Szkło kwarcowe — wszystko, co musisz o nim wiedzieć!

Szkło techniczne to szeroka grupa materiałów odgrywających ogromną rolę w codziennym życiu, ale również w przemyśle i nauce. Jednym z najbardziej cenionych jego rodzajów jest odmiana kwarcowa, którą coraz częściej wykorzystuje się w nowoczesnych technologiach, medycynie i elektronice użytkowej.

Wyjaśniamy, co to jest szkło kwarcowe, jakie ma właściwości, gdzie się je stosuje i ile kosztuje. Dzięki temu łatwiej będzie Ci zrozumieć, dlaczego i w jakich przypadkach warto w nie zainwestować.

Co to jest szkło kwarcowe?

To rodzaj szkła technicznego wytwarzanego z niemal czystej krzemionki (SiO₂), czyli naturalnego kwarcu. Nie zawiera domieszek sodu, wapnia czy boru, a to przekłada się na niezwykłą czystość chemiczną oraz unikalne właściwości fizyczne tego produktu.

Jest produkowane na dwa główne sposoby: przez topienie naturalnego kwarcu (szkło topione) lub syntetycznie – z oczyszczonego ditlenku krzemu. Ten drugi proces pozwala uzyskać materiał o jeszcze wyższej czystości, co ma znaczenie w fotonice czy przemyśle półprzewodnikowym.

Szkło z krzemionki nie jest przezroczyste dla wszystkich długości fal światła — może transmitować promieniowanie ultrafioletowe (UV), widzialne oraz podczerwone (IR). Właśnie ta szeroka przepuszczalność i odporność na wysoką temperaturę sprawiają, że jest uważane za wszechstronny materiał.

Czym jest kwarc?

Kwarc to jeden z najpowszechniej występujących minerałów na Ziemi. Chemicznie jest to ditlenek krzemu, związek zbudowany z jednego atomu krzemu i dwóch atomów tlenu. Można go spotkać w naturze w wielu różnych formach – zarówno jako przezroczyste, bezbarwne kryształy (np. kryształ górski), jak i w postaci barwnych odmian, takich jak ametyst, cytryn, różowy kwarc czy dymny kwarc. Naturalny kwarc jest wyjątkowo twardy (7 w skali Mohsa), odporny chemicznie i przejrzysty dla wielu długości fal światła. Po oczyszczeniu i przetopieniu staje się doskonałym materiałem do produkcji m.in. szkła technicznego o najwyższych parametrach.

Ma bardzo szerokie zastosowanie, np. w przemyśle jako surowiec do produkcji szkła, ceramiki, a także elektroniki (np. rezonatory kwarcowe w zegarkach i komputerach), w jubilerstwie cenione są postacie ozdobnych kamieni szlachetnych i półszlachetnych. Korzystają z niego także firmy działające w branży nowoczesnej technologii, gdzie liczy się jego czystość i odporność na temperaturę.

Szkło kwarcowe — właściwości

Na tle innych materiałów ten wyróżnia się ciekawym zestawem właściwości. Przede wszystkim jest to materiał o bardzo wysokiej czystości chemicznej, przez co nie reaguje z większością substancji. Ma to znaczenie np. w laboratoriach analitycznych i przemysłach precyzyjnych.

• Odporność termiczna

Może pracować w temperaturach sięgających nawet 1100°C w trybie ciągłym, a w niektórych przypadkach krótkotrwale do 1300°C.

• Niska rozszerzalność cieplna

Nie pęka przy gwałtownych zmianach temperatury (duża odporność na szok termiczny).

• Wysoka przezroczystość optyczna

Przepuszcza światło w szerokim zakresie długości fal, w tym UV, światło widzialne i IR, w zależności od rodzaju szkła.

• Odporność chemiczna

Nie ulega działaniu większości kwasów i zasad, z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego.

• Wysoka wytrzymałość mechaniczna i twardość

Jest bardziej odporne na zarysowania i ścieranie niż zwykłe szkło.

• Doskonałe właściwości dielektryczne

Przez co znajduje zastosowanie w elektronice i fotonice.

Te właśnie cechy sprawiają, że szkło SiO₂ to jeden z najbardziej uniwersalnych i niezawodnych materiałów wykorzystywanych w wielu wymagających dziedzinach.

Czym różni się szkło kwarcowe od zwykłego szkła?

Szkło kwarcowe różni się od zwykłego szkła przede wszystkim składem chemicznym i właściwościami fizycznymi. Podczas gdy zwykłe szkło, takie jak popularne szkło sodowo-wapniowe, zawiera oprócz krzemionki również domieszki tlenków sodu, wapnia i innych dodatków poprawiających plastyczność i obniżających temperaturę topnienia, to kwarcowe składa się niemal wyłącznie z czystej krzemionki (SiO₂), często w ponad 99,9%. Ta różnica w składzie przekłada się na wyjątkowe właściwości materiału – odmiana kwarcowa jest znacznie bardziej odporne na wysokie temperatury i szok termiczny. Może pracować w temperaturach sięgających 1100 - 1300°C, a temperatura topnienia wynosi aż około 1713°C, podczas gdy zwykłe szkło mięknie już przy 500–600°C. Lepiej też przepuszcza promieniowanie ultrafioletowe i jest znacznie bardziej chemicznie obojętne, dlatego służy do zadań specjalnych i jest użytkowane w laboratoriach, przemyśle czy nowoczesnych technologiach.

Szkło kwarcowe — zastosowanie

Za właściwy początek produkcji szkła kwarcowego uważa się lata 30. XX wieku, kiedy to opracowano technologię topienia czystego kwarcu (SiO₂) za pomocą łuku elektrycznego. Pierwsze produkty, które powstały w Niemczech i Stanach Zjednoczonych , stosowane były w laboratoriach i branży optycznej. Jednak rozwój technologii topienia i oczyszczania krzemionki pozwolił w kolejnych dekadach na wytwarzanie syntetycznego szkła z kwarcu o jeszcze wyższej czystości. To otworzyło drogę do jego wykorzystania m.in. w przemyśle półprzewodnikowym i laserowym.

Poniżej przedstawiamy kilka najważniejszych obszarów, w których jest stosowane na znaczną skalę:

• Przemysł chemiczny i farmaceutyczny

Szkło SiO₂ wykorzystywane jest do produkcji aparatury laboratoryjnej, reaktorów chemicznych, rur, kolb i naczyń odpornych na działanie silnych odczynników chemicznych oraz wysokiej temperatury.

• Technika oświetleniowa

Ze względu na doskonałą przepuszczalność UV i odporność na wysokie temperatury materiał kwarcowy stosowany jest jako osłona dla lamp UV-C (bakteriobójczych), lamp halogenowych, żarników oraz reflektorów.

• Przemysł elektroniczny i fotonika

W branży elektronicznej stosuje się je w produkcji płytek półprzewodnikowych, światłowodów, soczewek precyzyjnych oraz w urządzeniach laserowych.

• Medycyna i laboratoria

Służy do produkcji naczyń laboratoryjnych, kuwet spektrofotometrycznych, termometrów, probówek i specjalistycznych komponentów do badań biologicznych i chemicznych.

• Przemysł kosmiczny i lotniczy

Z powodu ekstremalnej odporności na temperaturę i promieniowanie szkło z krzemionki stosowane jest w komponentach urządzeń wykorzystywanych w warunkach kosmicznych.

• Dom i technologia użytkowa

Choć rzadziej, to jednak materiał kwarcowy wykorzystywany jest również w sprzętach AGD – np. w okienkach piekarników, grzałkach do ekspresów do kawy, obudowach lamp UV do dezynfekcji.

Od laboratoriów po przemysł – zastosowanie rur, prętów i płyt

Rury, płyty, pręty i niestandardowe wyroby wykonane z czystego materiału krzemionkowego to elementy dla branż wymagających najwyższej precyzji oraz odporności na ekstremalne warunki. Produkty te stosowane są w laboratoriach badawczych, przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, w sektorze półprzewodników i optoelektroniki.

• Rury i pręty o wysokiej przejrzystości optycznej oraz odporności na temperaturę są niezbędne m.in. w instalacjach do przesyłu agresywnych substancji lub w urządzeniach grzewczych.
• Płyty i bloki z tego rodzaju tworzywa wykorzystywane są do budowy osłon termicznych, okienek pomiarowych oraz komponentów urządzeń pracujących w trudnych środowiskach.

Istnieje również możliwość wykonania detali na specjalne zamówienie, zgodnie z dokumentacją techniczną klienta, dlatego można dostosować produkt do konkretnej potrzeby.

Szkło kwarcowe a temperatura topnienia

Jedną z najbardziej przekonujących cech tego materiału jest jego wysoka temperatura topnienia. 1713°C to wartość znacznie przewyższająca temperatury topnienia większości innych rodzajów szkła, więc ten rodzaj może być stosowany w środowiskach ekstremalnie gorących, bez ryzyka deformacji czy rozpadania się jego struktury.

Ta cecha jest szczególnie istotna w przemyśle hutniczym, metalurgicznym, a także wszędzie tam, gdzie występuje kontakt z płynnym metalem lub intensywnym promieniowaniem cieplnym.

Szkło kwarcowe UV – przezroczystość i blokowanie promieniowania

W zależności od rodzaju szkło z krzemionki może być przezroczyste dla promieniowania UV (szkło UV przepuszczalne) i wtedy stosowane jest w lampach dezynfekcyjnych, analizatorach, spektrometrach lub blokujące UV. Szkło UV-blokujące używane jest tam, gdzie należy chronić, np. żywność albo eksponaty muzealne przed szkodliwym promieniowaniem.

Dlatego wybierając ten materiał, warto wiedzieć, do jakiego zakresu widma światła ma być przystosowany. W przemyśle medycznym i laboratoryjnym najczęściej używa się szkła kwarcowego przepuszczającego UV-C, ponieważ umożliwia ono działanie lamp bakteriobójczych.

Szkło kwarcowe — cena

Odpowiedź na pytanie, ile kosztuje szkło SiO₂, nie jest jednoznaczna – wszystko zależy od rodzaju produktu, jego obróbki, wymiarów oraz przeznaczenia.

Cena bowiem może wahać się od kilkunastu złotych za drobne elementy (np. rurki czy pręty), przez kilkaset złotych za precyzyjne szkło optyczne, aż po tysiące złotych w przypadku specjalistycznej aparatury laboratoryjnej czy komponentów przemysłowych. Jednak cena tego materiału idzie w parze z jego wyjątkowymi właściwościami oraz niezawodnością. Sprawdź naszą ofertę szkła kwarcowego.

Czy warto wybrać szkło kwarcowe?

Zdecydowanie tak, jeśli zależy Ci na materiale o najwyższych parametrach technicznych. To rozwiązanie, które sprawdza się wszędzie tam, gdzie zawodzą inne rodzaje szkła. Odporność na wysoką temperaturę, chemikalia, promieniowanie i uszkodzenia mechaniczne sprawia, że ma ono nie tylko wiele zastosowań, ale też realny wpływ na jakość, bezpieczeństwo i wydajność procesów.