Wynalazek niniejszy dotyczy skladu chemicznego szkla na retorty, laboratoryj¬ ne naczynia szklane i wogóle na naczynia szklane, które musza miec przedewszyst- kiem wysoki, zgóry oznaczony spólczyn- nik wytrzymalosci termicznej i duza od¬ pornosc na dzialania chemiczne. Jest wia¬ dome, ze pewne skladniki szkla, uzyte do wyrobu masy szklanej, daja albo jeden albo drugi zadany wynik, lecz, przeciw¬ dzialaja równoczesnie innym pozadanym wlasciwosciom szkla. Przed rzeczywista próba nie mozna orzec jak wplynie zmia¬ na wzajemnego stosunku róznych skladni¬ ków na poszczególne wlasciwosci szkla.Wynalazek polega wiec na doborze pew¬ nych znanych skladników w takim stosun¬ ku wzajemnym, iz szklo wytworzone po¬ zwala zestawic te wlasciwosci tak, ze sta¬ je sie ono przydatne do wymienionych na wstepie celów. ¦ Wplyw czesci skladowych szkla (kwas krzemowy, kwas borowy, alkalja i glinka) na wlasciwosci szkla jest rzecza znana. Kwas krzemowy zwieksza twar¬ dosc topienia, zmniejsza wspólczynnik rozszerzalnosci i zwieksza odpornosc na wplywy chemiczne. Kwas borowy jest zna¬ nym srodkiem topnikowym, który zmniej¬ sza wspólczynnik rozszerzalnosci, zas w polaczeniu z kwasem krzemowym zwiek¬ sza odpornosc na wplywy chemiczne. Za¬ wartosc alkaljówl zmniejsza wspólczynnik rozszerzalnosci, zas glinka czyni szklotrudno fopHwemt zwieksza odpornosc na wp|ysw£ chemiczne oraa zapobiega odszkle- niu. Szklo'skladajace sie z kwasu krzemo¬ wego, kwasu borowego, akaljów i glinkif wskutek tego ze zawiera kwas borowy, be¬ dzie latwiej tojpliwem, anizeli czyste szklo kwarcowe, oraz bedzie posiadac mniejszy wspólczynnik rozszerzalnosci. Jezeli jed¬ nak zmienic procentowa zawartosc jednego z tych skladkiików, to szklo uzyska inne wlasciwosci* przyczem moze powstac zmia¬ na niekorzystna, to jest moze sie zwiek¬ szyc hartownosc (Schmelzharte) lub tez zmniejszyc odpornosc na wplywy chemicz¬ ne, lub wreszcie zwiekszy sie wspólczyn¬ nik rozszerzalnosci. W ten sposób zwiek¬ szenie zawartosci kwasu krzemowego po¬ woduje trudnosci przy topieniu* Soda jest skutecznym srodkiem topni¬ kowym, lecz moze ona jednak byc stoso¬ wana w malych ilosciach, azeby nie wply¬ wac ujemnie na wspólczynnik rozszerzal¬ nosci Powstaja stad jednak trudnosci przy topieniu. Jezeli bowiem celem ulatwienia topienia zwiekszyc zawartosc sody, to wy¬ wola sie zwiekszenie wspólczynnika roz¬ szerzalnosci. Jezeli zawartosc kwasu bo¬ rowego zwiekszac w stosunku do zawarto¬ sci kwasu krzemowego, celem zmniejsze¬ nia wspólczynnika rozszerzalnosci, to zno¬ wu odpornosc stanie sie zbyt mata Jezeli zas dodac wiecej glinki celem zwiekszenia tej odpornosci oraz aby zapobiec odszkle- niu,, to powstaje znowu niebezpieczne zwiekszenie sie wspólczynnika rozszerzal¬ nosci oraz; wzrost hartowania (Schmelzhar¬ te). Mówiac krócej* celem uzyskania znacz¬ nego postepu w przygotowaniu szkla, nale¬ zy znalezc taki sklad szkla, któryby na¬ dawal szklu wspomniane wlasciwosci, acz¬ kolwiek niema prawidla,, któreby pozwala¬ lo na obliczenie zgóry takiego wyrówna¬ nia.Ogólnie mówiac wynalazek dotyczy wyrobu szkla, odpowiadajacego nastepuja¬ cym warunkom:: Musi byc to szklo kwarcowe o wyso¬ kiej wytrzymalosci, o linj owym spólczyn- niku rozszerzalnosci wynoszacym mniej niz 0,000094 i o duzem przewodnictwie cie¬ pla (wiecej jak 0,0028).Stosunek molekularny kwasnych krze¬ mianów do skladników zasadowych winien byc wiekszy niz 13 : 1 (skutkiem czego be¬ dzie wielka odpornosc na wplywy chemicz¬ ne i maly spólczynnik rozszerzalnosci), a mianowicie twardosc wynosic ma mniej niz 900*.Stosunek molekularny tlenków kwa¬ snych do tlenków zasadowych nie powi¬ nien byc mniejszy, niz 15 : 1.Szklo powinno posiadac spólczynnik termicznej wytrzymalosci, wiekszy od 6.Odpornosc chemiczna winna byc wiek¬ sza od 0r002 g (100 cm2 wedlug miary po¬ nizej! podanej).W szczególnosci wynalazek dotyczy szkla krzemowego, w którem niema znacz¬ niejszych ilosci tlenków grupy drugiej perjodycznego systemu i które zawiera ponad 75% kwarcu i posiada wytrzyma¬ losc okolo 800°C.Za przyklad niech sluza nastepujace skladniki: Si03 520, Na%0 AltOi.GfcA Li20 A 70 20 4 6 — — B, 80,6 13 4,4 2 — — B2 80J9 12,9 4,4 13 — — Razem 100. 100. 100. tOO. lOtt WK Jezeli porównac te przyklady ze soba,, to oczywiscie nie mozna twierdzic, ze po¬ wiekszanie zawartosci kwasu; krzeawwe- go powoduje zumiej &z*aie zawartosci kwa¬ su borowego (patrz przyklad X, który prze- czy temu prawidlu). Równiez me mozna ustalic prawidla, w stosunku do szkla A, B,. G„ E, Eta stopien i miare zmniejszania - 2 —zawartosci kwasu borowego. Przy za¬ wartosci 20% kwasu borowego wedlug przykladu A, zawartosc tlenku sodowego wynosi tylko 4%, przy zawartosci 13% kwasu borowego zawartosc tego tlenku jest nieco wieksiza, wynosi bowiem 4,4%, zawartosc zas tego tlenku, przy zastoso¬ waniu 6% kwasu borowego, jest znowu mniejsza i wynosi mianowicie tylko 3%, To samo zachodzi przy glince, W przykla¬ dzie C zawartosc glinki wynosi 1 % w po¬ równaniu do przykladu B2, w którym za¬ wartosc ta równa sie 1,8% przy wiekszej zawartosci kwasu borowego, oraz w po¬ równaniu do przykladu E, w którym za¬ wartosc glinki wynosi 2% przy mniejszej zawartosci kwasu borowego.Szkla o takim skladzie maja nastepu¬ jace wlasciwosci fizyczne.Linj owy spólczynnik rozszerzalnosci mniejszy od 0,000004 pomiedzy 20°C i 300°C (spólczynnik rozszerzalnosci szkla A wynosi 0,0000037, szkla Bx 0,0000034, szkla B2 0,0000033, szkla G 0,0000023, szkla D 0,0000022).Wzglednie wysoki wspólczynnik we¬ wnetrznego przewodzenia ciepla np. 0,0028 kalorji na sekunde na 1°C róznicy tempe¬ ratur przy 1 cm2 powierzchni plyty 1 cm grubej dla szkla o skladzie A, Bx i B2, zas okolo 0,0030 dla szkla o skladzie C.Ciagliwosc, modul elastycznosci, ge¬ stosc i cieplo wlasciwe w takich warto¬ sciach powoduja to, ze szklo otrzymuje w polaczeniu z jego rozszerzalnoscia i zdolnoscia przewodzenia wysoki spólczyn¬ nik wytrzymalosci na cieplo. Ten spól¬ czynnik wytrzymalosci, to jest odpornosc na silne zmiany temperatur, wynosi podlug Winkelmanna i Schotta (Annalen der Physik und Chemie tom 11, strona 730 1894 r. i podlug Dr. H. Hovestadta: Szkla Jena, Jena 1900, strona 248, 49) F P a E K a c oznacza spólczynnik termicznej wytrzy- 11 11 11 11 11 U malosci, wytrzymalosc na ciagnienie, linjowy spólczynnik ro&zerzal- nosci, spólczynnik elastycznosci Yon- ga, absolutna zdolnosc przewodze¬ nia ciepla, ciezar wlasciwy, cieplo wlasciwe.Gdy wstawi sie do tego wzoru spól¬ czynnik rozszerzalnosci objetosciowej za¬ miast rozszerzalnosci linjowej, otrzyma sie Vs F, i ta wartosc Vs F uzywana jest do porównania szkla. Otrzymane przez Winkelmanna i Schotta wartosci na F/3 dla szkla o rozmaitym skladzie leza miedzy 1, 17 i 4,84.W obliczeniu swem Winkelmann i Schott uzywaja wartosci na wytrzymalosc na ciagnienie, które sa bezwatpienia za male. Posluguja sie przytem metoda, o której sami powiadaja, ze daje za niskie wartosci. Aby porównac odpornosc ter¬ miczna szkla wynalezionego z wartosciami otrzymanemi przez Winkelmanna i Schot¬ ta, posluguja sie wartoscia wytrzymalosci na ciagnienie, jaka wykazaloby szklo, gdy¬ by ta wytrzymalosc oznaczona byla meto¬ da Winkelmanna. Wedlug tej metody wy¬ nosi spólczynnik rozszerzalnosci objeto¬ sciowej F/3 = 6.Rzeczywista wytrzymalosc na ciagnie¬ nie jest wyzsza i w rzeczywistosci wartosc V3 F wyzsza jest od podanej tak dla szkla wedlug wynalazku niniejszego, jak i dla szkla Schotta.Odpornosc na wplywy chemiczne po¬ winna byc duza. Naprzyklad szklo o skla¬ dzie B2 po poddaniu go dzialaniu1 rozpu¬ szczania w wodzie destylowanej przy 80°C przez 48 godzin (porównaj przyklad Wal¬ kera w ,,Journal of the American Chemi- — 3 —cal Society" tom 27, strona 865, 1905) wy¬ kazalo roztwór o 0,0001 do 0,0005 gramów na 100 cm2, które poddane byly dzialaniu rozpuszczania. Wszystkie wyzej wymie¬ niane sklady posiadaja odpornosc wieksza nad 0,002 grama na 100 cm2.Szklo powinno poddawac sie dobrze obróbce. Tu nalezy przedewszystkiem do¬ bra ciagliwosc, dzieki której daje sie szklo z latwoscia topic w zwyklych piecach do topienia szkla przy latwo osiagalnej tem¬ peraturze, jako tez ta wlasciwosc, ze po¬ zostaje w stanie bezpostaciowym i dosyc plastycznym i mozna je latwo wydymac i stlaczac. Ta1 ostatnia wlasciwosc da sie takze wyrazic cyfrowo w stopniach tempe¬ ratury.Jezeli zawiesic drut o 1 mim sredni¬ cy i 23 cm dlugosci pionowo w piecu spe¬ cjalnym i ogrzewac górnych 9 cm tak, iz szklo wydluzac sie bedzie pod wplywem wlasnego ciezaru o 1 mm na minute, to temperatura wskaze nam wtedy stopien twardosci. Szklo, które wyciaga sie w temperaturze 800°C o 1 mm na minute ma twardosc równa (luib nie wieksza) 800°C.Szkla A, Blf B2 maja twardosc okolo 800°C, D okolo 862°C, C i E zas ponad 862QC, a ponizej 900°Cf przyczem sa bez¬ barwne i przezroczyste.Pod wzgledem chemicznym szkla te odznaczaja sie wielka zawartoscia kwasów krzemowych (nie mniej jak 70%). Przy takich zawartosciach osiaga sie mala roz¬ szerzalnosc i dobra wytrzymalosc przy równoczesnej twardosci. Zwraca sie na to uwage^ ze we wszystkich wyzej podanych wzorach procentowy udzial glinki w po¬ równaniu do znanych szkiel z zawartoscia boru i krzemu jest bardzo niski, poniewaz zalezalo na tern, aby twardosc szkla zmniejszyc. Glinka uzywana byla dotad w wielkich procentowych dawkach przy wyrobie szkla z zawartoscia natrium, boru i krzemu, w tym celu aby otrzymac szkla odporne na chemiczne wplywy i aJby prze¬ szkodzic krystalizacji. Tymczasem stwier¬ dzono, ze mozliwe jest osiagnac lepsze wy¬ niki pod tym wzgledem, zmniejszajac za¬ wartosc glinki, a powiekszajac zawartosc kwarcu do 70% i .powyzej 70%* Przy tych dawkach procentowych jest rozszerzal¬ nosc mniejsza, jak przy uzyciu kwarcu w dotychczasowych ilosciach. Na podstawie prób stwierdzono, ze przy tych wysokich procentach kwarcu czynnik rozszerzalno¬ sci jednostkowej kwarcu jest nizszy, niz czynnik jednostkowy przy mniejszym u- dziale kwarcu, czyli innemi slowy, ze gdy procent kwarcu jest dostatecznie duzy, czynnik, o który nalezy powiekszyc dawke procentowa, aby osiagnac stopien rozsze¬ rzalnosci termicznej, odpowiadajacej za¬ wartosci kwarcu, zmniejsza sie. Gdy za¬ wartosc kwarcu zwieksza sie ponad 84%, co jest mozliwe, o ile chce sie uzyskac mniejsza rozszerzalnosc, mozna zmniej¬ szyc zawartosc! glinki, np. na \%A jak to rzeczywiscie zrobiono, i odpowiednio ze¬ stawiajac zawartosci kwasnych krzemia¬ nów wystarczy mala tylko zawartosc glin¬ ki, aby nadac masie szklanej pozadana od¬ pornosc na wplywy chemiczne i przeszko¬ dzic tworzeniu sie krysztalów. W szkle o skladzie D sluzy do tego celu antymon, a w szkle o skladzie E — litjum. W rzeczy¬ wistosci moga odpasc zupelnie dodatki a- luminjum w szkle o skladach A, Blf B2, C i E i moga byc zastapione odipowiednie- mi ilosciami kwasnych krzemianów. Szklo wytworzone w ten sposób jest zdatne do uzytku, jakkolwiek nie posiada pozada¬ nych wlasciwosci w tym stopniu, jak szklo o skladach podanych powyzej. Gdy np. za¬ stosuje sie te zmiane w szkle o skladzie Blf to uzyskane w ten sposób szklo bedzie posiadac nizszy stopien rozszerzalnosci i bedzie sklonniejsze do krystalizacji i mniej odporne na wplywy chemiczne, jak szklo o skladzie Bx.W zwiazku z mala rozszerzalnoscia, która pochodzi od wielkiej zawartosci kwasu, dobra odpornoscia i obrabialnoscia, — 4 —które sa wlasciwe cfta podanych wyzef skladów szkla o wzgledfoie wielkiej za¬ wartosci tlenku borowego w stosunku do soli, nie jest ten stosunek w zadnym przy¬ padku mniejszy oA"2 r 1, przyczem tlenek boru (za wyjatkiem szkla o skfadzie E) wynosi 60 do 70% czesci skladowych, nie Kczac kwarcu. Jest mozliwe zastapic czesc tlenku natrkmj, które podane jest we wzo¬ rze, tlenkiem kalium. By zachowac te sa¬ ma twardosc, mozna zamienic dwie czesci tlenku natrium na trzy czesci tlenku ka¬ lium, a dla zachowania tef samef rozsze¬ rzalnosci zamienic mozna 5 czesci tlenku natrium na 6 czesci tlenku kaKum. W opi¬ sie powyzszym rde soli odgrywa tlenek naftriuira. Zawartosc soli moze byc jednak zastapiona przez tlenek kalium w poda¬ nych stosunkach. W szkle o skladzie E ro¬ le soli odgrywa litjuni.Wymienione rodzafe szkla zawieraja 4 ciala, z których przynajmniej dwa sa kwasnemi tlenkami (kwarc i tlenek boru) SiO, BA Na.fi AkO* Sb&i LuO A U67 0,286 0,645 0,06 — — Bi 1,345 0,186 0,071 0,02 — — Zauwazyc mozna, ze niema tu ani jed¬ nego tlenku drugiej grupy systemu perio¬ dycznego (mp. wapnia lub magnezjum), poniewaz tlenki te, jakkolwiek dzialaja dodatnio na odpornosc i dobra obrabial- nosc szkla, lecz daja szklo metne i wply¬ waja na zwiekszenie rozszerzalnosci, co nie jest pozadane.Szklo o skladzie B2 nadaje sie szcze¬ gólniej do fabrykacji retort i naczyn labo¬ ratoryjnych. Próba wykazala przy linijnym wspólczynniku rozszerzalnosci 0,0000033, przewodnictwo ciepla 0,0028, gestosc 2,246, wytrzymalosc na ciagnienie wynosila 16 kg/cm2, spólezynnik elastycz- i jeden tlenkiem zasadowym (natrram lub tlenek IrtftmrJ, Ahtminjttm hfo tlenek an¬ tymonu dzialaja prawdopodobnie jak kwa¬ sy i za takie uwazane sa w opisie. Prosto¬ ta skladu ma bardzo wielkie znaczenie przy fabrykacji naczyn szklanych do ce¬ lów laboratoryjnych, poniewaz ilosc pier¬ wiastków, które moga byc pochloniete przez ciala badane w naczyniach, np. pod¬ dane analizie, jest mala. Nalezy zauwa¬ zyc, ze stosunek molekul samych krzemia¬ nów, Jak i calkowitej ilosci kwasnych tfenków do tlenków zasadowych jest w podanych skladach bardzo wysoki. Pierw¬ szy stosunek wynosi dla szkla o skladzie A, 18 ?' 1, dla B2 J8, 9 : 1, dfe % 19 : 1, dla C 3* : 1, dla O — Sir : 1 i dla E — 15 : I. Dfrugi stosunek wynosi dla A — 23 : 1, dk B1 —21,4 :1, dla B2-*;3l,6 ; 1, dla C — 33 : 1, dla D — 58 : 1, dk E — 15,7 r1, \ Wzory stosunków atomowych dla tych skladów sa nastepujace: c 1,5 0,0857 0,0464 0,01 — — D 1,417 0,179 0,0242 — 0,0035 — E 1,5 0,0714 — 0,2 — 0.1 nasci Younga 653D, a zatem spólezynnik odpornosci termicznej F/3 równy 19.Twardoscokreslona wyzej wynosila 80O°C, odpornosc na wplywy chemiczne 0,00015 gramów, cieplo wlasciwe 0,20. Gdy uzyje sie na okreslenie wytrzymalosci na ciagnie¬ nie wspólczynnika, który da sie porównac z wspólczynnikami uzywanemi przez Wio- kelmanna i Schotta, to wspólczynnik od¬ pornosci termicznej F/3 wynosi prawie 10. PL