Szyby float, szyby hartowane i szyby półhartowane

Szyby w oknach są tak do siebie podobne, że niewielu z nas bierze pod uwagę, jak bardzo mogą różnić się między sobą rodzaje szkła, a co za tym idzie możliwość zastosowania w konstrukcjach okiennych. Z pozoru najważniejsze, by były czyste, jednak w dobie mody na „szklane domy”, w których udział powierzchni przeszklonych w całkowitej powierzchni przegród jest znaczący, radzimy zachować większą ostrożność w doborze oszklenia. Im większa i grubsza tafla, tym większe ryzyko samoistnego pękania.

Szkło ciągnione

Szyba, to rodzaj szkła płaskiego. W 1913 roku Emile Fourcault opatentował metodę produkcji szkła w postaci cienkiej wstęgi wyciąganej z wanny wypełnionej masą szklaną o odpowiedniej temperaturze i lepkości. W wannie zanurzano specjalny blok ze szczeliną, przez którą pod wpływem masy bloku wydostawało się płynne szkło wyciągane dalej przez system chłodzonych wałków. W trakcie ciągnienia szkło tworzy płytę szklaną i ulega schłodzeniu. To najtańszy sposób produkcji szkła płaskiego, nazywanego szkłem ciągnionym, a proces powolnego schładzania szkła od ponad stu lat nazywany jest – procesem odprężania szkła. Po całkowitym wystygnięciu tafla szkła jest cięta na formatki pożądanej wielkości. W 1916 roku w USA wynaleziono sposób ciągnienia szkła, w którym nie było konieczne stosowanie bloku z dyszą. Nową metodę, znaną jako metoda Pittsburgh stosowano w Polsce na skalę przemysłową jeszcze pod koniec XX w.

Zaletą szkła ciągnionego była cena, wadą falistość powierzchni, zniekształcenie łagodnymi wgłębieniami i wypukłościami powstającymi w procesie wyciągania szkła przez wałki lub drobne pęcherzyki albo odpryski. Niedoskonałość szkła ciągnionego sprawiała, że nie mogło być stosowane do wytwarzania szyb z powłokami, na przykład termoizolacyjnych albo samoczyszczących.

Szyby i szkło float

Jedną z najbardziej znanych w Polsce i świecie marek producentów szkła i szyb zespolonych jest Pilkington. Mało kto wie, że proces produkcji szkła płaskiego metodą float jest wynalazkiem Sir Alastaira Pilkingtona, który wraz z Kennethem Bickerstaff’em opracował i znalazł komercyjne zastosowanie dla produkcji ciągłej wstęgi szkła, której jednakowa grubość uzyskiwana jest dzięki sile grawitacji i prędkości przepływu szkła przez wannę floatacyjną z roztopionym metalem. Szkło produkowane tą metodą jest prawie idealnie płaskie i nie ma zniekształceń powodujących wady optyczne. Współczesne szyby stosowane w oknach i drzwiach balkonowych produkowane są obecnie metodą float.

Do produkcji szkła float wykorzystuje się tak zwany zestaw szklarski, czyli dobrany w odpowiednich proporcjach zbiór materiałów, w skład którego wchodzą: piasek szklarski około 73%, węglan sodu 13%, wapień 8%, dolomit 4%, tlenek glinu 1% oraz inne substancje pełniące rolę barwników lub zmieniające właściwości fizyczne i chemiczne szkła. Po zmieszaniu składników trafiają one do pieca wraz ze stłuczką szklaną, gdzie są podgrzewane do temperatury 1500°C. Po stopnieniu temperatura jest obniżana do poziomu 1200°C, co zapewnia jednolitą gęstość stopionej masy, która przepływa do wanny floatacyjnej z roztopioną cyną. Ze względu na mniejszy ciężar właściwy szkło znajduje się na gładkiej powierzchni cyny, a siła grawitacji sprawia, że staje się nieomalże idealnie płaskie. Ewentualne niedoskonałości powierzchni szkła, która nie przylega do metalu niwelowane są przez palniki gazowe. Ten proces nazywa się ogniowym polerowaniem szkła.

Grubość tafli szkła zależy od podlegającej regulacji prędkości przepływu stopionej masy przez wannę floatacyjną. Na jej końcu wstęga szkła ma temperaturę około 600°C i jest wyciągana za pomocą wałków, podlegając powolnemu kontrolowanemu schładzaniu. Podczas schładzania następuje „odprężanie szkła”, czyli redukcja naprężeń wewnętrznych. W trakcie odprężania na taflę szkła nanosi się pożądane powłoki, na przykład termoizolacyjne albo samoczyszczące. Proces produkcji szkła płaskiego metodą float służy do tworzenia tafli o standardowych grubościach od 0,4 mm do 25 mm. Jako ciekawostkę można podać, że metodą float udało się wyprodukować taflę szkła o grubości zaledwie 0,1 mm.

Właściwości termiczne szyb float

Na właściwości wytrzymałościowe szyb float wpływają kształt i wielkość tafli oraz jakość powierzchni. Szkła o ostrych krawędziach albo uszkodzonych, zarysowanych, zmatowionych powierzchniach mają niższą odporność na nagłe zmiany temperatur. Jednocześnie szyby wielkoformatowe pod wpływem oddziaływania temperatury wydłużają się znacznie bardziej niż szyby o wymiarach standardowych. Współczynnik rozszerzalności szkła pod wpływem zmiany temperatury definiuje się jako stosunek przyrostu długości wyrobu do jego początkowej długości i oblicza przy użyciu współczynnika rozszerzalności liniowej, który dla szkła float wynosi α = 90 x 10^-7 K^-1. Poniżej prezentujemy wynik obliczeń przybliżonego wydłużenia wymiarów szyb float pod wpływem oddziaływania różnic temperatur.

Rozszerzalność liniowa szyb jest zagadnieniem istotnym i powinna być brana pod uwagę zwłaszcza podczas stosowania wielkogabarytowych konstrukcji okiennych narażonych na silne oddziaływanie promieniowania słonecznego. Wielokrotne schładzanie i ogrzewanie szyb może wpływać na ich zdolność do wydłużania i kurczenia, a w konsekwencji prowadzić do termicznego spękania szkła. Proces wielokrotnego szybkiego ogrzewania i schładzania szyb albo nierównomiernego nagrzewania z wytworzeniem znaczących różnic temperatur warstw szkła sprawia, że szyby pękają od razu lub po pewnym czasie.

Szybkość ogrzewania i studzenia szkła ma tym większe znaczenie im grubsze są tafle, z których wykonano szybę zespoloną, co ma związek z naprężeniami i kierunkiem działania sił pochodzących od tych naprężeń w obrębie powierzchniowych i wewnętrznych warstw szkła oraz stosunkowo niskim współczynnikiem przewodnictwa cieplnego materiału. Wbrew dość powszechnemu przekonaniu zjawisko szybkiego ogrzewania jest mniejszym zagrożeniem pękania szkła od zjawiska nagłego ochładzania jego powierzchni.

Szyby hartowane i szyby półhartowane

Metodą obniżania ryzyka termicznego pękania szyb w wielkogabarytowych konstrukcjach okiennych o dużej powierzchni przeszklonej narażonych na silne promieniowanie słoneczne jest zastosowanie szkła hartowanego lub szkła wzmacnianego termicznie, tak zwanego szkła półhartowanego. Szkło hartowane ma odporność termiczną 2 do 4 razy wyższą do dobrze odprężonego szkła float. Można przyjmować, że standardowa szyba float powinna utrzymać swoje właściwości do różnicy temperatur rzędu 70 °C, natomiast szyba hartowana do różnicy temperatur 270 °C. W procesie hartowania uzyskuje się również czterokrotny, a nawet pięciokrotny wzrost wytrzymałości szkła na zginanie, udar oraz rozciąganie.

Jak powstaje szyba hartowana? W procesie hartowania szkła, taflę szyby float podgrzewa się do temperatury bliskiej temperaturze mięknienia szkła, a potem nagłemu, jednoczesnemu schłodzeniu obu przeciwległych powierzchni tak, aby w warstwach zewnętrznych wystąpiły trwałe naprężenia ściskające, a w warstwach wewnętrznych naprężenia rozciągające. Świetnie ilustruje to grafika pochodząca ze strony http://www.guardian-czestochowa.com

Oprócz wyższej wytrzymałości, korzyścią ze stosowania hartowanych szyb zespolonych jest także bezpieczeństwo użytkowników. Nie bez przyczyny szyby hartowane określane są, jako szyby bezpieczne. W przypadku stłuczenia, szyba hartowana rozpada się na drobne kawałki o zaokrąglonych brzegach, bez „igieł" i ostro zakończonych klinów. Pewnym utrudnieniem w stosowaniu szyb hartowanych, o którym warto pamiętać jest brak możliwości poddawania ich dalszej obróbce, na przykład cięciu, wierceniu, czy szlifowaniu po zakończeniu procesu hartowania. Także piaskowanie albo wytrawianie kwasem może osłabić wytrzymałość szkła prowadząc do jego zniszczenia.

OKNOTEST.PL