Sklo a substráty
Identifikace druhu vstupního skla: hustota, index lomu a UV kontrola
Sodnovápenaté, borosilikátové, alkalické aluminosilikátové a křemenné sklo vypadají téměř stejně. Článek uvádí rychlou identifikaci pomocí archimédovské hustoty, indexu lomu a pozorování v UV, počítá přesnost měření potřebnou k rozlišení sousedních druhů a vysvětluje, proč se sodnovápenaté a alkalické aluminosilikátové sklo musí posuzovat společně s indexem lomu.
Na štítku vstupního materiálu stojí „borosilikát“ – je to po rozříznutí opravdu tak? Čtyři běžně používané druhy substrátů jsou podle vzhledu téměř nerozlišitelné: silné kusy jsou čiré s lehce nazelenalou hranou a po pochromování rysek je rozdíl ještě méně patrný. Liší se však hustotou, indexem lomu a absorpcí v UV a několik měření proveditelných na pracovním stole stačí k potvrzení základního druhu. Potíž je v tom, že chyba měření musí být menší než odstup mezi druhy a rozptyly mezi šaržemi sousedních druhů se mohou samy překrývat.
„Otisky prstů“ čtyř druhů
Tabulka uvádí typické hodnoty (příkladové, neodpovídají konkrétní značce, liší se podle výrobce):
| Druh | Hustota ρ (g/cm³) | Index lomu n_d | Absorpční hrana v UV (řád) |
|---|---|---|---|
| Tavený křemen | asi 2,20 | asi 1,458 | pod 200–250 nm, propouští 254 nm |
| Borosilikát typu 3.3 | asi 2,23 | asi 1,473 | asi 280–310 nm, 254 nm téměř nepropouští |
| Alkalický aluminosilikát | 2,4–2,5 | asi 1,50–1,51 | asi 280–340 nm, 254 nm nepropouští |
| Sodnovápenaté | asi 2,50 | asi 1,52 | asi 310–340 nm (obsahuje železo), 254 nm nepropouští |
Křemen a borosilikát se liší o 0,027 v hustotě a o 0,0145 v indexu lomu; odstup je velký. Sodnovápenaté sklo a alkalický aluminosilikát se v hustotě překrývají a v indexu lomu se liší o 0,014; je to nejobtížněji rozlišitelná dvojice.
Archimédova metoda: na kolik míst se měří hustota
Vzorek se zváží na vzduchu (m_a) a ponořený ve vodě (m_w); pak
ρ = ρ_w·m_a / (m_a − m_w)
kde ρ_w je hustota vody (asi 0,9982 g/cm³ při 20 ℃, asi 0,9971 při 25 ℃); následuje korekce na vztlak vzduchu asi 0,0012 g/cm³. Chyby mají tři zdroje: odečet vah, teplotu vody a povrchové napětí na závěsném drátku. Pro vzorek s ρ = 2,5 g/cm³:
- Váhy 0,1 mg: vzorek 20 g vytlačí 8 g vody, relativní chyba asi 10⁻⁵ – zanedbatelná.
- Teplota vody ±0,5 K: hustota vody se mění o 2,1×10⁻⁴ g/cm³ na K, vliv na ρ asi 0,0003 g/cm³.
- Závěsný drátek: síla povrchového napětí na drátku φ0,1 mm procházejícím hladinou je F = π·d·γ ≈ 2,3×10⁻⁵ N, ekvivalent asi 2,3 mg; u malých vzorků má největší vliv.
| Hmotnost vzorku | 2 g | 5 g | 10 g | 20 g | 50 g |
|---|---|---|---|---|---|
| δρ (g/cm³) | 0,007 | 0,003 | 0,0015 | 0,0008 | 0,0004 |
Vzorek by proto měl mít 10 g nebo více, případně použijte tenčí drátek a stopové množství smáčedla; dále temperovanou vodu a odstranění bublin.
Kombinované posouzení: jaká přesnost je potřeba
Směrodatné odchylky rozptylu mezi šaržemi dvou druhů označme σ₁ a σ₂ (příkladové hodnoty: křemen 0,003 / 0,0003, borosilikát 0,004 / 0,001, alkalický aluminosilikát 0,025 / 0,004, sodnovápenaté 0,010 / 0,002; první pro ρ, druhá pro n). Má-li odstup Δ dosáhnout 3násobku kombinované směrodatné odchylky, je největší přípustná směrodatná odchylka měření
σ_m = √[(Δ/3)² − σ₁² − σ₂²]
| Dvojice druhů | Horní mez σ_m hustoty | Horní mez σ_m indexu lomu |
|---|---|---|
| Křemen / borosilikát | 0,0075 g/cm³ | 0,0047 |
| Sodnovápenaté / alkalický aluminosilikát | bez řešení (šarže se již překrývají) | 0,0013 |
Křemen a borosilikát lze rozlišit archimédovskou hustotou s ±0,003; pro index lomu téměř stačí i metoda Brewsterova úhlu: tanθ_B = n, δn = (1+n²)·δθ; při odečtu úhlu ±0,1° je δn ≈ 0,0057, tedy mírně nad mezí 0,0047. U sodnovápenatého skla a alkalického aluminosilikátu samotná hustota nestačí: kvůli směrodatným odchylkám mezi šaržemi je z-skóre obou rozdělení hustoty jen 1,9. Index lomu musí být v rozmezí ±0,0013; imerzní metoda (příklad ±0,002) nestačí, spolehlivý je až Abbeho refraktometr (příklad ±0,0005) (obrázek 3). Kombinované z-skóre obou veličin je asi 3,6; vzorek z obrázku 1 se zařadí jako alkalický aluminosilikát teprve tehdy, když je přesnost indexu lomu v rozmezí ±0,0005.
Pozorování v UV není kvantitativním kritériem, ale doplňkem. Pod lampou 254 nm (noste ochranné brýle proti UV) propouští světlo pouze křemen, ostatní tři druhy ne. Barva a intenzita fluorescence křemene závisí na způsobu tavení a nečistotách; porovnávejte se známými vzorky, nepoužívejte ji jako absolutní kritérium. Cínová strana plaveného skla s obsahem cínu fluoreskuje; viz článek o cínové straně v této knihovně.
Postup vstupní kontroly
- Vzhled a UV 254 nm: nejprve oddělit křemen od ostatních tří druhů.
- Archimédovská hustota (vzorek ≥ 10 g, teplota vody ±0,5 K): oddělit 2,20 a 2,23 od skupiny 2,4 a výše.
- Refraktometr nebo imerze: rozlišit sodnovápenaté sklo a alkalický aluminosilikát; přesnost musí být lepší než ±0,0013.
- Přetrvávají-li pochybnosti, použít chemickou analýzu nebo součinitel roztažnosti (viz samostatný článek v této knihovně).
Inženýrské poznámky
- Nejprve se ptejte, kterou dvojici je třeba rozlišit: křemen/borosilikát – hustota a index lomu; sodnovápenaté/alkalický aluminosilikát – nezbytný index lomu v rozmezí ±0,0013.
- Vzorek pro Archimédovu metodu nesmí být lehčí než 10 g; použijte temperovanou vodu, tenký drátek a smáčedlo a proveďte i korekci na vztlak vzduchu.
- Metoda Brewsterova úhlu s odečtem ±0,1° dává δn jen ±0,0057 – hodí se k hrubému rozlišení, nikoli k rozlišení sousedního sodnovápenatého skla a alkalického aluminosilikátu.
- Naměřené hodnoty uvádějte s nejistotou a porovnávejte je s rozptylem šarží dodavatele; nesledujte jen to, zda spadají do nominální hodnoty.
- UV lampu používejte jen jako pomůcku; lampa 254 nm může poškodit oči, ochranné brýle jsou povinné.
- Z každé šarže si uschovejte vzorek a budujte vlastní rozložení hustota–index lomu; je to spolehlivější než hledat hodnoty v příručkách.
Shrnutí
Druh skla lze potvrdit kombinovaným posouzením hustoty, indexu lomu a absorpce v UV. Odstup mezi křemenem a borosilikátem je velký a rozliší je archimédovská hustota s ±0,003 g/cm³; rozložení hustoty sodnovápenatého skla a alkalického aluminosilikátu se překrývají, takže přesnost indexu lomu musí být lepší než ±0,0013. Volit metodu podle tohoto rozpočtu je spolehlivější než spoléhat na „cit v ruce a značku“.
Překlad čínského originálu (0566). ENC7 – výrobce kódových kotoučů (poptávka) · Odborné články · https://enc7.com
© Langfang Jingzheng Optoelectronic Technology Co., Ltd. Všechna práva vyhrazena. Článek vznikl s pomocí AI.