Διερεύνηση των παραγόντων που επηρεάζουν τη φθορά των γυάλινων επιφανειών

Abstract

Το γυαλί είναι ένα υλικό, που χρησιμοποιήθηκε από τους αρχαιότατους χρόνους. Τα πρώτα αντικείμενα από γυαλί, που χρονολογούνται από τις αρχές της παλαιολιθηκής εποχής, ήταν μαχαίρια και αιχμές βελών από λεπτά φύλλα οψιδιανού [4]. Οι βασικές τεχνικές κατασκευής του είναι πανάρχαιες και πολλές σύγχρονες τεχνικές και διεργασίες είναι απλώς βελτιώσεις και εκμηχάνιση των παλαιών τεχνικών . Τα αρχαιότερα παραδείγματα γυαλιού, που κατασκευάστηκε από τον άνθρωπο βρέθηκαν στα απομεινάρια των πολιτισμών της Μέσης Ανατολής. Η πρώτη σημαντική ανακάλυψη στην υαλουργία ήταν η εφεύρεση του υαλουργικού υάλου, ισάξια με αυτή του τροχού της αγγειοπλαστικής. Η ραγδαία αύξηση του πληθυσμού και η τάση προς αστικοποίηση στην Ευρώπη του 19ου αιώνα καθώς επίσης και στην Αμερική αύξησαν τις απαιτήσεις σε γυαλί. Το γυαλί πλέον βρίσκει εφαρμογές σε πολλούς τομείς της σύγχρονης ανθρώπινης δραστηριότητας, γι’ αυτό και η ανακύκλωση του κρίνεται ως επιτακτική με στόχο την διαφύλαξη και προστασία του περιβάλλοντος καθώς και την ορθολογική χρήση αποθεμάτων καυσίμων και ορυκτών. Οι εφαρμογές στις οποίες γίνεται χρήση του γυαλιού είναι πολλές και ποικίλλουν. Το γυαλί χρησιμοποιείται ως υλικό διακόσμησης, οικοδομικό και μονωτικό υλικό, στα φωτοβολταϊκά, σε συσκευασίες τροφίμων και άλλων υλικών, όπως επίσης και σε γυαλιά οράσεως. Η παρούσα εργασία αποσκοπεί να συμβάλλει στον έλεγχο και την διερεύνηση των παραγόντων που επηρεάζουν και φθείρουν τις υάλινες επιφάνειες αφενός μεν για την ασφαλή και υγιεινή χρήση του και αφετέρου στην επαναχρησιμοποίηση του για την παραγωγή νέου γυαλιού. Ειδικότερα εξετάζεται η συμπεριφορά γυάλινων φιαλών σε περιβάλλον νιτρικών (ΝΟ3-), θειϊκών (SO42-), χλωριόντων (Cl-) και ιόντων νατρίου (Na+), και κατά συνέπεια σε σχέση με το pH δημιουργόντας όξινα, ουδέτερα και βασικά διαλύματα και την θερμοκρασία (60 και -15 οC). Η πειραματική διαδικασία χωρίστηκε σε τέσσερα μέρη όπου μελετήθηκαν: i. η φθορά του εσωτερικού των γυάλινων φιαλών με χρήση ολόκληρων των φιαλών ii. η φθορά της εξωτερικής επιφάνειας των φιαλών με χρήση κομματιών φιαλών iii. σκόνη γυαλιού από τις φιάλες, με σκοπό τη μελέτη τους στις χειρότερες συνθήκες καθώς και την μελέτη της επίδρασης στη δομή του γυαλιού iv. οι επικαθίσεις που εντοπίστηκαν μέσα στις φιάλες στο τέλος του κύκλου των πειραμάτων Ο χαρακτηρισμός καθώς και ο προσδιορισμός του ποσοστού και του μηχανισμού της φθοράς σε κάθε περίπτωση μελετήθηκε με διάφορες μεθόδους ανάλυσης όπως η Φασματομετρία Ατομικής Απορρόφησης, η Φασματοσκοπία Υπερύθρου με Μετασχηματισμό Fourrier, η Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης, ο υπολογισμός του ζ-Δυναμικού, η Προφιλομετρία, η Περίθλαση Ακτίνων –Χ και ο Φθορισμός Ακτίνων –Χ. Η μελέτη των λειοτριβιμένων γυάλινων φιαλών έδειξε ότι η φθορά είναι εντονότερη σε αλκαλικό περιβάλλον σε σχέση με το όξινο περιβάλλον το οποίο φάνηκε από την συγκέντρωση ιόντων Si και Ca στα διαλύματα. Το συμπέρασμα αυτό ενισχύθηκε από τις μετρήσεις με FT-IR όπου φάνηκαν μεταβολές στους κύριους κυματαριθμούς του πυριτικού δικτύου καθώς και από τις μετρήσεις του ζ-δυναμικού. Περαιτέρω μελέτη στο εσωτερικό και το εξωτερικό των φιαλών επιβεβαίωσε τα παραπάνω αποτελέσματα αλλα σε μικρότερο βαθμό όπως αναμενόμενο δεδομένου ότι στο λειοτριβιμένο γυαλί αναμένεται μέγιστη φθορά. Επίσης, φάνηκαν διαφορές κατά την μελέτη των φιαλών στους 60οC και στους -15οC καθώς στους -15οC παρατηρήθηκε μικρή αναστολή της φθοράς. Τέλος, διακριτές διαφορές στην έκταση και τον ρυθμό της φθοράς παρατηρήθηκαν ανάμεσα στις γυάλινες φιάλες που προέρχονται απευθείας από την γραμμή παραγωγής σε σχέση με αυτές που ήταν αποθηκευμένες σε εξωτερικό χώρο. Οι φιάλες που ήταν αποθηκευμένες παρουσίασαν μεγαλυτερη έκταση φθοράς καθώς και ρυθμό. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας θα παρουσιαστούν στο 3ο Πανελλήνιο Συνέδριο «Αξιοποίηση Βιομηχανικών Παραπροϊόντων στη Δόμηση» το οποίο θα διεξαχθεί στη Θεσσαλονίκη στις 24-25 Σεπτεμβρίου 2012. Η περίληψη της εργασίας με τίτλο «Φθορά υάλινων επιφανειών και επίδραση της στις εφαρμογές αυτών» έχει γίνει δεκτή.

Glass is a product that has been used since ancient times. The first glass items discovered date as early as the Stone Age and primarily consist of daggers and arrow tips made out of thin obsidian sheets. The primary glass manufacturing techniques are indeed ancient and more recent ones can be regarded essentially as improvements and mechanizations of the older ones. The earliest specimens of man-made glass are to be found in Middle-Eastern civilization excavations. As far as glass manufacturing is concerned the most important invention was the one of hyaluronic glass, the significance of which can be compared to the one of the invention of the wheel for angioplasty. The exponential rise of the human population in both Europe and the United States during the 19th century and the move towards urbanization led to an increased demand for glass. In present times, glass is used in numerous sectors of modern human activity and as such the importance of recycling cannot be overstressed in an effort to preserve and protect the environment, but also in order to have a more rational use of the fuel and mineral reserves. The use of glass ranges from decorative purposes, building and insulating material and photovoltaics to food and other products packaging and seeing glasses. The present study aims at contributing to the examination and investigation of the parameters that affect and lead to degradation of the glass surfaces in order to ascertain their safe and hygienic use as well as their reuse for the production of new glass. More specifically purpose of the present study is to examine the behaviour of glass in environmental conditions of several types of anions such as nitrate, sulfate, chlorate and carbonate and cations such as H+ and Na+ and consequently in relation to the pH by creating acidic, neutral and basic solutions and finally in correlation to temperature (60 and -15 οC). The experimental part has been divided into four parts, with each one examining respectively: i. The degradation of the inner surface of glass bottles using intact bottles. ii. The degradation of the outer surface of glass bottles using bottle fragments. iii. Glass powder from bottles exposed in the worst possible conditions and the effect on the structure of glass. iv. The deposits that were detected inside the glass bottles after the experiments on them were conducted. The characterization as well as the determination of the percentage and the mechanism of the degradation was examined by applying different methods of analysis, including Atomic Absorption Spectrophotometry, Infrared Spectrometry with Fourrier Transformation, Scanning Electron Microscopy, Z-Potential Calculation, Profilometry, X-Ray Diffraction and X-Ray Fluorescents. The study of the grinded glass bottles has revealed that the degradation is greater in an alkaline environment compared to an acidic one, as it can be deducted from the Si and Ca ion concentrations in the solutions. These findings are reinforced by the FT-IR measurements, which indicate fluctuations regarding the primary wavenumbers of silicate network , as well as by the Z-Potential measurements. Further examination of both the inner and outer surface of the bottles confirmed the above findings, albeit to a smaller degree, which was to be anticipated, since maximum degradation was indeed expected to occur in the grinded glass. Moreover, further variations were revealed during the study of the bottles in the environments of 60οC and -15οC, since as far as the latter was concerned a small suspension of degradation was observed. Finally, apparent variations regarding the extent and the progress of the degradation were to be observed between the glass bottles directly acquired from the production line and those acquired from open storage. The bottles that were stored exhibited a higher degree of degradation both in terms of the extent and the progress. The results of the present study will be presented at the 3rd National Conference ‘For the Utilization of By-Products in Construction’ that will be held in Thessaloniki on the 24th-25th of September 2012. The abstract of this study titled ‘Degradation of glass surfaces and its effect on their application’ has been accepted.