Continental Trade Sp. z o. o.

Szkło

Szkło kwarcowe

Jest to szkło o bardzo dużej zawartości czystej krzemionki (SiO≥ 99,9%) pozyskiwanej np. z kwarcytów i kryształów górskich. Jest odporne na działanie wody i silnych kwasów (z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego)  oraz mało odporne (w porównaniu z innymi rodzajami szkła) na działanie alkaliów. Szkło kwarcowe charakteryzuje się wysoką temperatura topnienia i małym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, co sprawia, że jest odporne na nagłe zmiany temperatury (odporne na tzw. szok termiczny). Przepuszcza promieniowanie nadfioletowe oraz podczerwone. Zakres i poziom przepuszczalności promieniowania jest zależny od domieszek zastosowanych podczas wytopu.

W zależności od procesu technologicznego (sposobu wytopu) wyróżnia się:

  • szkło kwarcowe naturalne - dzięki małej zawartości zanieczyszczeń i pierwiastków śladowych nadaje się do pracy w wysokiej temperaturze (>1000ºC) oraz do zastosowań optycznych wymagających przepuszczalności od ultrafioletu do podczerwieni.
  • szkło kwarcowe syntetyczne  - dzięki stosowaniu pirolizy w procesie wytopu uzyskuje się szkło jednorodne o dobrej przepuszczalności dla promieniowania ultrafioletowego (nawet od 170 nm)

Ważnym parametrem w doborze odpowiedniego rodzaju szkła kwarcowego jest przepuszczalność promieniowania elektromagnetycznego. Różne rodzaje szkła przepuszczają w różnym stopniu poszczególne zakresy promieniowania. Poniższy rysunek pokazuje podział widma promieniowania elektromagnetycznego na zakresy i podzakresy w odniesieniu do podczerwieni i ultrafioletu.

Spectrum promieniowania elektromagnetycznego

Zależnie od aplikacji, należy dobierać szkło kwarcowe generujące ozon (obszar VUV) lub działające bakteriobójczo (obszar UV-C). Bliska i średnia podczerwień (obszary NIR, MIR) wykorzystywane są przy ogrzewaniu i suszeniu. Szkła kwarcowe, zależnie od rodzaju, przepuszczają dobrze promieniowanie z zakresu od UV-C do MIR (od ok. 100 nm do 3 500 nm). Wykres przepuszczalności promieniowania elektromagnetycznego (światła) jest pokazany dla każdego omawianego poniżej rodzaju szkła kwarcowego.

Szkło kwarcowe JGS-1
Przepuszczalność szkła JSG-1
Przepuszczalność szkła JSG-1

Szkło kwarcowe JGS-1

JGS-1 jest odpowiednikiem szkła  Suprasil 1 i Suprasil 2 (Heraeus), Spectrosil A i Spectrosil B (Saint-Gobain) oraz Corning 7940 (Corning), Dynasil 1100 and Dynasil 4100 (Dynasil). Jest wytwarzane z syntetycznej krzemionki  o bardzo wysokiej czystości (SiO2 ponad 99,9999%). Bezbarwne szkło kwarcowe łączy niski współczynnik rozszerzalności cieplnej z dobrymi właściwościami optycznymi i doskonałą przepuszczalnością w ultrafiolecie. Szkło JGS-1 jest przejrzyste w ultrafiolecie i paśmie widzialnym. Zawiera domieszki grupy OH powodujące słabą przepuszczalność podczerwieni w przedziałach 1,4 µm, 2,2 µm oraz 2,7 µm..

Szkło JGS-1 jest wykorzystywane w zakresie długości fal od głębokiego ultrafioletu poprzez zakres widzialny (soczewki laserowe, okna, pryzmaty, ogniwa słoneczne, itp). Szkło to jest praktycznie wolne od pęcherzyków i inkluzji.

Szkło kwarcowe JGS-2
Przepuszczalność szkła JSG-2
Przepuszczalność szkła JSG-2

Szkło kwarcowe JGS-2

JGS-2 jest odpowiednikiem szkieł: GE214,  Homosil 1, 2 i 3 (Heraeus), Dynasil 1000, 4000, 5000 i 6000 (Dynasil). Jest wytwarzane z syntetycznej krzemionki  o bardzo wysokiej czystości (SiO2 ponad 99,99%). Zapewnia dobrą przepuszczalność światła widzialnego i ultrafioletu. Jest dobrym materiałem dla zastosowań w paśmie od 220 nm do 2500 nm. Właściwości fizyczne i chemiczne ma zbliżone do szkła JGS-1. Może zawierać niewielką ilość bąbelków i inkluzji. Najczęstsze zastosowania to: optyka, urządzenia wysokotemperaturowe i wysokociśnieniowe, szkła wzierne, szkiełka mikroskopowe.

 

Szkło kwarcowe JGS-3
Przepuszczalność szkła JGS-3
Przepuszczalność szkła JGS-3

Szkło kwarcowe JGS-3

JGS-3 jest odpowiednikiem szkła Suprasil 300 (Heraeus). Jest wytwarzane z syntetycznej krzemionki  o bardzo wysokiej czystości. Łączy w sobie doskonałe właściwości fizyczne z bardzo dobrymi cechami optycznymi. Jest przezroczyste w szerokim zakresie pasma, począwszy od głębokiego ultrafioletu do pełnej podczerwieni. Jest to materiał o doskonałej przepuszczalności światła. Zwykle stosowany w podczerwieni, ale także w implementacjach wymagających szerokiego zakres długości fali od UV-d do IR-m.

Szkło JGS-3 stosuje się przy zakresach fal od 260 nm do 3500 nm.

Porównanie własności szkieł grupy JGS
Porównanie przepuszczalności szkiel JGS-1, JGS-2, JGS-3
Porównanie przepuszczalności szkiel JGS-1, JGS-2, JGS-3

Szkła kwarcowe JGS-1, JGS-2 i JGS-3 różnią się przede wszystkim zakresem przepuszczanego promieniowa elektromagnetycznego:

  • szkło JSG-1 - przepuszcza promieniowanie ultrafioletowe, praktycznie pozbawione bąbelków i inkluzji, zakres zastosowań już od 170 nm do 2500 nm; nie przepuszcza zakresu 2600 - 2800 nm, tłumi promieniowanie podczerwone
  • szkło JSG-2  - dobra przepuszczalność światła widzialnego i ultrafioletu; może zawierać niewielkie ilości bąbelków i inkluzji, jest dobrym materiałem dla zastosowań w paśmie od 220 nm do 2500 nm; nie przepuszcza zakresu 2600 - 2800 nm
  • szkło JSG-3  - przepuszcza dobrze promieniowanie podczerwone, dobry materiał dla zastosowań w paśmie 260 nm do 3500 nm.

 

Własności fizykochemiczne powyższych szkieł są zbliżone i zostały pokazane poniżej.

Typowe właściwości szkieł kwarcowych  JGS-1, JSG-2 i JSG-3:

Średnia przepuszczalność dla ultrafioletu i podczerwieni [%]

Długość fali [nm]/
rodzaj szkła
185 220 240 300 2500 2700 2800 Zakres zastosowań
[nm]
JGS-1 >85 >85 >87 >90       185~2500
JGS-2   >80 >75 >80       220~2500
JGS-3     >50 >80 >85 >75 >75 260~3500

Gęstość oraz współczynnik rozszerzalności liniowej

Rodzaj szkła Gęstość [g/cm3] Współczynnik rozszerzalności liniowej(α×10ˉ7/℃)
0℃ 50℃ 100℃ 300℃ 500℃ 800℃ 1000℃
JGS-1 2.201 3.9 4.8 5.15 6.12 5.4 4.65 4.26
JGS-2 2.203 3.9 4.8 5.15 6.12 5.4 4.65 4.26
JGS-3 2.203 3.9 4.8 5.15 6.12 5.4 4.65 4.26

Pozostałe parametry

Parametr Wartość
Czystość SiO2:99.95-99.99%
Moduł sprężystości Young'a 72 GPa
Liczba Poissona 0,14 - 0,17
Twardość wg skali Mohs'a 5,5 - 6,5
Wytrzymałość na ściskanie 1 100 N/mm2
Wytrzymałość na rozciąganie 48  N/mm2
Wytrzymałość na zginanie 67 N/mm2
Przewodność cieplna 1,4 W/(m K)
Ciepło właściwe 0,670 kJ/(kg K)
Punkt wyżarzania 1215 °C
Punkt mięknięcia 1683 °C
Odporność na szok termiczny ΔT  >1 400 °C
Maksymalna temperatura pracy 
 - stała 1 100 °C
 - chwilowa 1 300 °C

Właściwości optyczne

Wsp. załamania światła

Kod zakresu/

rodzaj szkła

∩g ∩F ∩e ∩d ∩D ∩c
JGS-1 1.46669 1.46314 1.46007 1.45847   1.45637
JGS-2 1.46679 1.46324 1.46021 1.45857   1.45646
JGS-3 1.46679 1.46324 1.46021 1.45857   1.45646

Właściwości chemiczne

Odporność na wodę
   Test wg  ISO 719 (w 98 °C): klasa HGB 1 
   Test wg  ISO 720 (w 121 °C): klasa HGA 1 

Odporność zasadowa
   Test wg DIN 52 322 (zgodnie z ISO 695): klasa A2

Odporność kwasowa
   Test wg DIN 12 116: klasa 1

Właściwości elektryczne

Opór właściwy 
   dla   20°C = 1 x 1016 Ω cm 
   dla  400°C = 1 x 108 Ω cm 
   dla  800°C = 6,3 x 104 Ω cm 
   dla 1200°C = 1,3 x 103 Ω cm

Właściwości dielektryczne

Dla 25° C i 1 MHz: 
   stała dielektryczna εr=3,7 - 3,9 
   tangens strat tgδ =1 x10-4

 

 

Jest wiele różnych terminologii stosowanych w nazewnictwie szkieł kwarcowych. W poniższym dokumencie (gotowym do pobrania) omawiamy niektóre z nich, a także podajemy najważniejsze informacje dotyczące właściwości i dziedzin aplikacji szkieł z grupy JGS-x. 

Tabela odporności chemicznej szkieł kwarcowych

Tabela odporności chemicznej szkieł kwarcowych.

 

Szkło kwarcowe matowe JGSM
Przepuszczalność OM 100 i innych kwarców
Przepuszczalność OM 100 i innych kwarców

Szkło kwarcowe matowe JGSM

Matowość szkła kwarcowego uzyskuje się przez dodanie powietrza w procesie topienia piasku kwarcowego. W temperaturze ok. 2000 ˚C powstaje szklisty materiał z dużą ilością pęcherzyków gazowych, powodujących rozpraszanie światła i nadających materiałowi matowość.

O jakości materiału decyduje równomierność rozłożenia pęcherzyków, ich wymiary oraz kształt. Liczne małe pęcherzyki (ok. 10 µm) lepiej rozpraszają światło, niż pęcherzyki duże i  nieliczne (np. 50 – 150 µm) – dające gorszy efekt matowości, szczególnie przy małych grubościach materiału .

Szkło kwarcowe matowe (Opaque Quartz), dzięki rozpraszaniu promieniowania w mikroporach, jest bardzo dobrym izolatorem termicznym, blokuje promieniowanie podczerwone IR, ma mikroporowatą strukturę o wysokiej gęstości i gładkiej powierzchni. Może być obrabiane mechanicznie przy rozsądnych kosztach. Jest nieprzezroczyste, może być stosowane w wysokich temperaturach (stała temperatura pracy do 1100 ˚C) i  w środowisku agresywnym chemicznie.

Niska porowatość materiału pozwala na uzyskanie właściwości zbliżonych do kwarcu topionego, przy jednoczesnej możliwości spawania gazowego bez kurczenia się materiału i przy zachowaniu gładkich spoin. Może być łączone z kwarcem przezroczystym.

Jeśli zastosuje się polerowanie płomieniowe, to wierzchnie mikropory zasklepiają się, tworząc czystą i gładką powierzchnię. Nie powstaje tzw. efekt „skórki pomarańczowej”. Poza kosmetyczną poprawą wyglądu, gładsza powierzchnia umożliwia stosowanie cienkich uszczelek w zastosowaniach próżniowych. Ponadto zmniejszona porowatość powierzchni zwiększa odporność materiału na działanie kwasu fluorowodorowego (HF). Powierzchnie wygładzane płomieniowo pozostają gładkie nawet po długotrwałym działaniu kwasu HF.

Zalety materiału:

  • doskonały izolator termiczny
  • blokowanie promieniowania UV i IR
  • wysoka maksymalna temperatura pracy
  • bardzo gładka powierzchnia
  • wysoka czystość chemiczna
  • wysoka odporność chemiczna
  • dobra wytrzymałość mechaniczna
  • nie kurczy się podczas polerowania ogniowego,
  • daje się łatwo spawać z kwarcem przezroczystym,
  • łatwe uszczelnianie w zastosowaniach ciśnieniowych.

Odporność na działanie 5% kwasem fluorowodorowym (HF)

Odporność na działanie 5% kwasem fluorowodorowym (HF)

Specjalistyczne zastosowania wymagające zwiększonej odporności chemicznej i termicznej oraz wysokiego i jednolitego poziomu rozpraszania promieniowania powinny opierać się o wykorzystanie materiałów produkowanych przez uznanych producentów np. Heraus (OM100, Rotosil  OFM 70,  OFM 370, OFM 970 OSC), czy  Momentive (GE514, GE544).  

Standardowe zastosowania, wymagające jedynie rozpraszania światła w połączeniu z wysoką temperaturą pracy mogą być zrealizowane w oparciu o materiały alternatywnych producentów oferujących materiały o zbliżonych właściwościach ale efektywniejsze kosztowo.

Porównanie niektórych właściwości materiału OM100 z jego odpowiednikami przedstawiają zamieszczone wykresy.

Dane prezentowane w niniejszym opracowaniu oparte są na najlepszej wiedzy. Continental Trade zastrzega sobie możliwość ich aktualizacji i wprowadzania zmian zgodnie z postępem wiedzy i techniki. Podane dane nie są jednak podstawą przyjęcia odpowiedzialności za poprawne funkcjonowanie, które jest uwarunkowane wieloma czynnikami, wymagającymi rozpoznania dla każdego indywidualnego przypadku.