Staklo I Primjena Stakla U Racunarstvu.docx

Univerzitet u Bihaću Tehnički fakultet Odsjek : Elektriotehnički Smjer : Informatika

SEMINARSKI RAD Predmet : Fizika materijala Tema : Staklo i primjena stakla u računarstvu

Profesor : Dr. Fuad Ćatović

Student : Odobašić Haris Broj indeksa : 424

1.

POVIJEST PROIZVODNJE STAKLA

Negdje 1000. godina poslije Krista proizvedeni su u Europi prvi prozori od stakla. Pored tzv. butzen-ploča, koje su se izrađivale od ravnih, kružnih komada stakla veličine tanjurića, mogli su se puhati i cilindri, koji su se onda rezali i ravno valjali. Kvaliteta ovog stakla je bila niska, jaka odstupanja u debljini i neravnost bili su neizbježni. Za proizvodnju kvalitetnijeg stakla izrađivale su se staklene ploče postupkom lijevanja, koje su se izlijevale u formi dvostruko većoj od kasnije potrebne debljine stakla, te su se nakon hlađenja brusile i polirale, sve dok se ne bi postigla željena kvaliteta i debljina. Ovo staklo je bilo skupo te je u graditeljstvu imalo podređenu ulogu. Prozorska stakla su se u većoj količini počela koristiti u 17.stoljeću u Engleskoj pri gradnji dvoraca, kako bi se demonstriralo bogatstvo. Početkom 20.stoljeća razvile su se nove metode, skoro istovremeno u Belgiji i SAD-u, i to Fourcaultovim postupkom i Libby-Owenovim postupkom, kojima se ravno staklo počelo proizvoditi u većim količinama. Ovim postupcima se staklo u jednom kontinuiranom procesu valjcima izvačilo direktno iz taljevine i hladilo u području hlađenja. Brzinom procesa se mogla podešavati debljina staklenih ploča. Kvaliteta valjanog stakla je bila dovoljna za uporabu na prozorima, ali se svejedno nisu mogle izbjeći razlike u debljini i neravnine. Stakla pred koja su se postavljali veći zahtjevi u pogledu transparentnosti i ravnosti morala su se i dalje izrađivati postupkom lijevanja s naknadnim brušenjem i poliranjem.Ovaj proces su od 1930.godine optimirali Ford i Pikington.. Taljeno staklo se opet u kontinuiranom procesu skidalo s valjaka te se nakon postupka hlađenja automatski brusilo i poliralo s obje strane. Ovim postukom se lijevano staklo proizvodi i danas, a često se preko valjaka izrađuju i ornamentiranja. Sva stakla koja su se do 50-tih godina koristila u graditeljstvu, izrađivala su se gore navedenim postupkom. Valjano ravno staklo, koje se uglavnom koristilo kao prozorsko staklo, bilo je jeftino, tanko ali neravno. Polirano lijevano staklo, koje se koristilo kao zrcalno staklo, bilo je deblje i transparentno, ali puno skuplje. Postupak izrade float-stakla kojeg je razvio Pilkington (1952.) predstavljalo je revolucionarnu ekonomičnu proizvodnju velikih količina visokovrijednog ravnog stakla . Uobičajeni postupak lijevanja se i dalje razvijao: Staklo nakon taljenja više ne ide na valjke, već najprije pliva u kositrenoj kupelji (engl. floating). Tako nastaju dvije idealne, paralelne površine, a zatim se staklena traka na kraju kositrene kupelji uvodi direktno u proces hlađenja. Kontrolirani proces hlađenja je od presudnog značenja u industrijskoj proizvodnji.

Float-staklo je bazni proizvod za skoro sve vrste visokovrijenog stakla kao što je termički prednapeto (sigurnosno) staklo, višeslojno sigurnosno staklo te izolacijsko staklo s funkcijom termoizolacije, zvučne izolacije i zaštite od solarnog zračenja.

2.

STALKO I SIROVINE STAKLA

Staklo je prozirna, hemijski postojana mješavina nekoliko vrsta silikona, pomiješanih sa različitim hemijskim spojevima.Glavna sirovina za proizvodnju stakla je kvarcni pijesak, a zatim glinica i alkalijski oksid. Kvarcno staklo je izgrađeno od čistog silicijevog dioksida. Otporno je na brze promjene temperature pa se upotrebljava za izradu kemijskog pribora koji mora podnijeti brze promjene temperature, a također i u kvarcnim svjetiljkama jer propušta ultraljubičasto zračenje.

2.1

SILICIJEV DIOKSID

Slika 1. Dine kvarcnog pijeska Silicijev dioksid je kemijski spoj poznatiji kao silika, kemijske formule SiO2. U prirodi se nalazi u 17 oblika, od kojih su najpoznatiji kvarc i opal (slika 1.).Najčešće se upotrebljava za proizvodnju stakla (iz kvarcnog pijeska) i u proizvodnji Portland cementa.Također ga možemo naći kao silika gel u novoj odjeći i obući. Staklo je uglavnom proizvod kamena ili amorfnog silicijevog dioksida. Zbog svojih karakteristika da je relativno čvrsto, inertno, prozirno i biološki neaktivno, ima vrlo široku upotrebu u današnjem vremenu. Staklo se upotrebljava u mnogim područjima: građevinarstvu, prehrambenoj i elektroničkoj industriji, za izradu instrumenata i ukrasnih predmeta, itd. Iako se staklo proizvodilo od vremena starih Sumerana i Egipćana, staklo je bio skupocjen materijal i to sve do sredine 20. vijeka nakon čega staklo postaje

iznimno jeftin i široko upotrebljavan materijal. Staklo je pogodno za recikliranje - njegovim recikliranjem se smanjuje onečišćenje zraka u procesu proizvodnje za 20%, a onečišćenje vode za 50%. Prilikom proizvodnje stakla dodaju se sljedeće dvije tvari koje olakšavaju izradu stakla:  

3.

soda (natrijev karbonat - Na2CO3) vapnenac (kalcijev karbonat - CaCO3)

PROIZVODNJA STAKLA

Sirovine koje se upotrebljavaju za pripremu smjese predhodno se moraju samljeti na finoću zrna od 0,2 do 0,5 [mm]. Sirovine se doziraju vagama. Izvagane sirovine u suhom stanju se dobro izmiješaju ,da masa bude homogena. Miješanje se vrši rucno, specijalnim grabljama u koritima ili mašinski. Gotova smjesa stavlja se u lonce ili kadne peći radi taljenja, a razlikujemo dvije vrste peći : - Peći s loncima - Kadne peći

Slika 2. Peć za proizvodnju stakla 3.1

PEĆI S LONCIMA

U peći sa loncima staklo se tali u pojedinačnim loncima, koji mogu biti otkriveni ili pokriveni. Peć je izrađena od vatrostalnih šamotnih opeka a zagrijava se generatorskim plinom. Od veličine peći ovisi koliko će lonaca stati u peć. Lonci se izrađuju od specijalnih vatrostalnih glina, jedan lonac izdrži oko četrdeset taljenja, a poslije tog aje neupotrebljiv jer se na njemu stvore pukotine.

Pokriveni lonci obično se upotrebljavaju za taljenje olovnog stakla, da bi se staklo sačuvalo od direktnog dodira sa vrućim plinovima.Peći sa loncima rade periodično.Poslije podne i noću smjesa za stako se tali i bistri na temperaturi od 1400°C do 1500°C. Sredstva za bistrenje otpuštaju plinove (sumporni dioksid i kisik) koji u vidu velikih mjehurića prolaze kroz rastopljenu staklenu masu a sami tim homogeniziraju staklo. Nakon bistrenja talina se ohladi na radnu temperaturu od oko 1200°C, i sadržaj se lonca prerađuje. Prazni lonci se ponove pune, i isti rad se ponavlja svaka 24 sata. U loncima se tale sve vrste skupljeg i boljeg stakla na kristalno, obojeno, optičko i mutno staklo, a proizvodi se izrađuju duvanjem i prašenjem.

3.2

KADNE PEĆI

Kadne peći su u novije vrijeme potisnule peći s loncima, gdje god se staklo obrađuje mašinski, pa su stalno potrebne velike količine rastopljenog stakla. Kadne peći rade kontinuirano tj. bez prestanka. Male kade mogu primiti oko 50 tona, a velike od 300 do 1200 tona staklene mase. Peći se grade u obliku kade, od vatrostalnih šamotnih blokova s dobrom izolacijom, da bi gubitci topline bili sto manji. Na jednom kraju peći , u pravilnim vremenskim razmacima, u peć se ubacuje smjesa sirovine, koja se dobro izmiješa i tačno je određenog sastava. U zoni se taljena masa rastali, zatim se pusti u zonu bistrenja, gdje vlada najviša temperatura, a masa se čisti od mjehurića zraka i ujedno homogenizira. Poslije bistrenja staklena se masa mora rashladiti na radnu temperaturu. Tako rashlađena masa (1200°C) dolazi u radno korito, gdje se stako mašinski prerađuje izvlačenjem, duvanjem ili prašenjem.

3.3

PROCES PROIZVODNJE

Najprije se pripremaju osnovne sirovine koje ulaze u sastav, kao i vrste i količina kompozita, u zavisnosti koju vrstu kvaliteta i namjenu stakla želimo dobiti, a zatim se miješaju. Drugi postupak je topljenje na temperaturi iznad 1400°C, a na 1450°C dolazi do topljenja svih prisutnih materija i do obrazovanja kompleksnih jedinjenja. Zatim slijedi proces oblikovanja staklene mase, te na kraju završna obrada staklenih redmeta.

Opšta šema prozvodnje stakla je sljedeća: Priprema sirovina Topljenje Oblikovanje staklene mase Završna obrada staklenih predmeta

Proces taljenja se odvija u nekoliko osnovnih faza: - formiranje sinterovane mase između 800 i 900 °C - topljenje sirovina mase, međusobno rastvaranje silikata i SiO2 - masa postaje providna, svi sastojci stakla su rastvoreni - smanjuje se viskoznost mase na 1250°C i mjehurići je lakše napuštaju - bistrenje i homogeniziranje mase se završava između 1400°C i 1500°C i staklo je dobilo tečni oblik,a hemijski je završen proces umrežavanja (slika 3.) - masa se polako hladi, te počinje oblikovanje stakla

O O | | − O – Si – O – Si – O – | | O O | | − O – Si – O – Si – O – | | O O Slika 3. Struktura stakla

4.

PODJELA STAKLA 4.1

PODJELA STAKLA PREMA SIROVINAMA

Prema sirovini, koja je upotrebljena za proizvodju stakla dijelimo na: 1. Kalcijeva stakla,koja obuhvataju: - natrijevo staklo (naziva se tako, jer je za njega upotrebljena soda,natrijev karbonat).Ne podnosi nagle proijene temperature,a koristi se uglavnom za razne vrste ravnog stakla i za boce. - kalijevo staklo (naziva se tako po sirovini potaši,kalijevu karbonatu).Žilavo je,bolje podnosi promjene temperature i upotrebljava se za izradu šupljeg tehničkog stakla. 2. Buteljno staklo (naziva se tako zato jer se upotrebljava za izradu boca; boca se na francuskom kaže la bouteille ). Dio vapnenca tu je zamijenjen glinom. Budući da je glina aluminijev spoj,ono se naziva i aluminijevim staklom.Upotrebljava se za proizvodnju obicnih bova za vino,pivo i mineralnu vodu.Teško se tali,tvrdo je i žilavo. 3. Olovno,kristalno staklo ili alkali-olovno staklo.Umjesto vapna,koje se upotrebljava kao sirovina za prve dvije vrste stakla, ovdje se uzima olovni oksid.Prema količini olova razlikujemo teško i lako olovno staklo.Olovno staklo dobro prelama svijetlost i lijepo se moze brusiti i glačati te se upotrebljava za izradu luksuznih predmeta i za imitaciju dragog kamenja. 4. Aluminij-borsilikatno staklo – ono sadrži aluminijev i borni oksid i ima nizak postotak alkalija i vapna.Otporno je prema hemijskim utjecajima i promjenama temperature.Upotrebljava se za izradu neutralnog medicinskog i laboratorijskog stakla. 5. Specijalna stakla –ovdje spadaju ostale vrste stakala koje su razlicita sastava, ovisno o upotrebi.Takvo je kremeno staklo(za kvarc lampe i specijalno laboratorijsko posuđe), zatim litij-berilij-borno staklo koje služi za rendgenske cijevi. 4.2

PODJELA STAKLA PREMA NAČINU PRERADE STAKLENE MASE

Stakla prema načinu prerade staklene mase se dijele na:  Ravno staklo  Šuplje staklo  Prešano staklo

4.2.1

RAVNO STAKLO I NJEGOVA IZRADA

Ravno staklo dijelimo na:  izvučeno, pločasto staklo ili prozorsko staklo Po sastavu je natrijevo staklo i dolazi u trgovinu debelo 2-3 [mm]. Po kvaliteti dijeli se na 4 klase.Prvorazredno ( prima) prozorsko staklo treba da je potpuno bezbijedno, tj. nesmije se prelijevati u zelenkasto. Treba da je ravno i svuda iste debljine kako predmeti gledani kroz njega nebi bili deformirani. Ne smije imati mjehuriće zraka niti mutne tačke. Na staklu druge kvalitet može biti jedva primjetnih grešaka, a dok kod treće i četvrte klase greške se mogu lakše uočiti.  oplemenjeno ravno staklo izglačano sa obe strane za ogledala, izloge i dr. slične stvari To je kalijevo ili natrijevo staklo a izrađuje se izvlačenjem ili lijevanjem. U oba slučaja brusi se i glača sa obje strane, samo se kod lijevanog stakla mora skidati deblji sloj.

Slika 4. Ogledalo  ornamentno staklo- lijevano ili valjano staklo sa ornamentima na površini Ovo staklo ima na površini razne ornamente tj. šare koje otiskuje valjak, prolazeći preko izlivene staklene ploče. Zbog tih ornamenata staklo je neprovidno ali propušta svijetlost, a upotrebljava se na mjestima gdje nam je potrebna svijetlost ali nam nije potrebna providnost stakla. Ornamenti se mogu nanositi na staklo graviranjem i brušenjem, no tad je mnogo skuplje.  mutno staklo Primjer mutnog stakla jeste opalno (mliječno) staklo gdje je cijela staklena masa mutna ili je zamućena na površini pomoću pijeska ili fluorovodika.Upotrebu ima istu kao i predhodno staklo.

 armirano staklo Ovo staklo se proizvodi tako što se na izlivenu staklenu površinu stavi žičana mreža, a preko nje se lijeva druga ploča(slika 5.). To staklo prilično je otporno prema lomu a žičana mreža spiječava ispadanje komadića i onda kad dođe do pucanja staklene ploče.

Slika 5. Armirano staklo  sigurnosno staklo Sigurnosno staklo se izrađuje jednoslojno ili višeslojno.Jednoslojno sigurnosno staklo izrađuje se iz stakla za ogledala, koje se ponovo zagrijava, kali i hladi pomoću zraka. Višeslojno sigurnosno staklo se izrađuje iz tanki staklenih ploča koje se međusobno slijepe plastičnom masom (pleksigumom).Ako je staklo sastavljeno od 5 ili 7 slojeva otprono je i prema mecima. Po starijem postupku proizvodile su se staklene ploče izlijevanjem rastaljene mase na sto za lijevanje.Staklo se izlijeva iz lonca, a preko izlivene mase prelazi se šupljim valjcima od lijevanog željeza koji se iznutra zagrijavaju.Razvaljena ploča se još mekana odvozi u dio peći koji sluzi za hlađenje.Ploča se nesmije naglo hladiti jer bi tako došlo do pucanja. Po novijem postupku izlivena masa dolazi između dva valjka koji se okreću.Izvaljana staklena ploča prelazi na pokretne stolove.Ploče se sijeku noževima i na kolicima prevoze u komore za hlađenje.Kasnije su lonci zamjenjeni kadnim pećima. Pored lijevanja u novije vrijeme monogo se primjenjuje i izvlačenje staklenih ploča. Na istopljenu staklenu masu se postavlja duguljasto , teško korito od gline.Na dnu, uzduz korita, nalazi se procijep.Zbog sile uzgona kroz procijep navire istopljena staklena masa pod pritiskom te je pomoću uronjene ploče možemo izvući u obliku široke trake.Preko nekoliko pari valjaka vuče se ploča sa stalnom brzinom kroz kanal za izvlačenje, a pri tom se ono ujedno hladi. Debljina staklene ploče od 0,5 do10 [mm] ,a podešava se brzinom izvlačenja. Vrijeme hlađenja ovisi o debljini ploče. Izlivene staklene ploče su neravne, te se sa obje strane moraju brusiti. Pri tome se na svakoj strani izgubi oko s [mm]. Brusi se na stolovima koji se okreću (20-30 obr/min). Ploče se učvrste na sto kitanjem u gips.

Bruse se pomoću dva rebrasta žrvnja od lijevanog željeza, a pritom se stalno dovodi voda u ubacuje krupniji, zatim sitniji i najzad najsitniji pijesak. Glačaju se ploče prahom željeznog oksida, na istom stolu pomoću gladilica koje su obično previčene filcom. Ravno staklo je prikazano na slici 6. i upotrijebljeno je za izradu akvarijuma.

Slika 6. Ravno staklo

4.2.2

ŠUPLJE STAKLO I NJEGOVA IZRADA

Boce i drugi predmeti od stakla ranije su se isključivo duvali ustima pomoću duvačke lule. Duvač uzima na lulu rastopljenu staklenu masu i ustima izduva balon, a oblik daje predmetu drvenim kalupima lagano duvajući. Izduvani predmet odbije se od lule i kliještima prenosi u peć na postepeno hlađenje. Ohlađeni predmet npr.čaša se obrezuje. Pritom se čaša zagrije malim plinskim plamenicima na određenoj visini, kako kod obrezivanja nebi pucala a reže se automatskim dijamantom. Poslije obrezivanja rub je oštar, te se mora brusiti. Ranije se pločasto staklo isto pravilo duvanjem, ali to je danas rijetko.To se je radilo na način da se prvo izduva valjak kojem se odrežu krajevi te se on presiječe i razvije. Gotovo sva šuplja staklena roba danas se duva automatskim strojevima. Odavno su postojali manji aparati s djelomično ručnim pogonom ( Owens ) koji su omogućavali veliku uštedu na radnoj snazi. Npr. za jedan sat šestorica ljudi izrade pomoću njega od 600 do 1000 komada boca, dok duvač s pomoćnikom uradi za jedan sat oko 30 boca i nemože ih napraviti potpuno jednake kao stroj.

Slika 7. Šuplje staklo i duvanje stakla

4.2.3

PREŠANO STAKLO I NJEGOVA IZRADA

Mnoge vrste šupljeg stakla mogu se izrađivati i prešanjem. Prešanje se vrši u metalnim kalupima koji za vrijeme imaju srednju temreraturu od 300 do 400°C. Za rad je bolje viskoznije staklo, koje dugo ostaje u tekućem obliku te bolje ispunjava fine dijelove kalupa. Kad se izvade iz kalupa, predmeti se dotjeravaju glačanjem. 5.

OSOBINE STAKLA

Staklo zbog svojih izraženih mehaničkih, izolacionih i hemijskih osobina, predstavlja izvanredan gradivni, ukrasni i ambalažni materijal. Svojstva stakla se dijele na:  Hemijska svojstva  Termalna i izolaciona svojstva  Mehanička svojstva Hemijska svojstva : - izuzetno visoka hemijska postojanost - rastapa se jedino u rastopima alkalija i fluoridnoj kiselini - na povišenim temperaturama izvijesne promijene nastaju i pod uticajem rastvora, baza, kiselina pa i obične vode - otpornost na hidrolizu.... Prema otpornosti na hidrolizu staklo se dijeli na pet klasa što je prikazano u tabeli 1.

KLASA

Masa izdvojenog Na2O iz 2 [g] usitnjenog stakla [mg]

1. 2. 3. 4. 5.

Do 0,006 0,006 – 0,12 0,12 – 0,52 0,52 – 1,24 1,24 – 2,16 Tabela 1. Podijela stakla na hidrolitičke klase

Termalna i izolaciona svojstva : - dobar toplotni izolator, zbog male termičke provodljivosti - širenje stakla na povišenoj temperaturi nije izraženo - dobar izolator za elektricitet, a i propušta svijetlost - ne dolazi do pucanja pri nagloj promijeni temperature Mehanička svojstva : - veoma tvrd materijal (na Mosovoj skali zauzima između 5. i 6. nivoa,od mogućih 9.) - tanki stakleni predmeti pokazuju izvijesnu elastičnost, dok su deblji krti i lome se skoro bez ikakve predhodne plastične deformacije - zatezna čvrstoća, za razliku od drugih materijala raste sa porastom temperature, a najviša je u blizini temperature smekšavanja - staklo je mnogo otpornije na sabijanje nego na istezanje...

6.

PRIMJENA STAKLA U RAČUNARSTVU

Staklo je materijal koji ima veoma opširnu primjenu u svim oblastima. Tu široku primjenu mu omogućavaju upravo njegove osobine i karakteristike. Staklo je jedan od osnovnih materijala današnjice, a bez njega bi bilo skoro nemoguće živjeti. Najveću svoju primjenu ima u građevinarstvu i arhitekturi jer je veoma dobar kao građevinski materijal. Osim svoje primjene skoro u svim oblastima svoju vema široku primjenu je našao i u izradi nakita i ukrasnih materijala ( nakit, stakleno posuđe, stakleni ukrasi i dr.). Što se tiče računarstva staklo je tu isto našlo svoju primjenu i on je veoma bitan materijal u računarstvu. Koristi se za izradu monitora (Slika 8.) ,koji su nam veoma bitni u računarstvu jer rad na računaru je nezamisliv bez njih. Monitori nam služe za prikaz slike i svega onog što se izvodi na računaru.

Slika 8. Računarski Monitor Staklo se ponekad koristi i u izradi nekih elektroničkim komponenata koje se primjenjuju u računarstvu (osigurači, kondenzatori idr. elementi). Za izadu takvih elemenata koristi se jer je veoma otporan na visoke temperature i na samu provodljivost elektriciteta. Izrada samih monitora je veoma kompliciaran postupak jer je osim same proizvodnje oblika monitora potrebno to sve povezati sa nekim elektroničkim komponentama kako bi to sve moglo da radi. Monitori se izrađuju od veoma kvalitetne vrste stakla i sa posebnim postupkom izrade. Znači prvo se odabere najkvalitetniji materijal za izradu monitora i to ide dalje u proces taljenja kako bi dobili staklastu rastopinu. Ta rastopina se dalje pomoću određenih mašina pretvara u oblik koji odgovara monitoru. Nakon hlađenja, sada već monitora, on ide na poliranje koje je jedno od najfinijih poliranja jer nam je veoma bitno da je monitor ( ekran ) dobro ispoliran. To nam je potrebno jer prikaz slike mora da bude gotovo idealan i da nema određenih krivljenja slike. Staklo se još kod računara koristi za izradu određenih ukrasnih predmeta kako bi sam računar izgledao ljepše i privlačnije za kupce koji nastoje da njihov računar ima što je ljepši izgled (Slika 9.). Samim tim računar će odmah da postigne veoma visoke cijene.

Slika 9. Stakleno kućište računara

7.

ZAKLJUČAK

Kroz ovaj seminarski rad mogli smo se upoznati sa materijalom koji se je koristio još prije mnogo godina i kojem je upotreba i danas veoma velika. Vidjeli smo da je korištenje ovog materijala danas zastupljeno skoro u svim oblastima kao što su industrija, nauka, medicina, arhitektura, građevina, računarstvo i dr. U prilično sažetom obimu, kroz ovaj rad, navedene su osnovne karakteristike, podjele, načini dobivanja i osobine stakla, kako bi se upoznali sa tim veoma važnim materijalom današnjice.