Akademia Górniczo Hutnicza Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Chemii Krzemianów i Związków Wielkocząsteczkowych Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Kierunek studiów: Technologia chemiczna Specjalność: Analityka i kontrola jakości Laboratorium: Analiza strukturalna materiałów Ćwiczenie 4: Materiały optyczne: synteza. Prowadzący: mgr inż. Renata Szal (renata.szal@agh.edu.pl) 2018/2019 1
1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest synteza materiałów optycznych klasyczną metodą polegająca na wysokotemperaturowym topieniu zestawu w piecach. W trakcie ćwiczenia studenci będą przeprowadzać obliczenia w celu otrzymania składu wagowego szkła optycznego, przygotowywać naważkę wyżej wspomnianego szkła, mieszać, homogenizować, przeprowadzać proces topienia zestawu w piecu oraz wylewać szkło w wysokiej temperaturze. 2. Wprowadzenie teoretyczne / obowiązujący zakres materiału Szkło substancja stała przechodząca stopniowo bez krystalizacji (i w sposób odwracalny) ze stanu ciekłego do stałego, tzn. takiego w którym ich lepkość jest większa od 10 13 Pa s. Szkło nie charakteryzuje się temperaturą transformacji, a jedynie przedziałem temperatur w którym stopniowo przechodzi ze stanu ciekłego w stały zakres temperatur transformacji T g. Według Zachariasena (teoria z 1932 r.) strukturę szkła budują jednostki podstawowe które stanowi tetraedr [SiO 4 ]. Jednostka ta to atom krzemu znajdujący się w centrum oraz atomy tlenu umiejscowione w rogach tetraedru. Połączenie między krzemem a tlenem ma charakter wiązania jonowo-kowalencyjnego. W odróżnieniu od kryształów, szkło jako materiał amorficzny charakteryzuje się brakiem uporządkowania dalekiego zasięgu. 2
W zależności od roli jaką pełni dany składnik szkła w budowie szkieł tlenkowych możemy wyróżnić: Tlenki szkłotwórcze tworzące więźbę szkła: tlenki Si, B, Ge, As, P Tlenki modyfikujące zrywają wiązania między elementami więźby szkła: tlenki Ba, Na, K, Ca, Mg Tlenki pośrednie mogą pełnić funkcję modyfikującą ale też więźbo twórczą w zależności od rodzaju i ilości towarzyszących im składników budowy szkła: tlenki Al, Pb, Ti, Zn, Cd, Be, Zr Barwniki tworzą centra barwne w szkle: tlenki metali przejściowych Szkła nieorganiczne można syntetyzować trzema metodami: wysokotemperaturowa metoda klasyczna, niskotemperaturowa metoda zol-żel oraz synteza pod ciśnieniem. Metoda wysokotemperaturowa polega na otrzymywaniu fazy ciekłej z przygotowanej mieszaniny (zestawu) substancji szkłotwórczych, poprzez ich topienie w piecu w odpowiedniej warunkach (prędkość ogrzewania, temperatura, czas topienia). Obliczone ilości poszczególnych surowców odważa się, zwracając szczególną uwagę na czystość wykonywanych działań, aby nie wprowadzić do zanieczyszczeń. Następnie odważki miesza się oraz homogenizuje mieszaninę. Tak przygotowane próbki przenosi się do pieca elektrycznego i wytapia w wysokiej temperaturze (od 900 C nawet do 2000 C). Czas wygrzewania próbek w piecu jest uzależniony od składu chemicznego szkła. Otrzymana w piecu faza ciekła ulega przechłodzeniu i ulega przemianie w fazę szklistą - witryfikacja. Szybkość przechłodzenia fazy ciekłej ma wpływ na temperaturę zeszklenia, której wartość jest różna dla szkieł o tym samym składzie chemicznym. Próbki poddane procesowi zeszklenia przeprowadzonym w różnych temperaturach, mimo tego samego składu jakościowego i ilościowego mogą mieć różne właściwości. Odpowiednio szybki proces chłodzenia szkła pozwala na przejście ze stanu ciekłego w stan szklisty. Wysokotemperaturowa metoda topienia szkła pozwala na otrzymywanie różnorodnych matryc szklistych. Do głównych zalet metody wysokotemperaturowego topienia należy krótki czas wytopu szkła, w porównaniu do innych metod otrzymywania układów szklistych. Natomiast wadą jest konieczność posiadania pieca z szerokim zakresem temperaturowym oraz możliwość zanieczyszczenia próbki niechcianymi tlenkami lub innymi związkami a także możliwość powstawania pęknięć na szkle Literatura: M. Handke, M. Rokita, A. Adamczyk: Krystalografia i Krystalochemia dla Ceramików, str. 273-282. 3
3. Przebieg ćwiczenia 1. Obliczanie składów szkieł i zestawów surowcowych Przeliczanie składu szkła z %molowych na zawartość gramową w próbce: Krok I: obliczanie wagowej zawartości każdego tlenku z i w szkle: - zawartość składnika w %molowych [%mol] - masa molowa składnika [g/mol] Krok II: obliczamy sumę wagowych zawartości składników Σz i Krok III: obliczamy zawartość poszczególnych tlenków w %wagowych Z i : Krok IV: ustalamy wagę całkowitą zestawu M c oraz na podstawie zawartości poszczególnych składników wyrażonych w %wagowych obliczamy zawartość gramową składników w próbce: 2. Przygotowanie zestawu surowców do wytopu szkła Przygotowujemy odpowiednie odczynniki oraz tabelką zawierającą zawartości gramowe poszczególnych składników w zestawie. Naważamy poszczególne składniki próbki oraz homogenizujemy zestaw. Zważone i zhomogenizowane składniki umieszczamy w platynowym tyglu. 4
3. Topienie szkła Wstawiamy platynowy tygiel wraz z naważonym zestawem surowcowym do pieca. Ustawiamy odpowiednie parametry procesu topienia na sterowniku i włączmy piec. Piec znajdujący się obok nagrzewamy do temperatury potrzebnej do odprężenie otrzymanej następnie próbki. Po odpowiednim czasie ze szczególną ostrożnością wylewamy szkło na stalową podkładkę odprowadzającą ciepło. Przenosimy otrzymaną próbkę do pieca w celu zminimalizowania działania naprężeń znajdujących się w szkle. Próbkę pozostawiamy w piecu na minimum 1h. Tak otrzymana próbka szkła posłuży następnie do pomiarów optycznych na kolejnych zajęciach laboratoryjnych. 4. Opracowanie wyników Sprawozdanie powinno zawierać: Temat ćwiczeń, imię i nazwisko, nr albumu, nr. grupy, datę, cel ćwiczenia przebieg ćwiczenia ze szczegółowym opisem wykonywanych czynności oraz niezbędnymi obliczeniami, podsumowanie/wnioski (minimum 5 zdań złożonych) 5. Uwagi Każdy student zobowiązany jest do zaopatrzenia się w: fartuch laboratoryjny, okulary, kalkulator, układ okresowy, zestaw do notowania. Podstawa zaliczenia: poprawnie wykonane sprawozdanie z zajęć, pozytywny wynik kolokwium (Grupa I pisze kolokwium 14.11.2018 z zakresu syntezy materiałów optycznych oraz pomiarów właściwości luminescencyjnych. Grupa II natomiast kolokwium pisze podczas ćwiczeń dotyczących pomiarów luminescencyjnych tj. 05.12.2018 z tego samego zakresu co grupa I). 5