Dlaczego szklane stoły eksplodują? - siarczek niklu

Kilkukrotnie już w internecie spotkałem się z artykułami o szokujących tytułach, jak: "Mój szklany stół eksplodował!". Pod spodem znajdowałem mnóstwo komentarzy - od wyśmiewania autora, po próby wytłumaczenia zjawiska np. zbyt głośną muzyką i wpadnięciem stołu w rezonans. Tymczasem, bardzo prawdopodobne, że winna "eksplozji" wielu szklanych stołów jest... cząsteczka o wielkości mniejszej niż średnica ludzkiego włosa.
 

Szkło samoistnie wybucha

Osoby, które pisały na forach internetowych o swoich eksplodujących stołach często były w komentarzach mieszane z błotem. Ciężko bowiem przyjąć do wiadomości, że szklana tafla może sama z siebie wybuchnąć. Ale na wstępie tego artykułu musimy przyznać rację byłym właścicielom szklanych stołów - szkło faktycznie może samoistnie "eksplodować".

Szkło hartowane
 

Przy czym słowo "eksplodować" jest nieco przesadzone. Aby zrozumieć, czym ta "eksplozja" jest, trzeba najpierw zrozumieć istotę szkła hartowanego. Bowiem takie "wybuchy" mogą zdarzyć się wyłącznie w szkle hartowanym. Dlaczego? Ponieważ w takim szkle są zamknięte bardzo duże naprężenia.
 

Aby uzmysłowić sobie czym są owe naprężenia, wyobraźcie sobie linijkę szkolną. Jeśli trzymamy ją normalnie w rękach i zaczniemy przepiłowywać na środku, linijka ta zachowa ciągłość (tj. będzie wciąż jednym elementem) do momentu całkowitego przecięcia. Gdy wreszcie dokończymy cięcie, nie stanie się nic spektakularnego, poza faktem że z jednej linijki powstały dwie.
 

Zupełnie inaczej będzie, jeśli niejako "włożymy" w linijkę naprężenia. W tym celu wyobraź sobie, że ściskasz linijkę, wyginając ją w spory łuk. Tym razem również zaczynasz przepiłowywać linijkę na środku. Intuicyjnie wiemy, że nie dokończymy cięcia, bo w pewnym momencie - gdy wcięcie będzie wystarczająco duże - ten wąski fragment, który jeszcze łączy obie części linijki po prostu pęknie. W momencie pęknięcia naprężenia uwolnią się w postaci energii kinetycznej i oba kawałki wystrzelą na boki. Siła potrzebna do odrzucenia obu części linijki była cały czas "zamknięta" w wygiętej w łuk linijce. Dopiero jej pęknięcie uwolniło tę siłę, tak że oba fragmenty linijki "wystrzeliły".

Podobnie rzecz się ma w przypadku szkła hartowanego. Po procesie hartowania (polega on na ogrzaniu tafli szkła, a następnie gwałtownym jej schłodzeniu) w szkle pojawiają się naprężenia rozciągające i ściskające (odpowiednik naprężonej linijki). Dzięki nim szkło staje się dużo bardziej wytrzymałe. Kiedy jednak już pęknie, "uwięzione" w nim naprężenia uwolnią się i rozrzucą kawałki pękniętego szkła, tworząc wrażenie "wybuchu", tak samo jak kawałki linijki "wystrzeliły" na boki.

Mało tego - ze względu na to, że naprężenia ściskające i rozciągające znajdują się w idealnym stanie równowagi trzymającym taflę w całości, wystarczy że tę równowagę delikatnie zaburzymy, a naprężenia spowodują pęknięcie na całej powierzchni tafli. Oznacza to, że nawet niewielkie zaburzenie ciągłości tafli wystarczy, żeby ta rozsypała się w drobny mak. Jeśli będziemy chcieli zrobić w szkle hartowanym otwór, odłamiemy róg, bądź uszczerbimy krawędź - w każdym z tych przypadków szkło hartowane pęknie na całej swojej powierzchni, tak jak na poniższym filmie.

Zagadka eksplodujących stołów rozwiązana?

Tak więc, "wybuch" szklanego stołu może być spowodowany np. uszczerbieniem krawędzi. Zaburza to stan równowagi naprężeń w szkle, a te uwalniają się powodując dynamiczne pęknięcie całej tafli na drobne kawałki. Nawet mocne szarpanie takiego stołu może go zniszczyć, tak jak na poniższym filmie. Zauważ, że pęknięte fragmenty szkła odlatują na boki, mimo że nikt nie nadał im żadnej siły. Tę siłę dały właśnie uwolnione w trakcie pęknięcia naprężenia, które wcześniej były "zamknięte" w szkle. Ten efekt będzie tym silniejszy im grubsza będzie tafla.

Co jednak z relacjami ludzi, którzy twierdzą, że stół pękł samoistnie, gdy nic na nim nie leżało i nikt nie był obecny w jego otoczeniu? Otóż, mogą mieć rację.

Inkluzja siarczku niklu

Za takie pękanie najprawdopodobniej odpowiedzialna jest tzw. inkluzja siarczku niklu. Jak jednak cząsteczka wielkości mniejszej niż średnica ludzkiego włosa, może zniszczyć duży i gruby szklany stół?

Jak już omówiliśmy w poprzedniej części, siła zdolna do rozbicia tafli i wyrzucenia jej kawałków na jakąś odległość (tzw. "eksplozja") jest zamknięta w samej tafli w postaci naprężeń. Trzeba ją tylko uwolnić. I cząsteczka siarczku niklu jest w stanie takiego uwolnienia dokonać.

Wyjaśnienie zjawiska

Cząsteczki siarczku niklu pojawiają się w typowym szkle krzemianowo-sodowo-wapniowym w bardzo małych ilościach. Szacuje się, że jest to około pięciu cząstek na ponad tonę szkła. Wciąż nie udało się ich jednak wyeliminować całkowicie.

Siarczek niklu charakteryzuje się tym, że występuje w dwóch postaciach - nisko i wysokotemperaturowej. Pierwsza utrzymuje się poniżej 390°C, natomiast powyżej tej temperatury, cząstka przechodzi w drugą formę. Kluczowym faktem jest, że pierwsza ma większą objętość, a druga mniejszą. Oznacza to, że gdy szkło jest rozgrzane, cząstka siarczku niklu jest mniejsza niż wówczas, gdy jest schłodzone.

Podczas hartowania szkło nagrzewane jest do bardzo wysokiej temperatury, co sprawia, że zawarty w nim siarczek niklu przechodzi w stan wysokotemperaturowy (mniejszy). Po chwili następuje gwałtowne schłodzenie więc cząsteczka dąży do powrotu w fazę niskotemperaturową (większą). Problem w tym, że nie może, bo potrzebuje na to określonego czasu, a tafla została schłodzona zbyt szybko. Cząsteczka chce zwiększyć objętość, ale nie zdąża i zostaje "zamrożona" w postaci wysokotemperaturowej, mimo że jej temperatura spadła. Cały czas więc dąży do przemiany - czeka tylko na dogodne warunki.

Takie szkło wyjeżdża z zakładu produkcyjnego i trafia do klienta. Bardzo możliwe, że dogodne warunki nie zdarzą się nigdy i siarczek niklu nie spowoduje pęknięcia. Ale jest też możliwe, że siarczek niklu na etapie użytkowania szkła przez klienta, będzie miał możliwość przejścia w stan niskotemperaturowy. Wówczas zwiększy objętość zaburzając stan równowagi naprężeń w szkle, w efekcie doprowadzając do pęknięcia tafli. A że jak wcześniej omówiliśmy - szkło hartowane pęka bardzo dynamicznie - nastąpi tzw. "eksplozja". Taka sytuacja została uchwycona na poniższym filmie.

Jakie warunki sprzyjają uwolnieniu się siarczku niklu?

Generalnie rzecz biorąc - nagrzanie szkła. Cząsteczka ma wówczas czas na przejście w większą objętościowo postać niskotemperaturową. Postawienie gorącego dzbanka akurat w miejscu wystąpienia cząsteczki, może doprowadzić do zniszczenia stołu. Również działanie promieni słonecznych bezpośrednio na taflę może skutkować pęknięciem. W artykułach, które czytałem często pojawiała się informacja, że stół "eksplodował" po tym jak jego właściciel postawił go w ogrodzie w słoneczny dzień. Wówczas można być niemal pewnym, że za zniszczenie stołu odpowiedzialny był właśnie siarczek niklu.

Szkło budowlane

Problem z samoistnie pękającym szkłem jest dużo poważniejszy w szkle budowlanym. Jeśli zamontowane na dwudziestym siódmym piętrze biurowca kilkumetrowe przeszklenie pęknie, jego wymiana może być bardzo kosztowna. Dlatego szkło budowlane poddaje się coraz częściej tzw. Heak Soak Test'owi (HST). Polega on na wyeliminowaniu tafli, które wtrącenie siarczku niklu posiadają. Zahartowane tafle umieszcza się w piecu, który zapewnia warunki idealne do uwolnienia się omawianej cząsteczki. Jeśli dana tafla posiada inkluzję siarczku niklu, po prostu pęknie podczas testu. Mimo, że nie jest to metoda stuprocentowo skuteczna, to jednak z dużą pewnością eliminuje najbardziej narażone na pękanie tafle.

Czy można zobaczyć siarczek niklu?

Niektóre szkła hartowane zostają dodatkowo zalaminowane. W skrócie proces ten polega na połączeniu dwóch (lub więcej) tafli szkła za pomocą folii znajdującej się pomiędzy nimi. Dzięki temu szkło nawet gdy pęknie, jest na tyle dobrze przyklejone do folii, że nie rozsypuje się na drobne kawałki. Szkłem laminowanym jest na przykład przednia szyba w samochodzie. Mimo pęknięcia, zawsze zostaje w całości.
Jeżeli w szkle hartowanym-laminowanym nastąpi pęknięcie na skutek inkluzji siarczku niklu szkło popęka na całej powierzchni tafli, ale się nie rozsypie. Wówczas możemy zaobserwować bardzo charakterystyczną siatkę spękań. Pęknięcia będą bowiem schodzić się do wyraźnego centrum, w którym znajdziemy tzw. motylek. Dwa podobnej wielkości sześciokąty, o jednym wspólnym boku. Dokładnie na środku tego boku znajduje się cząstka siarczku niklu.

Takie zjawisko zaobserwowałem na przykład w Warszawie na oszklonym wejściu na stację Świętokrzyska. Co ciekawe, wystąpiło ono na dwóch szybach obok siebie! Mógł mieć na to wpływ fakt, że kolorowe szkło ma większą absorpcję, przez co bardziej się nagrzewa. W dodatku tafle były skierowane na południe i zamontowane pod kątem, a więc były bardziej narażone na działanie promieni słonecznych. To wszystko zwiększyło prawdopodobieństwo wystąpienia warunków sprzyjających uwolnieniu siarczku niklu.

Innym miejscem gdzie zaobserwowałem tak samo pękniętą taflę jest fontanna na rynku we Wrocławiu. Nie została ona wymieniona przez kilka lat, więc podejrzewam, że tak już zostanie.
Taki sam rodzaj pęknięcia spotkałem też kilka lat temu na fragmencie szklanej podłogi wokół kościoła Świętego Wojciecha na krakowskim rynku. Co ciekawe, mimo, że tafla była pęknięta, wciąż zapewniała nośność i można było po niej chodzić.

Jak się chronić?
 

Tak jak pisałem, wtrącenie siarczku niklu jest bardzo rzadkim zjawiskiem. Aby stać się posiadaczem "wybuchającego stołu" trzeba mieć naprawdę wyjątkowego pecha. Wizja "eksplodującego" stołu nie powinna więc być dla nas powodem do rezygnowania z mebla, który nam się podoba. Nie jest również tak, że stoły określonego producenta będą pękać, a innego nie.

Przed pękającym stołem mógłby nas ochronić test HST wykonany na naszej tafli. Nie spotkałem się jednak z producentem mebli, który by go stosował. Ryzyko "wybuchu" jest na tyle niskie, a konsekwencje na tyle małe, że ponoszenie wysokiego kosztu wykonania takiego testu nie jest uzasadnione.

Tym bardziej, że samo pęknięcie stołu też nie jest niebezpieczne. Kolejną bowiem rzeczą, która odróżnia zwykłe szkło, od hartowanego jest fakt, że to drugie tłucze się na małe fragmenty o stosunkowo tępych krawędziach. Nie są one w stanie zrobić nam takiej krzywdy, jak choćby duże i ostre fragmenty popękanego szkła odprężonego.

Mimo wszystko, gdy już jesteśmy posiadaczami szklanego stołu warto unikać narażania go na warunki sprzyjające uwolnieniu się cząsteczki siarczku niklu. Warto więc unikać nagrzewania go np. poprzez stawianie na nim gorących przedmiotów bez podstawki lub wystawiania go na działanie promieni słonecznych. Wówczas zminimalizujemy prawdopodobieństwo, że tajemnicze zjawisko eksplodujących stołów stanie się naszym udziałem.

Bibliografia

   • https://www.swiat-szkla.pl/aktualnoci/186-wydanie-1-2010/3077-inkluzje-siarczku-niklu-w-szkle.html 
   • https://www.pressglass.com/pl/oferta/szklo-specjalne/heat-soak-test-hst/
   • http://en.sado-group.com/NewsDetails.aspx?nid=64