Dziwne zjawiska na szybach

Prezentujemy czytelnikom fragmenty artykułu zamieszczonego w nr 6/2013 miesięcznika „Świat Szkła”, poświęconego nietypowym zjawiskom fizycznym ujawniającym się czasami podczas użytkowania okien wyposażonych w pakiety szyb zespolonych. Jerzy Płoński, autor tekstu, jest pracownikiem ITB i uznanym rzeczoznawcą w dziedzinie techniki okiennej. Na podstawie własnych doświadczeń przedstawia możliwe przyczyny powstawania prążków, centek, różnic kolorystycznych, a nawet samoistnych pęknięć szkła.

Wady, nie-wady

Szyby w oknach zapewniają kontakt ze światem zewnętrznym oraz ułatwiają doświetlenie pomieszczeń. Czasami jednak potrafią sprawić użytkownikom nie lada problem doprowadzając do wielkiej irytacji. Przyczyną są niepożądane zjawiska, których przyczynę trudno zdiagnozować.

Pojawianie się tęczy, barwnych wzorów, tajemnych kręgów, kolorów, plam albo zaciemnień we wnętrzu pakietu lub na szybach zazwyczaj nie oznacza jeszcze wystąpienia istotnej wady szkła, czy oddziaływania zabrudzeń. Często są to efekty optyczne wywołane przez fale światła interferujące pomiędzy sobą, przechodzące poprzez szybę lub od niej odbijane. Postęp w produkcji szkła stworzył problemy, których wcześniej nie było.

Zjawiska optyczne występujące na lub w szybach

Pierścienie Newtona. Zjawisko optyczne na szybach zespolonych polegające na uwidacznianiu się barwnych kręgów w kształcie pierścieni. Pierścienie - prążki interferencyjne - powstają przy przejściu światła, poprzez cienkie warstwy w pobliżu styku powierzchni wypukłej i płaskiej rozdzielonych substancją o innym, niż warstwy stykające się, współczynniku załamania światła. Taki efekt optyczny pojawia się w szybach zespolonych, kiedy dwie szyby [warstwy] dotykają się lub prawie dotykają w centrum szyby zespolonej, wypełnionej gazem [substancją].

Efekt optyczny jest serią koncentrycznych kolorowych pierścieni w centrum szyby, będącym punktem kontaktu lub bliskiego kontaktu dwóch szyb. Pierścienie są w przybliżeniu koliste lub eliptyczne. Interferencja powstaje wewnątrz cienkiej warstewki gazu wypełniającego szybę. Pierścienie Newtona pojawiają się w szybach o niewłaściwej budowie, to jest o zbyt dużych powierzchniach przy ich niewystarczającej grubości (3 mm) oraz przy równoczesnym zastosowaniu ramki o małej szerokości. Z uwagi na niskie temperatury, szyby schodzą się w środku i tworzą wklęsłe powierzchnie.

Prążki Brewstera- mogą pojawić się w zestawie, w którym dwie szyby mają prawie tę samą grubość. [Różnica w grubości między dwiema szybami musi być bardzo mała i w przybliżeniu taka sama, jak średnia długość fali światła widzialnego tj. 0,0005 mm]. Prążki Brewstera są obserwowane częściej w zestawach wykonanych z szyb float, niż ze szkła ciągnionego gdyż szkło float będące o wiele lepszym jakościowo produktem jest bardzo płaskie i wykazuje relatywnie małe różnice w grubości. Warunkiem koniecznym do zaistnienia Prążków Brewstera jest bowiem obecność dwóch szyb o prawie jednakowej grubości w szybie zespolonej, ich różnica w grubości powinna w przybliżeniu wynosić 0,00035 do 0,0007. Ten warunek, dość sporadyczny, jest częściej spełniany dla szkła float niż dla szkła ciągnionego. W dodatku szkło ciągnione zawiera wady, powodujące maskowanie Prążków Brewstera.

Koliste półcienie na szybie wewnętrznej. Światło przechodzące przez raster szyby zewnętrznej tworzy pierścienie w odcieniach szarości - tj. odcieniach rastra. Różne załamanie światła przez ugiętą szybę tworzy jasne i ciemne kręgi. Część padającego światła słonecznego napotyka na światło odbite od powierzchni wewnętrznej szyby szkła izolacyjnego w taki sposób, że są one przesunięte w fazie o 180° i wygaszają się wzajemnie, lub wzmacniają, dając w ten sposób wzrost efektu prążkowego na powierzchni szkła, kiedy obserwowane jest pod pewnym kątem. Ugięte do siebie szyby zachowują się jak soczewki, co wywołuje efekt powstawania kręgów.

Efekt Moira. Zjawisko zachodzące przy bardzo szczegółowych wzorach, rastrach naniesionych na szyby. Jest to pewien rodzaj układu prążków, zjawisk optycznych, powstałych na skutek interferencji, [krzyżowania się], dwóch siatek linii rastru obróconych o pewien kąt lub poddanych deformacji [wklęśnięcie szyby, lustrzane odbicie rastra od drugiej szyby z warstwą niskoemisyjną].

Ugięcia poprzeczne. Gięte szkło formowane i hartowane przy wykorzystaniu zespołu gnącego matryca/stempel wykazuje skłonność do niepożądanych ugięć poprzecznych, co w konsekwencji prowadzi do lokalnych zmian obwodu. Ich występowanie jest uzależnione od wielkości szyby, grubości szkła i temperatury obróbki. Intensywność ugięć i odkształceń też jest różna.

Falistość od wałków. Podczas hartowania szkło w piecu ułożone jest na rolkach i z tej przyczyny powierzchnia może być lekko odkształcona pomiędzy wałkami transportującymi szybę.

Dwójłomność w szkle [anizotropia]. Proces produkcyjny hartowania szkła tworzy strefy naprężenia, powodując efekt widoczny w świetle spolaryzowanym. Światło dzienne zawiera pewny udział światła spolaryzowanego. W szybie hartowanej sąsiadują ze sobą obszary o bardzo zróżnicowanych naprężeniach, co powoduje powstawanie różnic dróg optycznych promieni świetlnych załamujących się wewnątrz szkła. Są to obszary, w których nastąpiło częściowe wygaszenie odbitych promieni słonecznych. Efektem tego są widoczne czasami pod pewnym kątem obserwacji ciemniejsze cętki, pasma na powierzchni szyb, zwanych jako plamki lamparta. Zmiana kąta patrzenia na dany obszar szyby powoduje znikanie tego zjawiska

Optyczne soczewki. Wada może powstawać w procesie gięcia szkła. Są to punktowe wgniecenia szkła przez rolki urządzenia dociskowego wyginającego szybę do wymaganego kształtu. Wada widoczna jest w świetle przechodzącym przez szybę i zniekształcającym przechodzenie światła jak w podłużnych soczewkach. Przy obserwacji szyb od strony zewnętrznej, wewnętrznej, pod różnym kątem, z różnej odległości, widoczne są na szybach podłużne paski zniekształceń szyby w postaci podłużnych regularnych optycznych soczewek długości ok 25 mm i szerokości ok 10 mm w rozstawie co ok 10 cm. Paski „ściegów” powtarzają się w regularnym rozstawie jak „ścieg maszyny do szycia”.

Zielone szyby jest to zjawisko, z którym spotkałem się zaledwie dwa razy. Co do przyczyny zjawiska - nie znalazłem odpowiedzi w dostępnej literaturze. Zielonkawą poświatę daje szkło, w którym jest pewna zawartość tlenków żelaza i w takiej sytuacji wytłumaczenie jest oczywiste. Co jednak zrobić, kiedy szkło jest pozbawione tlenków, np. szkło Ultra Neutral. Wydaje mi się, że zachodzi tu pochłanianie części widma światła widzialnego. W omawianym przypadku szyby znajdują się w budynku usytuowanym w zielonej otulinie lasu. Barwy zielonej jest najwięcej i dlatego zielonkawego odcienia nabierają krystalicznie przeźroczyste szyby. Innego wytłumaczenia nie znajduję.

Srebrzysty nalot na szybie. Sporadyczna wada wynikająca z nieprawidłowego zespolenia szyb z warstwą niskoemisyjną tlenków metali na zewnątrz szyby zespolonej.

Odchylenie odcienia i barwy szyb. Barwa i odcień szkła oraz powłok nanoszonych na jego powierzchnię uzależniona jest od grubości szyb, procesu wytwarzania, składu mieszanki surowców szklarskich, rodzaju i grubości warstw nanoszonych powłok. Barwa w zależności od kąta patrzenia może być zauważalnie zmienna. Każdy z tych procesów posiada pewne granice tolerancji powtarzalności, w ramach których mogą mieścić się niewielkie różnice obserwowanego odcienia i barwy. [Z tego też względu zalecane jest jednorazowe zamawianie szkła na całe elewacje budynków albo partie okien].

Różnice w odcieniach szyb [powłoki niskoemisyjne].

• Powłoki niskoemisyjne „twarde” uzyskiwane metodą pyrolityczną gdzie napylone substraty tworzą dwie warstwy:
• zewnętrzną z tlenków cyny wzbogaconą fluorem,
• wewnętrzną z nawęglonego tlenku krzemu.

• Powłoki „twarde” stosuje się do szyb przeznaczonych do hartowania.
• Powłoki „miękkie” powstają w procesie off-line, przez naniesienie kilku bardzo cienkich warstw metali (np. srebro) i tlenków metali (bizmutu, cyny i cynku).
• Od rodzaju zastosowanych powłok niskoemisyjnych zależny jest współczynnik izolacyjności termicznej szyb, jak i odcień i kolor szyb.
• W zależności od rodzaju tlenków metali szyba może mieć odcień brązowy, niebieski, zielony, itp. Powłoki „twarde” przyciemniają szyby.

Widocznych różnic w odcieniach szyb nie da się wytłumaczyć inaczej jak innym rodzajem powłok niskoemisyjnych naniesionych na szyby lub też zgoła innym rodzajem szkła [różne huty szkła].

Odbicie i załamanie świata szyb zespolonych płaskich i giętych

• Szyby płaskie mają kąt obicia i załamania światła stały i wynosi on 7^o.
• Szyby gięte mają kąt odbicia światła zmienny od 7^o do 24^o.

W pewnym stopniu różny kąt odbicia i załamania światła może powodować odkształcenia obrazu. Może to też przyczyniać się do innego odcienia szyb.

Kondensacja pary wodnej na zewnętrznych powierzchniach szyb.Woda kondensacyjna tworzy się, gdy cieplejsze, wilgotne powietrze graniczy z powierzchniami o odpowiednio niższej temperaturze. Powietrze oziębiając się na zimnej powierzchni szkła przechodzi w stan nasycenia, czego efektem jest skraplanie się nadmiaru wilgoci na szybie.  Gdy szyba zewnętrzna posiada zimną płaszczyznę, to przy odpowiednio wysokiej wilgotności tworzy się na jej powierzchni kondensat. Przyczyną utrzymywania się niskiej temperatury powierzchni szyby zewnętrznej jest coraz lepsza izolacyjności cieplna szyb zespolonych, która powoduje przedostawanie się na zewnątrz tylko niewielkiej ilość ciepła z pomieszczeń. Wyeliminowanie tego zjawiska nie jest możliwe. Efekt kondensacji pary wodnej na zewnętrznych powierzchniach szyb zespolonych w żadnym wypadku nie świadczy o wadliwości szyb zespolonych.

Wklęsłość/wypukłość szyb zespolonych. W szybie zespolonej znajduje się ściśle określona, zamknięta ilość gazu. Ciśnienie i temperatura gazu są takie jak powietrza atmosferycznego w czasie produkcji szyb. Jeśli po zamontowaniu, szyby zespolone znajdują się w innych warunkach - zmieniona temperatura, ciśnienie powietrza - spowoduje to powstanie różnic pomiędzy ciśnieniem wewnątrz szyby zespolonej a ciśnieniem zewnętrznym. Różnica ciśnienia powoduje nacisk na tafle szkła w szybie zespolonej, którego następstwem jest ugięcie szkła. Przykładowo, w okresie letnim, gdy temperatura szyb zespolonych rośnie do 30°C lub więcej - gaz wewnątrz szyby rozgrzewa się i ciśnienie jego wzrasta. Ciśnienie to powoduje nacisk na tafle szkła szyby zespolonej, które wyginają się nieznacznie na zewnątrz. W okresie zimowym następuje zjawisko odwrotne, polegające na wklęśnięciu szyb pod wpływem obniżenia się ciśnienia wewnątrz szyby zespolonej - spadek temperatury w szybie.

Ślady po ssawkach. Zjawisko powstawania na wilgotnej szybie widzialnych dla obserwatora śladów odbitych ssawek, etykiet, palców lub dłoni jest związane z tym, że powierzchnia szyb zespolonych po zakończeniu produkcji jest silnie zaktywizowana i hydrofilowa. Pracownik przy produkcji szyb zespolonych zdejmuje szybę przyczepiając ssawki do szyby zespolonej i separuje ją przekładkami korkowymi przy ustawieniu na stojak. Ślady po ssawkach, odbicia korków dystansowych, ślady po etykietach uwidaczniają się pod wpływem  pary wodnej. Zjawisko to nie może być traktowane, jako wada, gdyż jest widoczne jedynie na zaparowanej szybie. W eksploatacji, na szybie suchej nie zachodzi.

Pękanie szkła. Szkło należy do materiałów kruchych, które nie podlegają plastycznym odkształceniom. Po przekroczeniu swojej wytrzymałości pęka. Pęknięcie powodowane jest oddziaływaniem na szkło naprężeń mechanicznych i termicznych większych niż dopuszczalne. Oznacza to, że jeśli dana szyba została dostarczona do klienta w całości, a pęknięcie szkła nastąpiło w trakcie montażu lub eksploatacji szyby - to powodów pęknięcia należy szukać w czynnikach oddziaływujących na szkło w momencie jego pęknięcia. Obecne metody produkcji szkieł pozwalają na utrzymywanie naprężeń wewnętrznych szkła na niskim, kontrolowanym poziomie. Ewentualne wady wynikające z niewłaściwych naprężeń wewnętrznych ujawniłyby się w trakcie operacji związanych z produkcją szyb zespolonych. W przypadku, gdy sposób zastosowania szkła może powodować zwiększone naprężenia w szkle, zalecane jest dokonywanie niezbędnych obliczeń wytrzymałościowych dla prawidłowego doboru grubości i rodzaju szkła.

Elementy dekoracyjne montowane wewnątrz szyb zespolonych. Wewnątrz szyby zespolonej mogą być na trwałe zamontowane elementy dekoracyjne ­szprosy. Zalecane jest takie dobranie grubości szprosu w stosunku do grubości ramki dystansowej aby różnica ich grubości była minimum 3,5 mm. Taka różnica grubości pozwala zapobiec dotykaniu szprotów do szkła, a tym samym zapewnia ograniczenie przemarzania szyb w miejscu instalacji szprosów.

W celu wyeliminowania nieprzyjemnego efektu "dzwonienia" szprotów /uderzanie szprosu w szkło pod wpływem drgań otoczenia/ stosowane są przeźroczyste przekładki dystansowe tzw. bumpony. Ilość i rozmieszczenie bumponów zależy od ilości i długości pól szprosów i pozostaje w gestii producenta. Wzrost temperatury może spowodować zwiększanie się długości szprosów a co za tym idzie nieznaczne odchylenia kształtu.

Źródło: „Świat Szkła” nr 6/2013
Tekst i zdjęcia: Jerzy Płoński ITB
Redakcja: OKNOTEST.PL