Fosfaatglas met vliegas toont onverwachte eigenschappen

Glas is transparant en sterk, maar de smelttemperatuur is hoog en het materiaal is broos. Uit promotieonderzoek van Clarissa Justino de Lima blijkt dat het mogelijk is de eigenschappen te verbeteren. Ze ontwikkelde een glas uit fosfaat en vliegas met een lage smelttemperatuur en een ongewone sterkte.

Standaard glas bestaat voor een belangrijk deel uit silica of siliciumdoxide en heeft een ongelooflijke theoretische sterkte van wel 7000 MPa. Maar door zijn broosheid haalt het ‘slechts’ een praktische sterkte van slechts 35 tot 70 MPa. Breekbaarheid blijft de Achilleshiel, ook bij architectonische toepassingen, zoals glasstenen. Zijn er geen mogelijkheden om dat te verbeteren, vroeg De Lima zich af? Zij experimenteerde in het laboratorium met nieuwe glassamenstellingen, om te beginnen met fosforpentoxide (P₂O₅) en een beetje vliegas en hoogovenslak – afvalproducten uit verbrandings- en hoogovens.

Fosfaatglas niet nieuw

Helemaal nieuw is fosfaatglas niet. Al sinds de jaren ’50 zijn geavanceerde glassoorten ontwikkeld met fosfaat, dat zorgt voor lagere smelttemperatuur en vermindering van de viscositeit. “Een belangrijk probleem is alleen dat fosfaat veel water absorbeer,” vertelt De Lima over haar experiment. “Het geproduceerde glas bleek buitengewoon hygroscopisch.” Om de kwaliteit te testen dompelde ze het geproduceerde werkstuk een maand lang onder in water. Resultaat: het glaswerk verloor 100 procent van zijn gewicht, alle fosfaat was eruit verdwenen.

Toen ze een proef deed met glas met een gehalte van 85 procent kaliumfosfaat, was na een maand de helft van de massa verdwenen. De Lima: “Het was geen glas meer, het was een soort gel.” Dat veranderde toen ze het gehalte kaliumfosfaat verlaagde naar een percentage van 50 tot 75 procent en tenminste 15 procent aluminiumoxide (Al₂O₃) toevoegde, ter vergroting van de waterbestendigheid. Verder krikte ze het gehalte vliegas en hoogovenslak flink op. In dit geval bleek het verlies aan massa verwaarloosbaar.

Lage smelttemperatuur

Vliegas en hoogovenslak zijn veelgebruikt als toeslagstof in cement, maar bleken bij dit experiment ook prima geschikt voor gebruik in glas. De transparantie ervan blijkt pas te worden aangetast bij een gehalte van meer dan 35 procent. Bij een hoger percentage zorgt de vliegas voor kristallisatie bij het afkoelen – en dat is niet gunstig voor de sterkte en de transparantie. Bij verandering van de samenstelling van de toeslagmaterialen zag De Lima ook de kleuren van het glas veranderden. Ze produceerde kleurloos, maar ook bruin, blauw, geel en groen glas.

De diverse mengsels fosfaatglas die uit de proeven rolden hadden alvast één prettige eigenschap: een lage smelttemperatuur. Die bedroeg zo’n 1200°C in plaats van 1500 tot 1600°C zoals borosilicaat- en natronkalkglas. Dat scheelt fors in de energiekosten en in milieubelasting. De prijs is bovendien per kilo grofweg drie maal lager dan genoemde glassoorten. In potentie is dus een interessant product, mits de mechanische eigenschappen voldoen.

De Lima voerde laboratoriumtests uit om die eigenschappen vast te stellen. Daaruit bleek dat de elasticiteitsmodulus en hardheid van het geproduceerde fosfaatglas lager zijn dan die van standaard silicaatglas, maar de breukbestendigheid van sommige mengsels is hoger. Dat kan van pas komen bij het gebruik van fosfaatglas als constructiemateriaal. Ook de thermische stabiliteit is hoog, terwijl de uitzetting beperkt blijft. Sommige mengsels zouden daardoor geschikt kunnen zijn voor gebruik in de 3d printer.

Anisotroop

Het labonderzoek leverde nog een interessante vondst op. Bij bepaalde samenstellingen kan het ontwikkelde fosfaatglas – anders elke andere glassoort – anisotroop zijn. “Dat is uitzonderlijk, want het betekent dat het in de ene richting een grote deformatie zou kunnen hebben, terwijl er in andere richting slechts een kleine vervorming is,” legt De Lima uit. “Het kan dus betekenen dat het veel sterker in de ene richting is dan in de andere.” Opmerkelijk is dat het anisotrope glas zijn transparantie behield. In theorie maakt dit glas mogelijk met buitengewone eigenschappen. Een constructie vervaardigd uit dit type fosfaatglas zou door slimme oriëntatie bestand kunnen zijn tegen specifieke belastingen. Is het daarmee geschikt voor toepassingen in de bouw, bijvoorbeeld als glazen bouwstenen of elementen voor de bouw van bruggen? De Lima: “Dat zou heel goed kunnen. Maar dat is een onderwerp voor vervolgonderzoek.”

Bron: TU Delft.