vyšší teploty nejsou ani dostatečně tepelně izolovány. Proto v nich nelze tavit ze střepů silnostěnné skleněné desky, ale pouze desky (reliéfní) do tloušťky stěny 40 mm. Samozřejmě, že při zvažování všech tepelných expozicí je rozhodující použité sklo a hlavně jeho teplota, při které má dostatečně nízkou viskozitu umožňující tvarovánÍ do formy.
12.2 Skleněná plastika 12.2.1 Historický úvod K nesporným přednostem tavené skleněné plastiky patří relativní nezávislost sklářského výtvarníka na výrobě a možnost realizovat tvůrčí záměry ve vlastním ateliéru. Také tím lze vysvětlit její stále větší oblibu. Osudy tavené skleněné plastiky jsou v Československé republice od poloviny 40. let 20. století spojeny se Železným Brodem, tamní sklářskou školou, a od začátku 50. let také se Železnobrodským sklem, s profesorem sklářské školy Jaroslavem Brychtou, jeho dcerou Jaroslavou, od poloviny 50. let se ředitelem sklářské školy a od 60. let profesorem Vysoké školy uměleckoprůmyslové Stanislavem Libenským a jejich dnes většinou neprávem zapomenutými spolupracovníky a pomocníky, protože technologický, ani výtvarný vývoj tavené skleněné plastiky od začátku nebyl dílem jednotlivců. Bez jejich tvorby by se tavená skleněná plastika nestala světově uznávaným a respektovaným sklářským fenoménem. Do výtvarného vývoje a využití techniky od 80. let rozhodujícím způsobem zasahují také Libenského žáci. O stavování drceného skleněného odpadu ve formičkách se v Železném Brodě na sklářské škole začalo uvažovat na konci druhé světové války, v období rostoucího nedostatku skla. Při výrobě hutních figurek vznikal nezpracovatelný odpad. Kohosi napadlo jej rozdrtit, ztavit ve formičkách a zhotovit z něj brože a jiné suvenýry. S tím nápadem prý nepřišel profesor Brychta, ale některý z jeho spolupracovníků, ale tento nápad ho zaujal natolik, že se jím začal zabývat jako výtvarník a domýšlet jeho budoucí možnosti. Pro svou představu získal dceru Jaroslavu, studentku umprum z ateliéru profesora Štipla. Brychtová nejdříve vytvořila několik drobných reliéfů z barevného skla (Dojení, Žena s kozou, Žena s nádobou), potom, v roce 1948, jako klauzurní práci – již u profesora Laudy, triptych Ruce sklářů. To již s profesorem Brychtou a jeho dcerou spolupracovali také odborníci ze Státního výzkumného ústavu sklářského v Hradci Králové – a Brychtovi přátelé, ředitel SVÚS ing. Václav Čtyřoký a ing. Jiří Kocík. Ruce sklářů byly v královéhradeckém ústavu utaveny z pokusného optického skla právě tak, jako její státnice Třeboňští rybáři Tavená skleněná plastika se stává českými výtvarníky nejvyužívanější technikou. Se zmenšující se sklářskou výrobní základnou a postupným zánikem na kvalifikovanou ruční práci zaměřených sklářských hutí, umožňujících výtvarníkům tvorbu podle jejich vlastních představ, je tavená plastika jednou z mála příležitostí k realizaci.
128
Když vezmeme v úvahu, kolik možností dnes tato technika výtvarníkům nabízí – že ji lze po utavení ponechat se všemi při přetavení skla ve formě vzniklými zajímavostmi, že lze na jejím povrchu zachovat osobitý sochařský rukopis podobně jako na bronzovém nebo cínové odlitku, že ji lze použít jako skleněný polotovar např. pro další zpracování broušením a leštěním povrchu, že podle potřeby lze pracovat s olovnatým i bezolovnatým sklem s téměř nekonečnou škálou barevných odstínů, i jak velké skleněné plastiky z nich lze v případě potřeby utavit, že lze v elektrických pecích ploché sklo také modelovat nebo ve více vrstvách ztavovat a mezi jednotlivé vrstvy vkládat i různé materiály, je nepochybné, že domácím i zahraničním umělcům zajišťuje tvůrčích příležitostí víc než dost. Z přednášky Antonína Langhamera: Tradice české tavené skleněné plastiky. (seminář ČSS: Seminář, Technologická úskalí skleněné plastiky, Praha 2009)
12.2.2 Princip slinování Při výrobě všech druhů slinovaných skleněných výrobků je nejčastěji základním materiálem skleněná drť různé zrnitosti podle druhu výrobků. Zrna se zahřívají tak dlouho, až se staví natolik, že mezi nimi zůstanou póry. Proces může být plynule řízen, aby se dosáhlo i dokonalejšího stavení, bez otevřených pórů, až do stadia, kdy je hmota vakuově těsná, jako je tomu při zatavování kovových drátů do elektronek. Druhy výrobků seřazené podle klesajícího stupně pórovitosti jsou: - pórovité desky zatavované do skleněných filtrů; - slinované bižuterní výrobky (korále, knoflíky, mozaikové kameny); - vysoký smalt, malířské vypalovací barvy; - vakuově těsné pájky k zatavování vodičů v elektrotechnice; - slinovaná plastika. Velikost pórů závisí hlavně na zrnitosti prášku, druhu skla, zejména podle teploty měknutí, a výši teplot (obr. 58). Póry jsou tím menší, čím menší je zrnitost, čím lehčeji je tavitelné sklo
1- drť slinovaná za nízké teploty
2 - drť slinovaná za teploty vyšší.
Obr. 58 Slinování, Bachtík S., Pospíchal V., Zušlechťování skla, SNTL Praha 1964
Velikost pórů klesá se stoupající teplotou a délkou doby zahřívání. Při pozvolném zahřívání na vyšší teploty téměř dokonale unikne vzduch svou roztažností, a to ještě dříve, než nastane slinutí. Přesto je však patrné, že si výrobek zachoval jakousi mikroheterogenní nehomogenitu. U bezbarvého skla je celá hmota jemně zakalena, jako by byla matována. Procházející světlo ukazuje známý Tyndalův efekt a je patrný jemný rozptyl světla. (Bachtík S., Pospíchal V., 1964)
129
12.2.3 Používané formy Ve sklářské praxi existuje nepřeberné množství receptů na výrobu forem na tavení skla. Prakticky každý výtvarník má svůj vlastní postup, který má ověřený a kterému věří. Stejně jako má každý výtvarník své vlastní tvary a pracuje s jinou velikostí objektů, které vyžadují jinou konstrukci forem a které vznášejí jiné nároky na pevnost formy. Řada výtvarníků tak dochází často jen pomocí pokusů a omylů k formulím, které, jim fungují, aniž to mají jakkoliv exaktně podložené a těch se drží podle pravidla: Neopravovat to, co funguje. Na druhé straně tento domácí výzkum pomocí zkoušek a omylů vede často k vytváření různých mýtů. Je to také způsobeno tím, že je jen velmi málo možností, jak získat seriozní teoretické znalosti z odborné literatury.
Obr. 59 Pískosádrová forma v elektrické komorové peci
Obr. 60 Odlitek formy na vymodelovaném jádru z hlíny
Rozdělení materiálů. Základní materiály na výrobu forem na tavení skla se dají rozdělit do tří skupin. Jsou to pojiva, ohnivzdorné složky a plniva. Základním pojivem na výrobu forem je sádra, základní ohnivzdornou složkou je křemičitý písek a základním plnivem bývá recyklovaný materiál ze starých forem, který zároveň plní funkci ohnivzdorného materiálu. Řada výrobců forem přidává do sádrové formy při výrobě jako plnivo drcený materiál z vypálených forem, nebo kaolínový prášek a to až do výše 30%. Tento mix zvyšuje hutnost forem a má tedy dobrý vliv na tepelnou odolnost forem. Přidaná recyklovaná hmota šetří peníze za nový materiál. V Čechách se běžně pracuje buď se sádrou, která má označení Mramorit, nebo s německou dentální sádrou. Oba materiály vykazují stejné vlastnosti. Míchají se s jemným pískem v poměru 1 až 2 díly písku a jeden díl sádry, což je běžná praxe českých sklářů. Tato hmota se dobře zpracovává, odlévá i nahazuje. Jen po sednutí vykazuje sníženou pevnost a až do úplného vyschnutí je třeba zacházet s formou opatrně. Po úplném vyschnutí však forma zvoní a vykazuje vysokou pevnost a tvrdost. Konstrukce forem. Konstrukce formy se liší podle velikosti a tvaru objektu. V zásadě lze rozdělit výrobu forem na lité do bednění a na nahazované. Nahazované formy mají výhodu v lepší kontrole síly formy v jejích všech částech a v tom, že ve hmotě je méně vody. To způsobuje větší hutnost formy a tedy i její větší pevnost a odolnost při vyšších teplotách. Slabší formy šetří materiál na jejich výrobu a jsou výhodnější pro proces chlazení. Výhodou je i pohodlnější možnost zpevňování formy pomocí pletiva a drátů
130
po nahození první kontaktní vrstvy formy a možnosti snadného vytvoření větracích kanálků. Lité formy se častěji používají při výrobě forem větších rozměrů, s nimiž se při větší váze špatně manipuluje. Lití ovšem požaduje řidší konzistenci hmoty na výrobu formy. To má za následek větší porositu formy a její nižší tepelnou odolnost. Síla stěn forem tedy musí být odpovídajícím způsobem silnější, než je nutné u forem nahazovaných. Vyšší nárok na spotřebu materiálu lze částečně vyrovnat přidáváním materiálu z rozbitých vypálených forem, který také snižuje množství vody ve formě, pokud se tam vkládá suchý, poněvadž tuto vodu vysává. Toto plnivo také zkracuje dobu sedání formy. Otevřené ploché formy v podobě reliéfů mají menší nároky na pevnost, protože hydrostatický tlak skla na stěny formy je minimální. Formy uzavřené a vysoké naopak vyžadují mnohem pevnější konstrukci a odolnost proti hydrostatickému tlaku skla. Nebezpečí vzniku množství bublin a nedotavených detailů je nutno čelit vytvořením dostatečného množství odvzdušňovacích kanálů. K jejich vytvoření lze použít, dřevěné špejle, nebo jiné organické materiály, já upřednostňuji kovové hřebíky, nebo svářecí drát, který po dokončení formy vytáhnu ven. Tyto otvory mají i vedlejší funkci, pomáhají mi při čištění vnitřku formy stlačeným vzduchem. Množství otvorů není limitováno. V zásadě více znamená lépe. Konstrukce formy je dále určená tím, jestli se k její výrobě používá pevný, želatinový, polystyrénový, voskový, či hliněný model. Tvar s výraznými podřezy vyžaduje výrobu vnitřní kontaktní vrstvy formy z několika dílů, nebo musí být použitá technika ztraceného vosku. Želatinová forma některé podřezy promíjí. Nejrychlejší je výroba formy přímo z hliněného modelu. Při tomto způsobu však téměř 100% dochází ke zničení modelu a není tedy možné jeho výrobu v případě potřeby opakovat. To platí i u polystyrénových modelů, pokud k jejich odstranění použijeme aceton. Rezervoáry. Značnou důležitost při výrobě formy představuje rezervoár nutný pro naložení skleněných střepů, které se nevejdou do samotné formy. Otevřená, plochá forma se někdy bez rezervoáru obejde úplně, nebo lze stěnu formy navýšit o několik centimetrů dodatečnou, ručně nahozenou ohrádkou. Vyšší a užší formy se bez rezervoáru neobejdou. Někdy je forma tak úzká, že je nutné veškeré sklo naložit do rezervoáru Výpočet množství potřebného skla. Velmi důležitou operací při výrobě forem na tavení skla je změření jejího objemu a výpočet potřebného množství skla. Existují dvě hlavní metody – suchá a mokrá. Mokrá metoda spočívá ve změření objemu formy bezprostředně po ukončení její výroby pomocí vody. Hlavní výhoda je v naprosté přesnosti a v případě měření komplikovaných forem s množstvím podřezů a skrytých detailů, kam voda snadno pronikne. Suchá metoda se provádí pomocí písku až po vyschnutí formy, jinak by se písek na povrch formy nalepil. Tato metoda je výhodná u otevřených, plochých forem. U úzkých a komplikovaných forem je nebezpečí, že se písek nepodaří dokonale po měření vyčistit a že v nějakém skrytém místě zůstane. Můžeme si pomoci vysavačem, nebo stlačeným vzduchem. Nakládání forem do pece. Ve výtvarné praxi se používají dva způsoby nakládání forem do pece – za mokra a za sucha. Ne vždy je ale možné formy dostatečně dlouho sušit před naložením do pece. Je pak nutné provést umělé sušení v peci a to po dostatečně dlouhou dobu a na teplotě, která nenaruší vnitřní strukturu formy a nezaviní její popraskání. Spěch se v tomto případě absolutně nevyplácí. Překotný únik páry může formu výrazně narušit.
131
Také pozvolný náběh teploty před dosažením finální tavící teploty je více než vítaný. Je jednak šetrný k formě a jednak dává dost času k prohřátí skla v celé hmotě a k jeho snadnějšímu protavení, tečení a čeření na horní tavící teplotě. Citace z přednášky MgA Františka Janáka: Materiály a konstrukce forem (seminář ČSS: Technologická úskalí skleněné plastiky, Praha 2009)
12.2.4 Chlazení tavené plastiky Chlazení tavené plastiky se liší od chlazení běžných výrobků v tom, že chlazené předměty mají často velkou tloušťku, hmotnost i rozměry, komplikovaný tvar a chladí se ve formě, v níž byly vytvarovány. Chlazení skleněné plastiky je součástí jejího zhotovování a plynule navazuje na její utavení. Chladicí křivka je součástí tepelné křivky určené ke zhotovování skleněné plastiky. Na obrázku je schéma tepelné křivky pro zhotovování skleněné plastiky, publikované firmou Bullseye Glass Co Křivka sestává z těchto 8 částí : 1. Vyhřátí z 20°C na 620°C až 680°C rychlostí 220°C/h. 2. Výdrž na teplotě 620°C až 680°C. Tato výdrž slouží k vyrovnání teplot ve skle před rychlým vyhřátím na teplotu tvarování a k odstranění vzduchu mezi skleněnými částicemi a shoření organických nečistot, náhodně přítomných. 3. Vyhřátí na teplotu tvarování. Vyhřátí musí být zvoleno co nejrychlejší tak, aby se zabránilo devitrifikaci skla, ale přitom nedošlo k uzavření bublin ve skle. 4. Výdrž na teplotě tvarování. Teplota tvarování závisí na typu skla a je udávána v rozmezí 780°C až 890°C. Výdrž je tím kratší, čím vyšší je teplota tvarování. Firma Bullseye Glass Co. uvádí že nejčastěji používá dobu výdrže 10 minut, bývají však používány doby výdrže až 15 hodin. 5. Rychlé ochlazení na chladicí teplotu. Ochlazení na chladicí teplotu má být co nejrychlejší a to proto, aby nedošlo k devitrifikaci. Je doporučováno samovolné zchladnutí na chladicí teplotu vypnutím pece. 6. Výdrž na horní chladící teplotě, aby došlo k vyrovnání teplot v celém objemu plastiky. 7. Pomalé ochlazování výrobku v chladícím intervalu. 8. Rychlejší ochlazování skleněného výrobku pod dolní chladící teplotou Z rozměrů chlazeného objektu má největší vliv pro stanovení rychlosti chlazení jeho tloušťka. Rychlost vyhřívání, rychlost ochlazování v chladicím intervalu i rychlost dochlazování je nepřímo úměrná druhé mocnině směrodatného rozměru výrobku, což u desky je její poloviční tloušťka, u předmětů složitého tvaru polovina jejich maximální tloušťky. Také délka výdrže na chladicí teplotě je určována tloušťkou objektu. 132
Obr. 61 Teplotní křivka pro výrobu skleněné plastiky
(NOVOTNÝ V.,Chlazení skleněných objektů, Seminář, Technologická úskalí skleněné plastiky, Praha, 7.05.2009, S B O R N Í K) (Heat & Glass.Technical supplement Tech 4,Bullseye Glass Co., Portland, Oregon March 2007,8s.) Dále závisí rychlost ochlazování na druhu skla, jeho viskozitě a tepelné roztažnosti, výše chladicí teploty. Skla, která mají vyšší viskozitu, tedy vyšší horní chladicí teplotu, se i při stejné roztažnosti a tedy i při stejných rychlostech ochlazování chladí déle, poněvadž jejich chladicí teplota je vyšší. Skla s nižší tepelnou roztažností mohou mít vyšší rychlosti ochlazování, čímž se doba chlazení zkracuje. (NOVOTNÝ V., Chlazení skleněných objektů, Seminář ČSS, Technologická úskalí skleněné plastiky, Praha, 2009, S B O R N Í K) Poznámka Podrobně je problematika chlazení vyložena v kapitole 4 Chladící postup
12.2.5 Charakteristika tavené plastiky Fenomén tavené plastiky byl nastartován dvojicí českých umělců a to profesorem Stanislavem Libenským a Jaroslavou Brychtovou ve druhé polovině 20. století na sklářské škole v Železném Brodě Všechny tavené plastiky jsou svými tvůrci pojaty jako sochařské artefakty ve dvou základních podobách. a) Buď jako kulatá plastika - volná určená k pohledu ze všech stran, můžeme ji pozorovat zepředu, boku, nadhledu, podhledu – jakkoliv, jak to volná plastika umožňuje. b) Nebo je skleněná plastika určena k pohledu jednomu – zepředu, jak to umožňuje plastika reliéfní.
c) Tavená plastika - nádoba. Spojuje kategorii plastiky volné a reliéfní v jeden celek. Tvar nádoby a na něm reliéfní vlys umožňuje pohled ze všech stran. 133
To, že tavený objekt obsahuje vnitřní prostor – dutinu, vnáší do této plastiky nový, originální prvek. Vnitřní prostor při tom nevzniká dodatečně, ale při samotné tavbě. Tvar plastiky - nádoby není ničím omezen, může být doslova jakýkoliv, záleží pouze na výtvarné invenci toho, kdo objekt modeluje ve hlíně. Závazný je pouze postup při odlévání formy a to tak, aby při samotné tavbě vznikla dutina – vnitřní prostor, činící z plastiky současně nádobu.
Obr. 62 Plastika po hrubém broušení
Obr. 63 Plastika po jemném leštěn
12.2.6 Výroba tavené plastiky Postup při tvorbě tavené plastiky: 1. Výtvarný záměr musí být vymodelován v hlíně 2. Následuje odlévání FORMY Nejlevnější způsob jak získat materiál pro výrobu formy je smíchání sádry a sklář. písku v poměru 1:1. Každá forma musí být proti prasknutí v peci jištěna armaturou (dráty, pletivo) Formy profesionálnější jsou z nákladnějších materiálů: 1 váhový díl mramoritu (zubařská sádra s příměsí drceného mramoru) + 1 váhový díl sklářského písku, dokonalejším materiál je mletý křemen.
12.2.7 Zásady tvorby tavené plastiky: 1. Forma musí mít reservoár (krček), neboť musíme počítat s poklesem při tavbě střepů. Pro zjištění potřebného množství skla pro danou plastiku, je nutno zjistit objem zhotovené formy. Ten lze zjistit postupným nasypáváním suchého písku pomocí odměrných válců. Po zjištění objemu formy v litrech stačí, jejich počet vynásobit hustotou běžných skel, která je 2,5kg/l a získáme váhu potřebných skla (střepů) v kg. 2. Forma musí být před použitím zbavena zbytků hlíny (při maximálních teplotách tavby by se hlína natavila na sklo) - velké množství mramoritu způsobuje praskání formy.
134
3. Utavenou plastiku čistíme pískováním, pokud je k dispozici speciální pracoviště je výhodné nechat provést leštění v leštící lázni kyseliny fluorovodíkové a kyseliny sírové (HF+H2S04), ocelovým kartáčem nebo kovovým hrotem. 4. Účinné je povrch brousit - k tomu se používají ruční brusky s pohonem na stlačený vzduch tzv. pneubrusky. Ruční bruska je vybavena dianástroji na hrubé, jemnící, leštící operace. Dále je možné použít tzv. houbičky s dia povrchem (diahoubičky). 5. Maximální teplota při tavbě bývá obvykle cca 900oC podle druhu použitého skla. Následuje dlouhá výdrž na této teplotě a poměrně rychlý pokles na 580 stupňů celsia do oblasti transformační teploty. Pokles teploty z hodnoty 580 stupňů na 450 stupňů může být s teplotním gradientem 5 stupňů celsia za hodinu. V pásmu přechodného pnutí pod dolní chladící teplotou může být pokles teplotního gradientu až trojnásobný.
12.2.8 Dokončení – povrchová úprava skleněné plastiky Další postup pro zušlechtění je možný podle dostupné technologie pro opracování skla: diapily, pískování, broušení a leštění atd. Broušení Zarovnání nerovných okrajů skleněných desek, které se tvoří ve formách během tavení je možné provádět na vodorovné ploše hladinářského stroje. Diapily Řezání skla na diamantové pile je výhodný technologický postup, který umožňuje v krátkém časovém intervalu rozdělit přesně části skla žádaného rozměru, takže není nutné pracně a zdlouhavě odstraňovat velké množství přebytečného skla. Při řezání rotuje diamantová pila ve vysokých otáčkách a sklo se musí v celém řezu intenzivně chladit vodou. Při práci s papilou je nutné přísně respektovat okolnost, že nelze řezat bloky skla tzv. volně z ruky, protože je to proti zásadám bezpečnosti práce a s velkou pravděpodobností dojde k poškození vlastního diakotouče Proto je nutné uložit a uchytit řezaný blok skla na pojezd diapily Pískování Technika pískování je založená na působení proudu abraziva (zpravidla korundu) vrhaného tlakovým vzduchem proti povrchu skla. Brusivo vylamuje drobné lasturovité úlomky a sklo se stává matným a neprůhledným. Při krátkodobém tryskání je povrch skla pouze zmatovaný a teprve při delší době získáme dekor plastický. Shrnutí Studující získá přehled o výrobě lehaného skla metodou fusing. Seznámí se s typy skel a zdobícími technikami, druhy forem a typem elektrických pecí, které je možné pro fusing použít. Rovněž se seznámí se zásadami, které je nutno dodržet při chlazení lehaného skla.V druhé části se seznámí se zásadami, které je nutno dodržet při výrobě tavené skleněné plastiky. Jedná se hlavně o materiály, které se používají na výrobu forem pro skleněnou plastiku, typy skel a jejich granulometrii a teplotní křivku. Zde je nutno se zaměřit na maximální teplotu, na dobu prodlevy na max. teplotě, na způsobu sejití na chladící teplotu a na vychlazení vyrobené skleněné plastiky.
135
Pojmy k zapamatování • • • • • •
Lehané sklo, fusing mramorit slinování teplotní křivka pro fusing teplotní křivka pro skleněnnou plastiku tester pro float
Kontrolní otázky 60. Popiš výrobu lehaného skla metodou fusing 61. Které typy skla lze použít pro fusing? 62. Jakým způsobem se zjišťuje u plochého skla typu float strana, která ležela na cínové lázni? 63. Popiš výrobu skleněné plastiky. 64. Které formy se používají pro výrobu skleněné plastiky a jaké zásady je nutno dodržet při jejich výrobě a použití? 65. Jakým způsobem se vypočítá váha skla, které je nutno použít pro výrobu skleněné plastiky?
136
13 Vady skla Studijní cíle: Prostudováním této kapitoly získá studující přehled o jednotlivých vadách skla a bude moci si dát jejich výskyt do souvislosti s technologickými příčinami jejich vzniku. Klíčová slova: Kaménky, utopený kmen, odskelnění (devitrifikace), šlíry, primární bubliny, sekundární bubliny, Potřebný čas: 1 hodina Vady skla rozdělujeme na čtyři skupiny: 1. kaménky a odskelnění, 2. šlíry, 3. bubliny, 4. ostatní vady.
13.1 Kamínky. Kaménkem se rozumí pevná nemohogenita ve skle. Podle původu známe kaménky trojího druhu: a) ze žárovzdorného materiálu, b) ze surovin a kmene, c) vzniklé odskelněním.
13.1.1 Kaménky ze žáruvzdorného materiálu. Nejčastější jsou kaménky hlinitého původu, které pocházejí z pánví, kroužků nebo šamotových materiálů použitých na stavbu van. Hlinitý kamének je šedobílý a mívá kolem sebe malou čočku ze skla odlišného složení. Pokud je hlinitý materiál kaménku téměř utaven, zbývá ve skle pouze čočka nebo uzlík hlinité skloviny, od něhož se táhne jako ocásek ostrá šlíra (tzv. pulec).
Obr. 64 Šamotový kamínek, zvětšeno 20 X. Kamínek je obklopen zřetelnou hlinitou šlírou a na jeho okraji krystaluje lem z nefelinovýeh krystalů, (PETRAŠOVÁ H. a kol, 1982)
137
Obr. 65 Korundový kamínek zvětšený 20 x, průhledný, bez intenzivnějšího krystalového lemu, (PETRAŠOVÁ H. a kol, 1982)
Obr. 66 Krystalizace nefelinu (Na2O. Al2O3.2 SiO2) ve vlákně, zvětšeno 80 krát, (PETRAŠOVÁ H. a kol, 1982)
Jiným zdrojem kaménků může být dinasová klenba pece. Odtavováním klenby při vysokých teplotách a současně působením alkálií z kmene se vytvářejí drobné krápníčky, které stékají do skloviny. Jedná se o vysoce křemičitou sklovinu, která pak obsahuje vysokoteplotní modifikace krystalků křemene (cristobalit) s charakteristickým stromečkovitým vzhledem.
Obr. 67 Dendritický krystal cristobalitu SiO2 ve skleněném vlákně, zvětšeno 220 x, (PETRAŠOVÁ H. a kol, 1982)
138
Obr. 68 Šesterečná hvězdice tridymitu SiO2 s dendritickými rameny (ve tvaru smrkových větviček), zvětšeno 300 x, (PETRAŠOVÁ H. a kol, 1982)
13.1.2 Kaménky ze surovin a kmene. Nedokonale promíšený nebo během přepravy odmíšený kmen ztěžuje tavení a přispívá k tvorbě kaménků. Při přepravě se sesouvají těžší zrna písku do míst níže položených a oddělí se od ostatních surovin. Vzhledově jsou tyto kaménky bílé s krystalickou strukturou.
Obr. 69 Kamínek z neprotaveného písku v polarizovaném světle při zvětšení 20 x,, nikoly zkříženy. Patrno charakteristické rozpraskání kamínku, (PETRAŠOVÁ H. a kol, Technologie skla , SNTL, Praha 1982)
Charakteristické kaménky vznikají z tzv. utopeného kmene. Jsou čistě bílé, poloprotavené, na okrajích mají mnoho bublin (z rozkladu uhličitanů), obvykle jsou dosti velké. Utopený kmen vzniká nesprávným, neopatrným ložením, nebyla-li hladina skloviny ochlazena předchozím pohozením střepy natolik, aby unesla váhu vsázky.
Obr. 70 Šesterečné destičky a-wollastonitu (CaO. Si02) a radiálně paprsčité uspořádá-ní jehlic -wollastonitu, zvětšeno 400 krát, (PETRAŠOVÁ H. a kol, 1982)
139
Obr. 71 Kamének z písku v bílém obalovém skle. Silně popraskaný křemen,v levé částí poněkud vyšší stupeň přeměny na cristobalit (hůře průhledná oblast). Nevýrazná šlíra. Celkově nízký stupeň přeměny Výbrus, 11 krát zvětšeno, (Lhota M. kol. 1974)
Obr. 72 Radiálně paprsčité jehlice mullitu (3 Al2O3.2 SiO2) ve skle, zvětšeno 130 x, (PETRAŠOVÁ H. a kol 1982)
13.1.3 Kaménky vzniklé odskelněním (devitrifikací). Sklo je hmota homogenní, nekrystalická. Za určitých podmínek může však i u skloviny vzniknout krystalizace, zvaná odskelnění. Odskelnění může nastat u pecí vanových, kde v určitých místech stojí sklovina bez pohybu při nižší teplotě nebo při opakovaném tepelném zpracování skla. Nepříjemně se může projevovat při fusingu nebo při slinování skelných materiálů, proto je potřebný rychlý pokles teplot na horní chladící teplotu.
Obr. 73 Stébelnaté krystalky devitritu (Na2O3 CaO.6 SiO2,) a dole krystalky cristobalitu (SiO2,); typická krystalizace postupující z povrchu skla, zvětšeno 250 x, (PETRAŠOVÁ H. 1982)
140
13.2 Šlíry Šlíry jsou pruhy skloviny odlišného chemického složení a tudíž odlišných fyzikálně chemických vlastností projevujících se např. indexem lomu světla, hustotou apod. Šlíry mohou mít různý vzhled. Jsou buď ostré, nebo jemné s neostrými konturami. Tyto různé formy se navzájem prolínají. Podle jejich vzhledu nelze jednoznačně určit jejich původ. Jsou zdrojem vnitřního napětí a způsobují optický neklid. Příčinou šlír bývá často nedostatečná homogenizace skloviny při čeření; tyto šlíry jsou obvykle doprovázeny bublinatostí. Další původ šlír může být stejný jako u kamínků, tj, neprotavené vsázka nebo žárovzdorný materiál. Zdrojem tzv. tepelných šlír jsou výkyvy teplot, kdy se sklovina z „mrtvých míst" tavícího prostoru vany vlivem změny proudění mísí se sklovinou čistou v odběrovém proudu.
Obr. 74 Velmi silná šlírovitost ve stěnách láhve. Šlíry jsou ostře ohraničené, mají velmi silné napětí, vlevo dole jsou zprohýbány, vpravo nahoře vycházejí v klínovité špičce, (PETRAŠOVÁ H. a kol. 1982)
Základním předpokladem pro čistotu (homogenitu) skloviny je jednotné složení střepů, kmene, řádné míchání kmene, správné ložení kmene, profoukání skloviny a optimální vedení teplot při tavbě.
13.3 Bubliny Všechny bubliny ve skle jsou dutiny vyplněné plynem nebo směsí plynů. Převážně jsou to CO2, O2, CO, SO2, vodní pára a vzduch. V podstatě jsou trojího druhu: 1. bubliny vzniklé při tavení (primární); 2. bubliny vzniklé druhotně (sekundárně) ve sklovině, která před tím již byla vyčeřená; 3. bubliny vzniklé při tvarování skloviny. Podle velikosti bublin bývají bubliny označovány: Pod 0,3 mm prach, kyšpa (0,3 až 0,8mm) bublinky, nad 0,8 mm puchýře
13.3.1 Primární bubliny Jejich nejčastější příčinou je nevyčeření během tavby, což může způsobovat: - nízká teplota, - krátká doba tavení, resp. přetěžování pece, - nevhodná pecní atmosféra /oxidoredukční podmínky/,
141
- nesprávný teplotní režim /rozložení a kolísání teplot/ a Další příčinou vzniku bublin může být, nevhodně provedené foukání skloviny, použití příliš jemného písku nebo použití prachových střepů.
13.3.2 Sekundární bubliny Tyto bubliny nazývané jako sekundární bubliny jsou způsobeny zvýšením teploty utavené skloviny ve fázi sejití. Tato teplotní nepřístojnost způsobí přerušení a zvrácení procesu dočeřování a výsledkem je pak drobná úporná kyšpa (viz kap. 8.2.1 v TVS 1). Sklovina vyčeřená (odplyněná) při vyšších teplotách je má nižší míru nasycení plyny a je také méně náchylná ke vzniku sekundárních bublin. K tzv. reboilučili vzniku sekundárních bublin může dojít též při změně teploty v pánvi na začátku díla sklářů po otevření pracovního otvoru Jinou příčinou druhotných bublinek mohou být předměty z ocele (železa), které se omylem dostaly do pánve (hřebíky, okuje, zlomky železných předmětů apod.). Bubliny ze železa jsou dosti veliké a objevují se stále vjednom místě hladiny, nad místem, kde železný předmět leží. Taví-li se v takové pánvi křišťálová sklovina, má nazelenalou barvu. Pánev se proto musí vyčistit a železo odstranit. Další bubliny jsou z olejových nečistot. Také žárovzdorný materiál, který nebyl řádně vypálen nebo je pórovitý a přijde do styku se sklovinou, uvolňuje bubliny různé velikosti.
13.4 Ostatní vady skla 13.4.1 Nesprávná barva skloviny. Při výrobě skla je třeba dodržet správný barevný odstín nebo bezbarvost u skla křišťálového. Největší vliv na barvu křišťálového skla má čistota surovin, hlavně písku, vápence a pánvové hmoty. Oxidy železa obsažené v pánvích a přítomné v surovinách barví sklo špinavě zeleně a je-li ho příliš velké množství, (cca nad 0,025 hmot % Fe2O3) nelze již tuto barvu odbarvením dokonale vykompenzovat.
13.4.2 Závady při spojování sklovin rozdílného chemického složení. Častým požadavkem ve sklářské praxi je vzájemné spojování různých sklovin. Tak je tomu například u výrobků vrstvených, u výrobků slepovaných nebo u některých druhů hutního skla. Spojování je úspěšné jedině tehdy, mají-li všechny vrstvy odpovídající teplotní roztažnost – dilataci. Každé sklo se teplem roztahuje a při chladnutí se smršťuje. Protože měkká skla se roztahují a smršťují více než tvrdá, vnikne ve výrobcích spojených ze dvou skel o rozdílné roztažnosti pnutí a výrobek praskne. Nejjednodušší kontrolou soudržnosti skla je tzv. kroužková zkouška. Ze skloviny se zhotoví baňka a druhou sklovinou se převrství. Pak se vyfoukne válec o průměru 10 cm a vychladí se. Z válce se puknou prstence široké asi 2 cm a v jednom místě se rozpuknou. Hodí-li se skloviny k sobě, zůstává kroužek v původním stavu, neroztahuje se, ani se nestahuje. Je-li vnější sklo měkčí (má vyšší dilataci), kroužek se rozevírá, jeli tvrdší (má nižší dilataci), kroužek se svírá.
142
13.4.3 Přehled vad Tab. 8 Přehled vad skla a jejich příčiny
143
13.4.4 Vysoké pnutí Mezi další vady skla patří vysoké pnutí nad bezpečnou hodnotu (více viz kap. 3.1.3), které je příčinou časově neomezeného praskání výrobků. Důvodem je nesprávná chladící křivka pro příslušné sklo. Vady skla způsobené tavícím procesem, tvarováním a jeho následným chlazením jsou zřejmé z přiložené tabulky (Tab. 8).
Shrnutí Kapitola přehledně, stručně i názorně poskytuje informace o nejběžnějších vadách skla tak, jak je možné se s nimi při výrobě skla setkávat. Pojmy k zapamatování • • • • •
Kamínky, Utopený kmen Šlíry Primární sekundární a sekundární bubliny Jaká je bezpečná hodnota vnitřního napětí ve skla?
Kontrolní otázky 66. Co je příčinou utopeného kmene? 67. Jakého původu mohou být kamínky? 68. Jaké jsou zdroje bublin? 69. Co je to šlíra? 70. Jaké jsou příčiny primárních a sekundárních bublin?
144
Seznam literatury Lhota M. kol. Příručka pro sklo, užitkovou keramiku a smalt. SNTL, Praha 1974 Schill F. viz. Lhota a kol. (1974) Pospíchal V. Technologie pro 1. ročník průmyslových škol sklářských, SNTL, Praha 1961 NOVOTNÝ, V. Vypracování chladícího postupu skleněných výrobků a kontrola jejich chlazení. Sklář a keramik, 1985, roč. 35, č.5, s.106-110. ISSN 0037-637X Schill F., Novotný V. Hrdina Z.: Chlazení skla a kontrola pnutí. HSP, SNTL, Praha 1968. Exnar P., Ungrádová L.: Bezpečná hodnota vnitřního napětí ve skleněných výrobcích. Sklář a keramik 47, 1997, č. 1-2, s. 2-5 Metodika pro kontrolu vnitřního napětí skleněných výrobků pomocí polarimetrů, Interní předpis, Sklářský ústav s.p., Hradec Králové Petrášová H. a kol., Technologie skla pro 2. ročník SPŠ sklářských, SNTL Praha 1982, Petrášová H. a kol., Technologie skla pro 3. ročník SPŠ sklářských, SNTL Praha 1984, Volf M.B.a kol.:Tepelné vlastnosti skel, HSP, SNTL, Praha 1968 Staněk J., Elektrické tavení skla. SNTL, Praha1976 Götze J. a kol., Broušení a leštění skla. SNTL Praha 1963 Bachtík S., Pospíchal V., Zušlechťování skla, SNTL Praha 1964 Metodika pro kontrolu vnitřního napětí skleněných výrobků pomocí polarimetrů,, vypracovaná v rámci projektu MPO ČR GLASSCENTRUM, Sklářský ústav s.p., Hradec Králové, 2000 (autor neuveden) Blumentritt J., Sklářské materiály pro střední odborná učiliště, SNTL Praha 1984 Mařík E, Satrapa R: Brusič a rytec skla, SNTL Praha 1974 Roška R, Zimák Z. DVD Klasické sklárské technológie a postupy III., Euroregion BíléBiele Karpaty 2008 Cozl. Z.a kol.: Mechanické opracování skla, HSP, SNTL Praha 1969, Rudolf Hais a kol: Sklářské názvosloví aneb CO JE CO ve sklářství?, Vydavatelství ČSS s.r.o. Teplice 2010, ISBN 978-80-90-4044-2-7 Draxler J a kol.: Malování, pokovování a příbuzné techniky, HSP, SNTL Praha1973 Černá Z. Závěrečná zpráva VÚ 40/4-3 „ Matovanie osvetľovacieho skla“, Výzkumný a vývojový ústav sklársky, (Príloha č.2 Fotodokumentacia) Trenčín 1990
145
Seznam obrázků Obr. 1 Dilatační křivka skla. Plná čára - vychlazené sklo, čárkovaná - sklo s vnitřním napětím. (Hlaváč 1988)............................................................................................... 12 Obr. 2. Prstencová zkouška (Volf M. B., 1968) ......................................................... 16 Obr. 3 Světelná propustnost a odraz (reflexe) tabulového skla (Becker a Schiller, 1973) (Hlaváč 1988) ............................................................................................................. 20 Obr. 4 Dvojlom světla. (Schill F., Novotný V. Hrdina Z.: Chlazení skla a kontrola pnutí. SNTL, Praha 1968.) ................................................................................................... 29 Obr. 5 Polariskop VEZ 01 ........................................................................................... 30 Obr. 6 polarizační přístroj P 250-1 .............................................................................. 32 Obr. 7 Schéma chladící křivky s vyznačením oblastí trvalého a přechodného napětí .. 39 Obr. 8 komorová chladící pec ..................................................................................... 40 Obr. 9 elektrická chladící pec BETA výrobce ZEZ Praha,a.s. (převzato z firemní informace výrobce ZEZ Praha, a.s. www.zez.cz) ........................................................ 42 Obr. 10 Příčný řez topnou sekcí s dvouventilátorovým oběžným systémem, s vertikálním prouděním. ............................................................................................... 43 Obr. 11 pásová chladící pec fy CAR MET ze strany vkládání výrobků ....................... 44 Obr. 12 pásová chladící pec ze strany odebírání vychlazených výrobků ..................... 44 Obr. 13 pásová chladící pec se dvěma dopravníky umožňující nastavení jejích rozdíné rychlosti a tak i dvou chladících křivek ........................................................................ 44 Obr. 14 sklenice firmy Egermann Nový Bor. zušlechtěná měděnou lazurou http://www.glassrevue.com/news.asp@nid=1028&cid=6.html..................................... 56 Obr. 15 Měděná lazura (sklenice firmy Egermann Nový Bor.) ..................................... 58 Obr. 16 Lithyalinový flakon Čechy, Nový Bor, Friedrich Egermann, okolo 1830. Kulovitý flakón z červeného hyalitu, broušený, s hladkým hrdlem ukončeným límcem, zdobený na plášti barevně efektním mramorováním zelenožlutou lazurou imitující drahé kameny, pod hrdlem zlatem malovaný pás obíhajících palmet.................................... 59 Obr. 17 Opukávání a broušení v brusírně, dostupný z www: http://www.moravskesklarny.cz/technologie_vyroby.php ............................................. 62 Obr. 18 hladinářský stroj HS 600, ............................................................................... 64 Obr. 19 Odtavování .................................................................................................... 66 Obr. 20 Řezací kotouče sintrované, TYP 1a1R s bronzovou vazbou http://www.diasturnov.cz/cz/kotouce_cz.htm ............................................................... 67 Obr. 21 Výkres diamantového řezacího kotouče typ.P 2 ............................................. 68 Obr. 22 Schéma kompletního kotouče a celého hranařského stroje............................ 73 Obr. 23 Nový typ vybrušovacího stroje ....................................................................... 73 Obr. 24 Povrchový reliéf a podpovrchové narušení broušeného skla .......................... 74 Obr. 25 Základní profily kuličkových kotoučů: (Mařík E, Satrapa R: Brusič a rytec skla, SNTL Praha 1974) ...................................................................................................... 75
146
Obr. 26 Základní prvky výbrusů. ................................................................................. 75 Obr. 27 Broušení hvězdy a pazourku: (Bachtík S., Pospíchal V. 1964) ....................... 76 Obr. 28 Místa největšího opotřebení jemnícího kotouče: (Bachtík S., Pospíchal V. 1964) .......................................................................................................................... 76 Obr. 29 Váza a půllitr zušlechtěná kaménkovým dekorem .......................................... 76 Obr. 30 Broušená váza – kaménkový výbrus .............................................................. 77 Obr. 31 Výbrus klínového řezu na stonku skleničky na kuličském stroji a hranový dekor a pískovaný text na jehlanu (SUPŠ sklářská Valašské Meziříčí) ................................. 80 Obr. 32 Mísa zdobená pískováním - SUPŠ sklářská Valašské Meziříčí ...................... 82 Obr. 33 Pískovací box ITB 90 - injektorové provedení GDS - GlassDekorService ..... 85 Obr. 34 Injektorové tryskací zařízení (Bachtík S., Pospíchal V, 1964)......................... 85 Obr. 35 Řezací plotr GCC Bengal firma REFO spol. s r.o., http://www.refo.cz/ ........... 86 Obr. 36 Výroba šablony na pískování - SUPŠ sklářská Valašské Meziříčí .................. 86 Obr. 37. Pískovaná souprava SUPŠ sklářská Valašské Meziříčí ................................ 86 Obr. 38. Rytina, Křižkovského ulice, Valašské Meziříčí, autor L.Šurýn ........................ 88 Obr. 39 Josef Drahoňovský, U okna, trojdílná plaketa s rytinou, 1932; ze sbírek UPM v Praze http://www.glass.cz/hist_main.htm ................................................................. 90 Obr. 40 Arno Čančík F Egermann, litofanie, http://arnocancik.cz/htm/clovekaj.htm,Jaroslava Votrubová , http://www.prostorad.cz/pruvodce/praha/sporilov/vytvarni/votrubov.htm .................................................. 91 Obr. 41. Vrstva brusiva na obvodu rycího měděného kotouče: ................................... 92 Obr. 42 Rytecky stroj starého typu a rytí skla http://www.moser-glass.com/................ 92 Obr. 43 Kotoučky na rytí diamantové a měděné DIAS TURNOV s.r.o. ....................... 93 Obr. 44 Předkreslování dekorů, http://www.sklosafranek.cz/vyroba.html .................... 93 Obr. 45 Plastická rytina, Milan Holoubek, rytá váza Svatý Josef - tesař, ..................... 94 Obr. 46 Rytina K.Feifer, http://www.kfdesign.cz/index.php?option=com_content&view=article&id=15&Itemid=19 ................................................................................................................................... 94 Obr. 47 Linkové rytí www.moser-glass.com ................................................................ 95 Obr. 48 Klouzavá rytina na lazuře http://www.skleneny-raj.cz/kontakt.php .................. 95 Obr. 49 Portlandská váza oboustranně, foto Britské muzeum http://www.britishmuseum.org/explore/highlights/highlight_objects/gr/t/the_portland_vas e.aspx ......................................................................................................................... 96 Obr. 50 Minivrtačka a brousící hroty www.naradi-profesionalu.cz ............................... 97 Obr. 51 Matování ...................................................................................................... 101 Obr. 52Lineární dekor leptaný použitím pantografu, ................................................. 103 Obr. 53 Leptaný dekor rytý do voskového krytu gilošovacím strojkem, ..................... 104 Obr. 54 Postup vyrovnávání povrchu skla použitím leštící lázně, .............................. 106 Obr. 55 Rozdílnost vzhledu skla leštěného mechanicky a chemicky, ........................ 108 Obr. 56 Vypalovací křivka. (SUPŠ sklářská Valašské Meziříčí) ................................. 122
147
Obr. 57 Lehané sklo ................................................................................................. 126 Obr. 58 Slinování, ..................................................................................................... 129 Obr. 59 Pískosádrová forma v elektrické peci vymodelovaném jádru z hlíny
Obr. 60 Odlitek formy na 130
komorové
Obr. 61 Teplotní křivka pro výrobu skleněné plastiky ................................................ 133 Obr. 62 Plastika po hrubém broušení
Obr. 63 Plastika po jemném leštěn ............. 134
Obr. 64 Šamotový kamínek, zvětšeno 20 X. Kamínek je obklopen zřetelnou hlinitou šlírou a na jeho okraji krystaluje lem z nefelinovýeh krystalů,.................................... 137 Obr. 65 Korundový kamínek zvětšený 20 x, průhledný, bez intenzivnějšího krystalového lemu, (PETRAŠOVÁ H. a kol, 1982) .................................................... 138 Obr. 66 Krystalizace nefelinu (Na2O. Al2O3.2 SiO2) ve vlákně, zvětšeno 80 krát, (PETRAŠOVÁ H. a kol, 1982)................................................................................... 138 Obr. 67 Dendritický krystal cristobalitu SiO2 ve skleněném vlákně, zvětšeno 220 x, (PETRAŠOVÁ H. a kol, 1982)................................................................................... 138 Obr. 68 Šesterečná hvězdice tridymitu SiO2 s dendritickými rameny (ve tvaru smrkových větviček), zvětšeno 300 x, (PETRAŠOVÁ H. a kol, 1982) ....................... 139 Obr. 69 Kamínek z neprotaveného písku v polarizovaném světle při zvětšení 20 x,, nikoly zkříženy. Patrno charakteristické rozpraskání kamínku,.................................. 139 Obr. 70 Šesterečné destičky a-wollastonitu (CaO. Si02) a radiálně paprsčité uspořádání jehlic -wollastonitu, zvětšeno 400 krát, (PETRAŠOVÁ H. a kol, 1982) .................. 139 Obr. 71 Kamének z písku v bílém obalovém skle. Silně popraskaný křemen,v levé částí poněkud vyšší stupeň přeměny na cristobalit (hůře průhledná oblast). Nevýrazná šlíra. Celkově nízký stupeň přeměny Výbrus, 11 krát zvětšeno, (Lhota M. kol. 1974) ........ 140 Obr. 72 Radiálně paprsčité jehlice mullitu (3 Al2O3.2 SiO2) ve skle, zvětšeno 130 x, (PETRAŠOVÁ H. a kol 1982).................................................................................... 140 Obr. 73 Stébelnaté krystalky devitritu (Na2O3 CaO.6 SiO2,) a dole krystalky cristobalitu (SiO2,); typická krystalizace postupující z povrchu skla, zvětšeno 250 x, .................. 140 Obr. 74 Velmi silná šlírovitost ve stěnách láhve. Šlíry jsou ostře ohraničené, mají velmi silné napětí, vlevo dole jsou zprohýbány, vpravo nahoře vycházejí v klínovité špičce, (PETRAŠOVÁ H. a kol. 1982)................................................................................... 141
148
Seznam tabulek Tab. 1 Fyzikální vlastnosti průmyslových skel (Hlaváč 1988) ...................................... 13 Tab. 2 Aditivní faktory Englishe a Turnera .................................................................. 14 Tab. 3 Prstencová zkouška ......................................................................................... 16 Tab. 4 Chladící teploty některých skel - Schill F. (1974).............................................. 28 Tab. 5 Oxidové složení skla SIMAX ............................................................................ 51 Tab. 6 oxidové složení křišťálů ................................................................................... 54 Tab. 7 Rozměry diakotoučů typu P2 ........................................................................... 68 Tab. 8 Přehled vad skla a jejich příčiny ..................................................................... 143
149
Seznam rovnic Rov. 1 Hookeoův zákon .............................................................................................. 11 Rov. 2. Koeficient pravé a střední délkové roztažnosti ................................................ 12 Rov. 3 aditivní rovnice pro výpočet
.......................................................................... 13
Rov. 4 Výpočet odolnosti k teplotnímu rázu ................................................................ 15 Rov. 5 Fourierův zákon ............................................................................................... 17 Rov. 6. Měrná tepelná kapacita .................................................................................. 17 Rov. 7. Index lomu ...................................................................................................... 19 Rov. 8 Abbeho číslo .................................................................................................... 19 Rov. 9 odrazivost světla při kolmém dopadu ............................................................... 19 Rov. 10 Propustnost světla ......................................................................................... 20 Rov. 11 Absorbance ................................................................................................... 20 Rov. 12 Dráhový rozdíl mezi dvěma parsky polarizovaného světla vznikající při průchodu sklem s vnitřním napětím ............................................................................ 21 Rov. 13 Elekrická vodivost .......................................................................................... 22 Rov. 14 Permitivita ...................................................................................................... 22 Rov. 15 Rovnice dvojlomu a vnitřního napětí .............................................................. 29 Rov. 16 výpočet měrného dráhového rozdílu z dráhového rozdílu .............................. 29 Rov. 17 Obecný vzorec pro výpočet dráhového rozdílu v nm...................................... 31 Rov. 18 rovnice rychlosti vyhřívání.............................................................................. 36 Rov. 19 rychlost ochlazování v chladícím intervalu ..................................................... 37 Rov. 20 Zjednodušený výpočet ochlazování v chladícím intervalu (Blumentritt J., 1984) ................................................................................................................................... 38
150
Rejstřík Absorpce, 20
jemném broušení, 64
Aditivní výpočet roztažnosti skla, 13
jemnění, 74
anglický křišťál, 53
Kaliva, 111
Balzámy, 112
Kamének, 137
barevný rozptyl neboli disperze., 19
Kaménkový výbrus, 77
barvítka, 111
Karbid křemíku, 72
Bezpečná hodnota vnitřního napětí, 30
Kašpar Lehmann, 90 klouzavá rytina, 89
Broušení, 70
kompresor, 84
bubliny, 141
Korund umělý, 72
český křišťál, 53, 90
Krycí barvy, 114
devitrifikace, 132 Diamant, 71
Kryty proti leptacím prostředkům, 102
Diaryt, 90
Křehkost skla, 11
dilatometrická (Td), 13
teplota
křišťálové sklo, 53, 54
deformace
křišťálové sklo krystalin, 53
Dolní chladící teplota, 26
křišťály, 53
dráhový rozdíl, 29
Kyselina fluorovodíková, 105
dvojlom, 29
kyselina sírová, 105
Elektrická vodivost, 22
Lazury, 55
Fluorovodík a fluorovodíková, 99 fotoelastická konstanta B:, 29
kyselina
lehané sklo, 124 Leptání a matování, 99
(Brewsterova)
lesklé zlato, 113
Gilošovací stroj, 104
Lesklé zlato, 116
Hookeoův zákon, 11
leštěné zlato, 113
Horní chladící teplota, 26
Leštěné zlato, 116
hrubé broušení, 64, 74
leštění, 74
Hydroglazury, 117
Leštění, 64
Hydrolytická odolnost skla, 24
leštění ohněm, 66
Chemická odolnost, 23
Leštící čerň, 72
chladícím intervalu, 26
Leštící červeň, 72
Chlazení skla, 26
leštící lázeň, 106
Index lomu, 19
Lineárně polarizované světlo, 29
Injektorová zařízení, 83
linková rytinu, 89
151
Linkový lept, 104
profil kotouče, 75
Lístkové (fóliové) zlato, 117
Propustnost světla, 20
Lístkové zlato, 114
Prstencová zkouška, 15
Listry, 114, 117
přechodné napětí, 26
Malířské ledy, 115
Přechodné napětí, 26
Matfond, 115
Přírodní korund, 71
Měděná lazura, 58
Přirozené nepolarizované světlo, 28
měrná tepelná kapacita, 17
reboil, 142
negativní, 89
Reliéfní barvy, 115
Obrušování:, 70
Rycí kolečko, 89
Odlučovač vody, 84
Rytí na mědi, 89
Odolnosti proti teplotnímu rázu, 14
Rytí skla, 88
Odraz (reflexe) světla, 19
Ředidla, 112
Odsávací zařízení, 84
Sámování, 64
Odtavování, 66
sekundární bubliny, 142
ochranné kryty, 85
Sénarmontův kompenzátor, 33
olovnaté křišťálové sklo, 53
Silice, 112
opticky izotropní látka, 28
Smirek, 71
opukávání, 62
Stříbrná lazura, 56
oxid ceričitý, 72
Šlíry, 141
Pantograf, 103
Taviva, 111
Pemza., 72
Tečkování diamantem, 90
Permitivita, 22
Tepelná vodivost (kondukce), 17
pevnost v tahu, 8
Teplotní roztažnost skla, 11
plastickou (reliéfní) rytina, 89
tester, 125
Plastický lept, 104
transformační teplota (Tg),, 13
Platina, 114
Transparentní barvy, 114
Plošné barvy, 114
Tripolit, 72
Plošný lept., 104
Trvalé napětí, 27
Pojiva, 112
Trysky, 84
Polarimetr, 31
Tvary zářezů - řezů, 76
Polariskop, 30
tvrdost skla, 10
Portlandská váza, 96
Únava a stárnutí skla, 9
pozitivní, 89
Utopený kmen, 139
Práškové zlato, 114
vnitřní napětí, 14
Primární bubliny, 141
Vybrušování, 70
Princip slinování, 129
Vypalovací křivka, 121
152
vysoce olovnaté křišťálové sklo, 53
Zvýšení pevnosti skla pevnosti skla tvrzením, 10
Vysoký smalt, 115
Zvýšení pevnosti iontů, 10
vzdušník, 84 Zapalování, 65
153
skla
výměnou
