//////

Chemia i środowisko

SPECYFICZNA GRUPA MATERIAŁÓW

Szkła stanowią specyficzną grupę materiałów o, charakterystycznym dla stanów skondensowanych, zwartym upakowaniu atomów. Jednak od stanu krystalicznego odróżnia je brak dalekiego uporządkowania, a od stanu ciekłego – zdolność zachowania określonego kształtu. Opis ilościowy jest bardzo trudny ze względu na skomplikowane oddziaływania między- atomowe. Nie można założyć addytywności oddziaływania par ani symetrii sferycznej potencjału wokół cząsteczek, jak to czyni się np. w odniesieniu do cieczy prostych. Opis szkła wymaga ponadto uwzględnienia czynnika czasu oraz historii cieplnej materiału. Charakteryzując współczesne szkła nieorganiczne można je podzielić na szereg grup, zgodnie z ich składem chemicznym, przy czym nazwa danego typu szkła wyprowadzana jest od składnika szkłotwórczego. Najszerszą grupę znanych szkieł stanowią szkła tlenkowe typu krze­mianowego.

PODSTAWOWY PRZEDSTAWICIEL

Podstawowym przedstawicielem szkieł krzemianowych jest szkło krzemionkowe otrzymywane przez stopienie i przechłodzenie czystego kwarcu. W tym rozdziale omówimy technologię formowania ze szkła krzemionkowego bezdefektowych włókien światłowodowych.Rozwój techniki światłowodowej po 1960 r. stworzył konieczność wyciągania bezdefektowych włókien telekomunikacyjnych ze szkła krze­mionkowego. Proces prowadzony jest techniką preformingu. Uformowany, bezdefektowy pręt ze szkła krzemionkowego jest wprowadzany przez otwór do pieca. Po stopieniu szkła na końcu pręta, z kropli tej wyciąga się włókno i nawija na bęben zwijarki. Piec podobnego typu w wykonaniu seryjnym firmy Astro pokazano na rysunku . Zagadnienie wytwarzania włókien światłowodowych jest kopalnią problemów technologicznych które należy rozwiązać w najbliższych latach.

OTRZYMANE WŁÓKNO

Otrzymane włókno o grubo­ści kilku mikronów jest w kolejnym procesie powlekane, na ogół przez naparowanie i przetopienie cien­kiej warstwy drugiego szkła o niż­szym współczynniku załamania światła n2. Tak powstaje pojedyńcze krzemionkowe włókno świat­łowodowe  działające na zasadzie całkowitego wewnętrz­nego odbicia światła. Odbicie takie zachodzi wówczas, gdy współ­czynnik załamania światła we włó­knie wewnętrznym jest wyższy od współczynnika załamania światła szkła powłoki osłonowej (n,>n2), oraz gdy kąt padania światła na takiej granicy faz jest mniejszy lub równy kątowi granicznemu agr.Warunek ten jest tym łatwiejszy do spełnienia im cieńsze jest włókno światłowodowe. Ponieważ powietrze ma mniejszy współczynnik załamania światła od szkła, całkowite wewnętrzne odbicie możemy obserwować na włóknach szklanych nie powlekanych.

ZNANE ZJAWISKO

Zjawisko to było znane już w Wenecji dożów, gdzie podświetlano fontanny wodne poprzez włókna szklane, a z fizycznego punktu widzenia wytłumaczył je J. Tyndall w 1870 r. Zaobserwował on, że promienie świetlne kierowane przy pomocy lustra do naczynia z otworem, z którego wyciekała woda podążają wraz z nią.Ze względu na niską cenę stosowanych materiałów oraz odporność na wpływy zewnętrzne, technika światłowodowa rozwija się od ćwierćwiecza niezwykle dynamicznie. Dobranie warstw szkła pasujących do siebie współczynnikiem rozszerzalności, a różniących się współczynnikiem załamania światła na tyle, aby mógł zaistnieć efekt pełnego wewnętrznego odbicia, warunkującego przewodzenie promienia świetlnego, nie jest technologicznie łatwe. Ponadto włókno szklane o takim przeznaczeniu nie powinno wykazywać żadnych wad strukturalnych.

DOPASOWANIE CZYNNIKÓW

Dopasowanie tych wszystkich czynników w procesie technologicznym stanowi jeden z naj­trudniejszych obszarów współczesnej technologii, a istotną rolę odgrywają nawet śladowe zanieczyszczenia chemiczne.Wytworzenie włókna dwuwarstwowego jest niezbędnym warunkiem jego praktycznej użyteczności jako przewodu światła. Jest to zagadnienie podstawowe zarówno ze względu na optymalizację technologii wy­twarzania przewodów światła, jak i ich własności. Z przytoczonych rozważań wynika, że różnica pomiędzy współczynnikiem rozszerzalności cieplnej włókna wewnętrznego i powłoki powinna być minimalna. Oprócz tego istotne znaczenie mają wady warstwy granicznej rdzeń – kora. Niedopuszczalne są tu żadne rozwarstwienia, niejednorodności mechanicz­ne i optyczne, istnienie pyłków lub innych ciał obcych. Warstwę zewnętrzną może stanowić drugie szkło lub tworzywo organiczne o od­powiednim współczynniku załamania światła.

SPOSÓB WYCIĄGANIA WŁÓKNA

Przedstawiony sposób wyciągania włókna z preformu (pręta szklanego) stosuje się głównie do szkła krzemionkowego i niektórych szkieł optycznych. Dla innych szkieł tlenkowych zazwyczaj posługujemy się techniką podwójnego tygla, opartą o zasadę tak dobranej płynności szkieł, aby szkło zewnętrzne topiło się w temperaturze niższej niż wewnętrzne. Pozostałe szkła krzemionkowe stanowią 45% produkcji szkieł technicznych i są tworzywami o bardzo zbliżonym składzie. Większość z nich to szkła sodowo-wapniowo-krzemionkowe, co odpowiada ich usytuowaniu w układzie trójskładnikowym Na20-Ca0-Si02. Szkło krzemianowe powinno być izotropowe optycznie i nie wykazy­wać śladów krystalizacji. Niewielkie przesunięcia składowe w zakresie składników podstawowych mogą wyraźnie zmieniać skłonność szkieł do dewitryfikacji, np. częściowa zamiana CaO na MgO (około 6% MgO) daje szkło o większej stabilności.

POJEDYNCZE WŁÓKNA

Pojedyncze włókna światłowodowe spięte w wiązkę włókien różnie zorientowanych na wejściu i wyjściu stanowią światłowód znakomicie przenoszący światło na odległość . Zamknięcie takiej wiązki w osłonie z tworzywa daje użyteczny światłowód, o ogromnym zakresie zastosowań technicznych np. przy pomiarach poziomu ciał sypkich lub płynnych w zbiornikach, w transporcie taśmowym, urządzeniach sygnaliza­cyjnych w samochodach, jako urządzenia oświetlające i in. Spinając wysokiej klasy światłowód z mocnym laserowym źródłem światła możemy otrzymać urządzenie do przecinania materiałów, np. metali lub skalpel do precyzyjnej bezkrwawej operacji dna oka ludz­kiego – „przylutowania” siatkówki. Jest to możliwe dzięki koncentracji promienia świetlnego poprzez so­czewkę w ściśle określonym miejs­cu.

WŁÓKNA ŚWIATŁOWODOWE

Jeśli włókna światłowodowe spięte w wiązkę będą po obu stronach światło­wodu identycznie zorientowane otrzymamy obrazowód czyli zestaw włó­kien przenoszący na odległość idealnie odwzorowany obraz. Odległość jest dowol­na. W oparciu o takie rozwiązania opraco­wano niezbędne dla dzisiejszej medycyny urządzenia nazywane gastroskopami. Ob­razowód taki, połączony z ekranem moni­tora telewizyjnego jest wprowadzany do wnętrza człowieka. Jedną połową włókien wprowadzamy światło do oświetlającej końcówki a druga ich połowa odbiera odbity obraz i przenosi go w kolorze na ekran telewizyjny. W ten sposób można obserwować np. owrzodzenie żołądka lub dwunastnicy wydawać pewną diagnozę.

UŁOŻENIE WŁÓKIEN

Włókna światłowodowe ułożone równolegle i spieczone pod ciśnieniem tworzą lity włóknisty obrazowód złożony z milionów włókienek o średnicy 5-7m. Taki obrazowód obrobiony do kształtu walca i pocięty na płytki daje efekt pełnego, bezdefektowego przenoszenia przylegającego obrazu przez idealnie równolegle ułożone włókna, a światło padające na taką płytkę daje, podobnie do rubinów i szafirów z wrostkami mineralnymi, efekt gwiaździstego odbijania światła ( – czarna płytka po stronie prawej). Jeśli z takiej płytki wytniemy i oszlifujemy soczewkę zbierającą światło (z jednej strony wklęsła a z drugiej płaska) to w kombinacji z płaskorównoległą płytką tego typu oraz innymi detalami elektrono-optycznymi daje ona wzmacniacz jaskrawości obrazu stoso­wany w mikroskopach, nocnych lunetach i lunetach astronomicznych.