Proizvodnja stakla bez taljenja – staklene boce poput plastičnih

U skoroj budućnosti staklene bi se boce mogle lijevati s istom lakoćom kao plastične – i uz dvostruko manji utrošak energije

Nenad Raos subota, 17. travnja 2021. u 06:00

Staklo nije čvrsta tvar, krutina, nego tekućina: u njemu nema kristala – kao u soli, šećeru, ali i u kamenu i željezu – nego je posve homogeno, poput ulja ili vode. Zbog svoje „vodene“ prirode staklo se dade lako oblikovati, jer nema faznog prijelaza, što će reći da staklo ne mijenja naglo fizička svojstava do čega dolazi pri prijelazu iz tekuće u čvrsto (kristalno) stanje. Ono s porastom temperature postepeno mekša pa ga staklar može lako prilagoditi svojim zahtjevima, ovisno o tome želi li ga savijati, valjati, puhati ili lijevati u kalupe. Staklo je tekućina koja ne teče – ili ipak teče? To kažem zato što su staklene bočice iz rimskog doba, koje viđamo po muzejima, deformirane od svoje težine – baš poput svijeće na vrućini.

Da bi se staklo moglo lijevati u kalupe treba ga zagrijati na 1.300 oC. Na tu temperaturu treba zagrijati obično, prozorsko staklo, staklo koje se dobiva od kremenog pijeska, sode i živog vapna. Još je viša temperatura, čak 2.000 oC, potrebna za proizvodnju kremenog stakla, stakla koje se dobiva taljenjem čistog kremenog pijeska. Ono je izuzetno cijenjeno u kemijskom laboratoriju, a i drugdje, jer je otporno na kemikalije a usto izvrsno podnosi promjene temperature. U posudu od kremenog stakla uronjenu u vodu može se lijevati željezo!

No kako bilo da bilo, za proizvodnju i recikliranje više od 120 milijuna tona stakla, koliko ga se godišnje proizvede i preradi u svijetu, treba utrošiti oko 800 TJ (200 GWh) energije, naime 5 do 6 MJ po toni. Može li se što u tom smislu popraviti? Teško, reklo bi se, jer se tehnologija stakla nije promijenila od vremena kada su ga Feničani – ako je vjerovati Pliniju – slučajno otkrili kada su zapalili vatru na pustinjskom pijesku te je okružili umjesto kamenjem grumenjem trone (prirodne sode) kojom su trgovali.

No pustimo sad Plinija i njegovu Naturalis historia. U časopisu Science nedavno je osvanuo članak u kojem se opisuje oblikovanje stakla na posve nov način. U znanstvenom radu „High-throughput injection molding od transparent fused silica glass“ desetorica njemačkih znanstvenika opisuje izradu staklenih predmeta od prozirnog kremenog stakla („transparent fused silica glass“) postupkom uštrcavanja u kalupe (injection molding) na temperaturi od samo 130 oC!

Kao sirovina za ovaj neobični postupak služe čestice amorfnog silicijeva dioksida promjera od 0,05 do 0,1 milimetra raspšene u polimernom materijalu, smjesi poli(vinil-butirala), PVB, i poli(etilen-glikola), PEG. Smjesa plastike i mineralnih čestice potom se, pri temperaturi 130 oC i tlaku 700 – 1.000 bar, uštrcava u kalupe slično kao što se uštrcavaju plastične mase. Nakon toga se uklanja vezivo (PVB i PEG) otapanjem u vodi te zagrijavanjem smjese na 270 – 600 oC. No oko 12 % veziva ipak se ne može  ukloniti – da bi se potom recikliralo – nego zajedno sa slijepljenim česticama SiO2 ide u peć gdje se čestice staljuju (sinteriraju) na temperaturi od 1.300 oC. Iako je sinterirano staklo odavna poznato – od njega se rade filtri – ovo novo kremeno staklo nije porozno. Posve je homogeno, pa stoga i prozirno na što upućuje riječ „transparent“ u naslovu rada. Drugim riječima, čestice silicijeva dioksida nisu se samo slijepile nego su se stalile u homogenu masu.

No proizvodnja kremenog stakla pri niskoj temperaturi (1.300 umjesto 2.000 oC) nije jedina prednost novog postupka. Prva, najočitija prednost je ušteda energije, oko 50 %. Druga je prednost u jednostavnijoj i bržoj tehnologiji: staklene bi se boce proizvodile s istom lakoćom (i brzinom) kojom se proizvode boce od plastike. Treća je, možda najvažnija prednost, što se postupkom uštrcavanja u kalupe staklo može svakojako oblikovati, a na njegovoj površini dobivati fine šare koje se inače mogu izraditi samo brušenjem ili jetkanjem. I što još? Dodatkom soli kobalta i zlata smjesi čestica SiO2 i veziva može se dobiti obojeno staklo, a dodatkom soli cerija i europija nastaje luminiscentno staklo, staklo koje svjetluca kada ga se obasja ultraljubičastim zračenjem. Sve su svemu sasvim nova tehnologija proizvodnje jednog vrlo, vrlo, vrlo starog materijala koji se zove staklo.

 

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je doktor prirodnih znanosti iz područja kemije, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju. Do umirovljenja radio je u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI)  baveći se bioanorganskom i teorijskom (računalnom) kemijom. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti surađujući u mnogim časopisima i revijama (Priroda, ABC tehnike, Čovjek i svemir, Modra lasta, Smib, Fokus). Napisao je više od dvije tisuće znanstveno-popularnih članaka, 13 znanstveno-popularnih knjiga te u koautorstvu dva sveučilišna udžbenika iz područja dizajniranja lijekova. U časopisu Kemija u industriji je stalni komentator te  urednik rubrike „Kemija u nastavi“. Godine 2003. dodijeljena mu je Državna godišnja nagrada za promidžbu i popularizaciju znanosti.