Как и из чего сделано стекло и стеклянные изделия

Еще в начале прошлого плоское стекло создавалось по краун-методу, разработанному сирийскими стеклодувами во II веке н.э. Обладая многими достоинствами, краун-метод имел существенный недостаток – максимальный размер полученных стеклянных дисков не превышал 1,5 м, при этом их середина выбраковывалась. На заводах Pilkington, известного английского производителя стекла, в 1910 году была внедрена технология «стеклянного цилиндра» — при наддуве воздуха компрессорами создавались цилиндры из стекла метрового диаметра и максимально допустимой длины в 13 метров. Примерно в это же время изобретены машины, вытягивающие стеклянные цилиндры механическим способом. Но удешевить продукцию стекольных заводов и сделать ее массовой позволила лишь технология «вертикального вытягивания».

Тянутое листовое стекло

Идея вытягивания плоского стекла из расплава в вертикальном направлении принадлежит английскому инженеру Уильяму Кларку, оформившему патент в 1857 году. Недостаток технологии Кларка заключался в сужении стеклянной ленты при ее вытягивании. Для преодоления сужения стекла были разработаны две технологии производства, получившие названия «безлодочная» (создана в 1871 г. бельгийским инженером Вэллином) и «лодочная» (создана в 1905 г. Эмилем Фурко, инженером-изобретателем из Бельгии).

Вытягивание стекла по «безлодочному» методу ведется из расплава стеклянной массы путем регулирования степени вязкости, обеспечивающего формирование луковицы. Полученная в процессе стеклянная лента ограждалась с обеих сторон и охлаждалась благодаря водяным радиаторам. Чтобы создать края и удержать ленту на производственной линии, по ее краям выставлены ролики с принудительным вращением. Стеклянное полотно, производимое «безлодочным» методом, характеризуется поверхностями достаточно высокого качества, но перепады температур в процессе вытягивания и отсутствие однородности в химическом составе расплава серьезно снижают его оптические свойства.

«Лодочная» технология получила название в честь приспособления, формирующего стеклянное полотно – выполненного из огнеупорных материалов бруса прямоугольной формы, вдоль которого по центру выполнен сквозной вырез. «Лодочка» погружается в расплавленную стеклянную массу и при подъеме вверх через вырез продавливается расплав, образовывая луковицу. После отверждения она захватывается валками тянется между размещенными по обеим сторонам водяными радиаторами, при этом боковые удерживающие ролики вращаются синхронно с проходящим между ними стеклянным полотном. Качество поверхностей листового стекла при этом невысоко – в центре полотна часто образуется полоса, размеры и глубина которой зависят от состояния выреза в «лодочке».

Оба метода вертикального вытягивания стекла используются и сегодня, при производстве окрашенного в массе и бесцветного стекол толщиной 2-12 мм. Их используют для остекления проемов в технических помещениях (чаще всего – в тепличных хозяйствах).

Термополированное стекло

Первым эксперименты по созданию наплывного (англ. float) стекла занимался в 1843 году английский инженер Генри Бессемер. Предложенная им технология – напуск стеклянного расплава по горизонтальной поверхности из жидкого олова – была оценена в те годы, как слишком дорогая и энергоемкая, поэтому в «производство» не пошла.

Открытие одного из современных методов выпуска флоат-стекла совершила компания Pilkington, кстати, сохраняющая лидирующие позиции в стекольной индустрии мира по сей день. Бурное развитие автомобильной промышленности в США и Европе установило высокий спрос на листовое стекло с минимальными оптическими искажениями и прочими дефектами – к примеру, заводы Форда скупали качественную продукцию стеклодувов несмотря на высокие цены.

В попытках следовать устойчивому спросу английский производитель внедрил в 1923 году на своих заводах технологию прокатного стекла – расплав выливался на стол и выравнивался роликами с асбестовым покрытием, затем листы подвергались тщательной шлифовке и полировке. В 1935 году Пилкингтон, совместно с автокомпанией Ford, открывает конвейер по выпуску прокатного стекла с автоматизированной двусторонней шлифовкой стекольной полосы на фабрике в Донкастере (Англия). Отличные оптические качества и прозрачность обеспечивали сбыт стеклопроката несмотря на значительные расценки – производство было очень энергоемким и дорогостоящим из-за 15-20% отхода.

Технологию флоат-стекла, частично базирующуюся на разработках Бессемера, разработал в 1952 году Аластар Пилкингтон, член семьи, владеющей одноименными стекольными фабриками в Великобритании. Получив на экспериментальных установках в 1953-1955 годах листы стекла шириной 300 и 760 мм, компания решается на потенциально убыточный проект – создание линии по производству флоат-стекла шириной 2540 мм. Неудачи с новым проектом, запущенным весной 1957 года, преследовали Пилкингтонов многие месяцы – конкуренты обещали флоат-стеклу 100% провал. Но в январе 1959 года представители английского стекольного концерна объявили об успехе своего проекта и начале выпуска float-glass в промышленных объемах.

Технология производства флоат-стекла

Метод получения термополированного листового стекла в настоящее время лидирует в мировой стекольной промышленности. Он заключается в следующем – полученный в печи расплав стекломассы вводится в широкую ванну, полную расплавленного олова и защищенную от внешней среды газовой смесью азота и водорода. Жидкая масса стекла полностью покрывает поверхность из расплавленного олова за счет поверхностного натяжения и силы тяжести. Результат – практически идеально плоский лист стекла, поверхности которого параллельны друг другу. Если необходимо получить тонкое стекло – стеклянную ленту растягивают, если толстое – растекание стеклянного расплава ограничивается. Обычно флоат-методом выпускают стекло 3-15 мм толщины – можно производить и более тонкие (1-2 мм), а также более толстые (16-25 мм) стеклянные листы, но по строительным нормам требуется именно 3 мм стекла.

Известно три технологических способа получения листового флоат-стекла, которые можно условно назвать английским, советским и американским.

Английская флоат-технология, разработана компанией Pilkington. Расплавленная масса стекла следует по направляющему лотку в ванну, полную жидкого олова, по принципу свободного (гравитационного) слива. Получившая форму стеклянная лента поступает в первую печь (первый вал шлаковой камеры), где отжигается при температурном диапазоне от 600 до 615оС, затем лента перегибается и выводится над порогом выхода. Дистанция от поверхности расплавленного олова до порога составляет 8-10 мм.

Советская флоат-технология создавалась независимо от англичан, вел ее Государственный институт стекла с 1959 года, две первые производственные линии были внедрены на предприятии «Автостекло» в городе Константиновка (Украина). В отличие от одноэтапного формования листового стекла у компании Пинкингтон, советский флоат-метод состоит из двух этапов. После формовки в ванне с оловом, лента стекла направляется на газовоздушную «подушку», при этом выдерживается температура порядка 650оС. Перегиба стекольной ленты при этом не происходит – в ванне уровень жидкого олова на 2-3 мм возвышается над порогом. Подъем металла обеспечивают созданные Государственным институтом стекла электромагнитные индукторы. При нахождении полосы стекла на газовоздушной «подушке» осуществляется второй этап ее формования с охлаждением. Стекло приобретает окончательную геометрическую форму, далее его лента поступает в печь отжига по приемным валкам – здесь температура ниже, в пределах 570-580оС. Советская технология обладает следующими преимуществами по сравнению с английской от Pilkington: достигается большая сохранность нижней плоскости стекла (температура в печи отжига на 25-35оС ниже, чем у англичан); нижняя поверхность стеклянной ленты получает более высокие характеристики за счет значительной температуры оловянного расплава – она примерно равна 650оС, т.е. на 50оС выше, чем по условиям английской флоат-технологии.

Американская флоат-технология, разработанная компанией PPG (Pittsburgh Plate Glass) в 1974 году, также отличается от английского и советского методов. Суть ее в особой конструкции узла слива, по которому стеклянный расплав поступает в ванну из печи – его горизонтальный слой имеет тот же уровень, что и при передаче. В результате стекломасса не растекается по оловянной поверхности подобно луже и не нарушаются ее ламинарные слои, благодаря чему стекло любой толщины обладает качественно высокими показателями с позиции оптики.

Формовка ленты стекла в случае краткосрочного охлаждения приводит к образованию множественных очагов напряженности, снижающих механические характеристики изделия. С целью устранения внутреннего напряжения стекольная лента подвергается повторной температурной обработке – отжигу, обязательно входящему во флоат-технологию.

Стадии проведения отжига:

• доведение нагревом (или, в зависимости от технологии, охлаждением) до температуры отжига. Чтобы не допустить повреждение структуры стекла, выполняется за минимальный срок;
• стеклянная лента выдерживается под температурой отжига до тех пор, пока временные напряжение не будут полностью устранены. Важно при этом поддерживать температуру изделия на уровне, исключающем деформационные процессы, но способствующем максимально быстрой компенсации напряжений;
• постепенное снижение температуры до нижнего предела температуры отжига. Интенсивность охлаждения при этом не должна способствовать развитию новых очагов напряжения;
• охлаждение ленты стекла за кратчайшие сроки, ограничением для которых служит лишь термостойкость изделия.

На завершающей стадии производства готовая стеклянная лента нарезается по заданным размерам и упаковывается, затем направляется на склад готовой продукции.

История стекла уходит своими корнями в незапамятные времена.

Самые ранние предметы из стекла находят среди остатков материальной культуры древнейших цивилизаций Древнего Египта и Передней Азии. Стекловидные полупрозрачные или непрозрачные, различно окрашенные шлаки, получавшиеся при оплавлении песка в контакте с щелочной древесной золой, которые древние мастера находили в печах после плавки металла или обжига керамики, вероятно, и явились тем материалом, из которого развилась глазурь, а затем и стекло.

Изготовление глазури было распространено в IV тысячелетии до нашей эры в Месопотамии, Египте, на территории современной Сирии. Уже с конца V тысячелетия до н.э. египетские мастера, покрывая каменные бусы глазурью, окрашенной медными окислами, имитировали бирюзу, которая высоко ценилась в ту пору.

Технология нанесения глазури заключалась в том, что каменную или фаянсовую заготовку покрывали мелкотолченым кварцем, смешанным с некоторым количеством окрашивающих и вяжущих веществ, а затем подвергали обжигу в закрытой камере. Порошкообразный кварц, оплавляясь, образовывал слой глазури.

Техническое открытие глазури было первым шагом на пути, который в дальнейшем привел к производству стекла. Полагают, что стеклянные бусы появились уже в IV тысячелетии до н. э., отдельные находки подтверждают это.

Но самая ранняя мастерская по производству стекла, обнаруженная археологами, относилась к более позднему времени, ко II тысячелетию до н. э., и располагалась в окрестностях древнего города Тель-эль-Амарна в Египте.

Известный египтолог У. М. Флиндерс Питри реконструировал процесс изготовления стекла, относящийся ко временам Аменхотепа IV. По мнению ученого, египтяне около 1400 г. до н. э могли изготавливать прозрачное, но не вполне бесцветное стекло. Оно содержало чистый кремний в виде толченого кварцевого песка или гальки и щелочи древесной золы. Варили такое стекло в глиняных лоточках или горшках емкостью около 0,25 л.

Типы флоат-стекла

Независимо от толщины прозрачное стекло, полученное флоат-методом, обладает высоким коэффициентом светопропускания (более 88%). При этом флоат-стекло различается на бесцветное и особо прозрачное – по степени цветового оттенка. Чем выше толщина бесцветного флоат-стекла обычного типа, тем больше снижается коэффициент направленного светопропускания, появляется заметный голубоватый или зеленоватый оттенок. В стеклах особо прозрачного типа увеличение толщины практически не влияет на светопропускание. Визуальное отличие между двумя типами термополированного стекла особенно заметно при наблюдении торца стекла – лист бесцветного стекла будет иметь яркий цветовой оттенок в торце, а особо прозрачное стекло такого оттенка либо не имеет вовсе, либо он слабо выражен.

Коэффициент светопропускания также зависит от химического состава, присутствующего в данном листе стекла. А химический состав определяется сырьем, используемым при составлении смеси для отливки стекла. Ведущие мировые производители флоат-стекла применяют в процессе его получения примерно схожее сырье и рецептуры, проводят тщательную подготовку сырья в отношении очистки от любых посторонних примесей. Поэтому их продукция обладает приблизительно схожим коэффициентом направленного пропускания света, однако имеет некоторые визуальные различия по цветовому оттенку.

Окрашенное в массе цветное флоат-стекло, избирательно поглощает и пропускает свет в зависимости от спектра. Из-за свойств поглощения света такие стекла носят название «солнцезащитные», «светозащитные» и т.п. Чем толще цветное стекло – тем хуже оно пропускает свет и тем выше его поглощает. При визуальном наблюдении окрашенные в массе тонкие стекла выглядят светлее, чем толстые. Важно учитывать эту деталь при остеклении цветным флоат-стеклом фасадов, иначе его цветность будет неоднородной.

Интенсивность цвета стекла также связана с химическим составом сырья, используемого при его производстве. Также существует зависимость от качества и количества красителей. Компании, занимающиеся выпуском флоат-стекла, используют в процессе свои рецептурные составы и диапазон расцветок стекла достаточно широк. Но малейшее изменение состава в расплаве стекломассы, причиной которому могут быть самые разные причины технологического характера, часто приводят к заметным различиям в цвете между партиями цветного стекла при полной идентичности данных по производителю, толщине и марке.

Ввиду высокого поглощения солнечного света и, в результате, нагрева, цветные стекла следует с осторожностью использовать в наружном остеклении. К примеру, в условиях неравномерной освещенности – часть стекла находится на солнце, а часть в тени – в нем образуется температурный перепад, часто приводящий к растрескиванию стекла. Учитывая это факт, применение стекол с коэффициентом светопоглощения свыше 25% в остеклении фасадов допускается лишь в том случае, если они упрочненные.

Технология изготовления стекла

Как вы думаете, кто впереди планеты всей в области древнего стекловарения? Правильно — древние египтяне. Примерно до 4 тыс. до н.э. древние египтяне

варили так называемый «египетский фаянс» из стеатита, мягкой кварцевой муки или цельного природного кварца.

Существует мнение, что наиболее ранние образцы изготовлены из стеатита. Минерал этот по составу представляет собой силикат магния, он присутствует в природе в больших количествах. Изделия, вырезанные из куска стеатита, для получения глазури покрывались порошкообразной смесью из сырых материалов, входящих в её состав, и обжигались. Глазурь эта, по химическому составу представляющая собой силикат натрия с небольшой примесью кальция — не что иное как легкоплавкое стекло, окрашенное в голубые и зеленовато-голубые тона медью, иногда с изрядной примесью железа.

Египетские стекловары плавили стекло на открытых очагах в глиняных мисках. Спёкшиеся куски бросали раскалёнными в воду, где они растрескивались. Получившиеся обломки, так называемые фритты, растирали в пыль жерновами и снова плавили.

Фриттование использовалось в качестве основной технологии изготовления стекла даже по окончании Средневековья, поэтому на старых гравюрах и при археологических раскопках мы всегда находим две печи — одну для предварительной плавки и другую для плавки фритт.

Необходимая температура проплавления составляет 1450 °C, а рабочая температура — 1100—1200 °C. Средневековая плавильная печь («гуть» — по чешски) представляла собой низкий, топящийся дровами свод, где в глиняных горшках плавилось стекло. Выложенная только из камней и глинозёма, долго она не выдерживала, но надолго не хватало и запаса дров. Поэтому, когда лес вокруг гуты вырубали, её переводили на новое место, где леса было ещё в достатке.

Ещё одной печью, обычно соединяемой с плавильной, была отжигательная печь — для закалки, где готовое изделие нагревалось почти до точки размягчения стекла, а затем — быстро охлаждалось, чтобы тем самым компенсировать напряжения в стекле (предотвратить кристаллизацию).

В виде такой конструкции стеклоплавильная печь продержалась до конца XVII века, однако нехватка дров вынуждала некоторые гуты, особенно в Англии, уже в XVII веке переходить на уголь. Со сменой топлива возникли очередные неудобства: улетучивающаяся из угля двуокись серы окрашивала стекло в жёлтый цвет. Чтобы избежать этого, англичане начали плавить стекло в так называемых крытых горшках.

Интересны сведения о том, что стекло, в общем смысле, за время своего существования не претерпело практически никаких изменений (самые ранние образцы того, что стали называть стеклом, ничем не отличаются от известного всем — бутылочного), однако в данном случае речь идёт о веществе и материале минерального происхождения, нашедшем применение в современной практике.

Область применения термополированного стекла

Это основной продукт в строительстве, используемый для перекрытия светопроницаемых конструкций. 70% производимого флоат-стекла подвергается дополнительной обработке – закалке, нанесению покрытий, включается в состав стеклопакетов, из него производятся многослойные стекла и пр.

Бесцветное флоат-стекло широко применяется в остеклении светопрозрачных конструкций, требующих высокого пропускания света. Особо прозрачное термополированное стекло необходимо в тех ситуациях, когда присутствует потребность в одновременно высоком пропускании света и полном отсутствии цветовых оттенков, как-то:

• при построении многослойных стекол для объемных аквариумов, витрин и т.д.;
• при декоративной отделке стекла лаками и красками (иначе цветовой оттенок стекла исказит тональность краски);
• при безрамном ограждении светопроницаемых проемов (кромочная часть не закрывается, лишь подвергается полировке).

Цветное стекло используется при построении внутренних и внешних интерьеров зданий, оно служит своеобразным барьером для избыточного излучения солнца, препятствуя прогреву внутренней атмосферы дома в условиях жаркого климата. Применение окрашенного в массе флоат-стекла с целью преуменьшения солнечных лучей способствует сокращению расходов на кондиционирование дома.

Первые стеклянные изделия получали, вероятно, двумя способами.

Первый состоял в том, что из расплава стекла, а он в те времена был достаточно вязким из-за низких температур варки, вытягивали нить и навивали ее на каменную заготовку или сердечник. Сердечник, изготовленный из песка, смешанного с каким-нибудь органическим вяжущим, после остывания изделия выдалбливался, в результате получался стеклянный сосуд. При втором способе заготовку или сердечник многократно погружали в расплавленное стекло, что по сути было процессом нанесения глазури.

Свидетельства о том, что на территории Месопотамии во II-I тысячелетиях до н. э. было высоко развито стеклоделие, содержатся в древнейших письменных источниках, глиняных клинописных табличках, времен XVIII-VIII вв. до н. э. В них приводятся рецепты цветных, прозрачных и позолоченных стекол, излагаются правила подбора топлива, описываются приемы работы с плавильной печью и др.

Красота стекла, особенно цветного, определила его использование на этой стадии для изготовления украшений, небольших флаконов и сосудов, для инкрустации посуды и других предметов.

Уже во II тысячелетии до н. э. изготовляли стекла широкой цветовой гаммы: голубое, синее, аметистовое, пурпурное, рубиново-красное, зеленое, желтое, коричневое, черное и др.

Древние мастера получали цветные стекла, добавляя в шихту различные металлы: медь, кобальт, марганец, сурьму, железо и т. д. Для глушения стекла, превращения его в непрозрачное применяли сурьму, олово, мышьяк, фосфор или медь.

К 1200 г. до н. э. египтяне начали изготовлять литое, а затем и прессованное стекло. Далее в развитии стеклоделия не наблюдалось заметного прогресса вплоть до рубежа нашей эры. Кроме глазурованной плитки, инкрустации стеклом каменных и керамических изделий, бус и небольших сосудов, казалось, не было попыток применить стекло в других изделиях. Стекло еще не родилось как строительный материал.

Настоящая революция в технологии стеклоделия произошла только с изобретением процесса выдувания.

Некоторые источники относят это событие к I в. до н. э., другие – к более раннему периоду III в. до н. э. Среди первых изобретателей называют древних вавилонян, древних греков и римлян.

Другое значительное достижение в стеклоделии – совершенствование конструкции печей, что повысило температуру плавки и надежность осветления стекла. В этот период на стекло обратили внимание зодчие; рождение нового строительного материала состоялось.

Считают, что римляне первыми начали применять стекло для остекления окон. Наиболее древнее римское оконное стекло относится к I и II в. н. э. Это голубоватые, зеленоватые или даже коричневые пластины стекла толщиной 3-6 мм с оплавленными краями. В III и IV вв. качество стекла улучшилось. Дошедшие до нас образцы свидетельствуют о том, что это были почти бесцветные или зеленоватые стекла.

Известно, что в средние века и эпоху Возрождения оконные стекла изготавливали тремя способами, суть которых не менялась со времен античности, а технология оттачивалась только за счет новых инструментов.

Первый способ получения плоского (оконного) стекла состоял в том, что расплав стекла раскатывался подобно лепешке на каменной плите. Полученные пластины стекла имели небольшие размеры, их поверхность не отличалась высоким качеством, а толщина была значительна.

Второй способ, «цилиндрический», заключался в том, что из шарообразной стеклянной заготовки на конце трубки выдували длинный цилиндр. После охлаждения дно и верхнюю часть откалывали, а цилиндр разрезали по длине и помещали на глиняную плиту в плавильную печь, где он распрямлялся в лист. Этот способ позволял получать тонкие листы прямоугольной формы, но их поверхность сохраняла следы превращений цилиндрической поверхности в плоскую.

Третий способ позволял получать диски толщиной 2-3 мм и диаметром до 1,5 м. Выдували большой стеклянный шар, который служил заготовкой. Дно его прикрепляли к специальному стержню (понтии), откалывали от выдуваемой трубки, а затем путем вращения превращали в плоский диск.

Стекло

Широкая употребительность стекла обусловлена неповторимым и своеобразным сочетанием физических и химических свойств, не свойственным никакому другому материалу. Например, без стекла, вероятно, не существовало бы обычного электрического освещения в том виде, в каком мы его знаем. Не было найдено никакого другого материала для колбы электрической лампы, который объединял бы в себе такие важные качества, как прозрачность, теплостойкость, механическая прочность, хорошая свариваемость с металлами и дешевизна. Аналогично, прецизионные оптические элементы микроскопов, телескопов, фотоаппаратов, кино- и видеокамер и дальномеров в отсутствие стекла, вероятно, не из чего было бы изготовить. Все указанные выше свойства в конечном счете связаны с тем фактом, что стекла являются аморфными, а не кристаллическими материалами.

При комнатной температуре стекло представляет собой твердый хрупкий материал и обычно остается таковым при повышении температуры вплоть до 400° С. Однако при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается, вначале почти незаметно, пока, наконец, не становится вязкой жидкостью. Процесс перехода стекла из твердого состояния в жидкое не характеризуется сколько-нибудь определенной температурой плавления. При правильном охлаждении жидкого стекла этот процесс происходит в обратном направлении также без кристаллизации (деаморфизации).

ПРОИЗВОДСТВО СТЕКЛА

Сырьевые материалы. Смесь, или шихта, из которой приготавливается стекло, содержит некоторые главные материалы: кремнезем (песок) почти всегда; соду (оксид натрия) и известь (оксид кальция) обычно; часто поташ, оксид свинца, борный ангидрид и другие соединения. Шихта также содержит стеклянные осколки, остающиеся от предыдущей варки, и, в зависимости от обстоятельств, окислители, обесцвечиватели и красители либо глушители. После того как эти материалы тщательно перемешаны друг с другом в требуемых соотношениях, расплавлены при высокой температуре, а расплав охлажден достаточно быстро, чтобы воспрепятствовать образованию кристаллического вещества, получается целевой материал — стекло.

Хотя песок внешне не похож на стекло, большинство распространенных стекол содержат от 60 до 80 мас.% песка, и этот материал как бы образует остов, относительно которого протекает процесс стеклообразования. Стеклообразующий песок — это кварц, наиболее распространенная форма кремнезема. Он подобен песку с морского пляжа, из которого, однако, удалено большинство посторонних примесей. Оксид натрия Na₂O обычно вводится в шихту в виде кальцинированной соды (карбоната натрия), однако иногда используется бикарбонат или нитрат натрия. Все эти соединения натрия разлагаются до Na₂O при высоких температурах. Калий применяется в форме карбоната или нитрата. Известь добавляется в виде карбоната кальция (известняка, кальцита, осажденной извести) либо иногда в виде негашеной (CaO) или гашеной (Ca(OH)₂) извести. Главные источники монооксида бора для производства стекла — бура и борный ангидрид. Оксид свинца обычно вводится в шихту в виде свинцового сурика или свинцового глета.

Типы стекол

Кварцевое стекло. Стекло, состоящее из одного только кремнезема, правильно называть плавленым кварцем или кварцевым стеклом. Это простейшее стекло по своим химическим и физическим свойствам, и оно обладает многими необходимыми параметрами: не подвергается деформированию при температурах вплоть до 1000° С; его коэффициент теплового расширения очень низок, и поэтому оно обладает стойкостью к термоудару при резком изменении температуры; его объемное и поверхностное удельные электрические сопротивления весьма высоки; оно отлично пропускает как видимое, так и ультрафиолетовое излучение. К сожалению, кварцевое стекло с большим трудом плавится и перерабатывается в изделия. Высокая стоимость кварцевого стекла ограничивает его применение изделиями специального назначения, такими, как химико-лабораторная посуда, ртутные лампы и компоненты оптических систем, работающие при высоких температурах.

Натриево-силикатные стекла. Натриево-силикатные стекла получают сплавлением кремнезема (оксида кремния) и соды (оксида натрия). Смесь 1 части оксида натрия (Na₂O) с 3 частями оксида кремния (SiO₂) плавится при температуре, на

900° С более низкой, чем чистый кремнезем; оксид натрия действует как сильный флюс. К сожалению, такие стекла растворяются в воде, и хотя они чрезвычайно важны для промышленного применения, из них нельзя изготавливать большинство изделий.

Известковые стекла. Древние стеклоделы обнаружили, что водорастворимость натриево-силикатных стекол можно устранить добавлением извести. Анализы древних стекол показывают поразительное сходство их химического состава с составом современных стекол, хотя современные стеклоделы, в отличие от древних, знают также, что добавление небольших количеств других оксидов, например оксида магния MgO, оксида алюминия Al₂O₃, оксида бария BaO, дополнительно повышает качество стекла. Если главные ингредиенты шихты — оксиды Na₂O, CaO и SiO₂, то получаемые стекла называются натриево-известково-силикатными, натриево-известковыми или просто известковыми стеклами независимо от присутствия других составляющих. С небольшими изменениями в составе эти стекла широко используются для изготовления листового и зеркального стекла, стеклотары, колб электроламп и многих других изделий. Эти стекла относительно легко плавятся и перерабатываются в изделия, а сырьевые материалы для них недороги. Вероятно, 90% производимого сегодня стекла является известковым.

Свинцовые стекла. Свинцовые стекла изготавливают сплавлением оксида свинца PbO с кремнеземом, соединением натрия или калия (содой или поташем) и малыми добавками других оксидов. Эти свинцово-натриево(или калиево)-силикатные стекла дороже известковых стекол, однако они легче плавятся и проще в изготовлении. Это позволяет использовать высокие концентрации PbO и низкие — щелочного металла без ущерба для легкоплавкости. Такой состав поднимает диэлектрические свойства материала до такого уровня, что делает его одним из лучших изоляторов для использования в радиоприемниках и телевизионных трубках, в качестве изолирующих элементов электроламп и конденсаторов. Высокое содержание PbO дает высокие значения показателя преломления и дисперсии — двух параметров, весьма важных в некоторых оптических приложениях. Те же самые характеристики придают свинцовым стеклам сверкание и блеск, украшающие самые утонченные изделия столовой посуды и произведения искусства. Большинство стекол, называемых хрусталем, являются свинцовыми.

Боросиликатные стекла. Стекла с высоким содержанием SiO₂, низким — щелочного металла и значительным — оксида бора B₂O₃ называются боросиликатными. Борный ангидрид действует как флюс для кремнезема, так что содержание щелочного металла в шихте может быть резко уменьшено без чрезмерного повышения температуры расплавления. В 1915 фирма «Корнинг гласс уоркс» начала производить первые боросиликатные стекла под торговым названием «пирекс». В зависимости от конкретного состава стойкость к термоудару таких стекол в 2-5 раз выше, чем у известковых или свинцовых; они обычно намного превосходят другие стекла по химической стойкости и имеют свойства, полезные для применения в электротехнике. Такое сочетание свойств сделало возможным производство новых стеклянных изделий, в том числе промышленных труб, рабочих колес центробежных насосов и домашней кухонной посуды. Зеркало крупнейшего телескопа в мире на г. Паломар в Калифорнии изготовлено из стекла сорта «пирекс».

Другие стекла. Существуют много других типов стекол специального назначения. Среди них — алюмосиликатные, фосфатные и боратные стекла. Производятся также стекла с разнообразной окраской для изготовления линз, светофильтров, осветительного оборудования, косметической тары и домашней утвари.

Варка. Стекло варится путем выдерживания смеси сырьевых материалов при высоких температурах (от 1200 до 1600° С) в течение продолжительного времени — от 12 до 96 ч. Такой режим обеспечивает протекание необходимых химических реакций, в результате чего сырьевая смесь приобретает свойства стекла.

В древние времена варка производилась в глиняных горшочках глубиной и диаметром 5- 7 см . В настоящее время применяются шамотные горшки гораздо больших размеров, вмещающие от 200 до 1400 кг шихты, для производства оптического, художественного и других видов стекла специального состава. В одной печи могут выдерживаться от 6 до 20 горшков. Большие массы стекла варятся в ванных печах непрерывного действия. Постоянный уровень расплавленного стекла в ванне поддерживается путем непрерывной подачи шихты на одном из концов установки и извлечения готового продукта с той же скоростью из другого конца; в таком режиме некоторые стекловаренные печи работали в течение пяти лет, прежде чем возникала необходимость в ремонте. Крупные печи, иногда вмещающие несколько сот тонн расплавленного стекла, приспосабливаются к интенсивному механическому производству. Как горшковые, так и ванные печи обычно нагреваются сжиганием природного газа или мазута.

Переработка в изделия.

В отношении переработки в изделия стекло отличается от большинства других материалов двумя особенностями. Во-первых, оно должно перерабатываться, будучи чрезвычайно горячим и полужидким. Во-вторых, операции формования должны выполняться за короткие периоды, длящиеся от нескольких секунд до, самое большее, нескольких минут, — за это время стекло охлаждается до состояния твердого тела. При необходимости дальнейшей обработки стекло вновь должно быть нагрето. В расплавленном состоянии стекло может быть вытянуто в длинные нити, обладающие гибкостью при высокой температуре, извлечено из общей массы погруженным в него инструментом в виде небольшого сгустка, подцеплено концом стеклодувной трубки либо разлито в формы для получения отливок или прессовок. Поскольку стекло легко сплавляется с металлом, отдельные части сложного изделия соединяются друг с другом после повторного нагрева, благодаря которому также обеспечивается чистота соединяемых поверхностей. Вращение заготовки с постоянной скоростью при обработке придает изделию осесимметричную форму. Готовые стеклянные изделия подвергаются процессу отжига со стадией медленного охлаждения для релаксации напряжений. За все время производства стекла были созданы четыре главных метода его обработки: выдувание, прессование, прокатка и литье. Первые три метода используются как в мелкосерийном ручном, так и в непрерывном машинном производстве. Литье, однако, трудно приспособить к крупносерийному производству.

Последние достижения

В разработке средств механизации для быстрого и дешевого производства стеклянных изделий в 20 в. было достигнуто больше успехов, чем за всю предыдущую историю стекольного дела. В 1900-х годах, хотя уже были заложены основы механизации технологических процессов и массового производства, стекло все еще использовалось главным образом для получения только пяти видов изделий: бутылок, столовой посуды, окон, линз и украшений. С тех пор стекло стало производиться многими предприятиями и нашло применение буквально в тысячах различных областей. Теперь стекло легко приспосабливают к требованиям заказчика. Оно может быть прозрачным, полупрозрачным или непрозрачным, окрашенным или бесцветным. Некоторые виды стекла так же легки, как алюминий, а другие так же тяжелы, как чугун; есть стекла, по прочности превосходящие сталь. Из них изготавливаются волокна в 10 раз тоньше человеческого волоса и листы, столь же тонкие, как бумага. Стеклянные изделия могут быть крошечными, хрупкими и легкими или такими массивными, как сплошное 508-сантиметровое, 20-тонное зеркало Паломарского телескопа.

Плоское стекло. В течение и сразу после Первой мировой войны были разработаны новые и полностью непрерывные методы изготовления как оконного, так и зеркального стекла. В 1928 было создано многослойное безосколочное стекло для автомобилей. Вскоре после этого было освоено производство закаленного плоского стекла путем термообработки (закалки с высоким отпуском) твердых полированных листов. Этот процесс повышает прочность в несколько раз и дает продукт с исключительно высокими гибкостью и стойкостью к истиранию и всем видам механического и теплового удара. Когда такое стекло разбивается, оно распадается не на длинные, острые осколки, как обычное стекло, а на маленькие округлые кусочки, которые относительно безвредны. Отпуск оказывается эффективным при упрочнении не только плоского стекла, но и кухонной посуды, мерного стекла, линз защитных очков и круглых колб светильников. Стеклопакеты, заменяющие вставные оконные переплеты, — сравнительно новая разработка конструкции с плоским стеклом. Они состоят из двух или более листов стекла, герметично соединенных по периметру рамкой. Пространство между листами заполняют очищенным и осушенным воздухом. По сравнению с одинарным остеклением стеклопакеты уменьшают теплопотери почти на 50% и надолго избавляют от проблем, связанных с применением наружного оконного переплета, проникновением пыли и конденсацией влаги.

Стеновые стеклоблоки. Производство стеновых стеклоблоков и стекловолокна началось в 1931. Трудно вообразить два других вида стеклянных изделий, столь непохожих друг на друга. Стеновые стеклоблоки массивны и изготовляются сваркой двух прессованных полублоков с образованием герметической полости между ними. Такие элементы монтируются при строительстве с использованием обычных инструментов и материалов. Получаемые из них «стены дневного света» пропускают большую часть падающего на них солнечного излучения, но уменьшают его яркость, обеспечивают хорошую теплоизоляцию и практически исключают конденсацию влаги. Эти полезные свойства обусловили широкое использование стеновых стеклоблоков как элементов строительных конструкций.

Стекловолокно. В отличие от бытового стекла стекловолокно обычно изготавливается в форме нитей диаметром меньше 1 мкм. Поскольку каждое волокно представляет собой, по существу, сплошной стеклянный стержень, в объеме оно обладает всеми свойствами стекла. Стекловолокно термостойко и негорюче. Оно не поглощает влаги, не гниет и не подвержено химическому разложению. Оно атмосферо-, кислото-, масло- и коррозионностойко, а также не проводит электричества. Из стекловолокна можно изготавливать нити, ленты, оплетки и корд. Из несколько более толстых, коротких волокон получают упругую ватоподобную массу, называемую стекловатой. В такой форме стекловолокно — отличный теплоизолятор. Различные виды стекловолокна в сочетании с асбестом, слюдой, пластмассами и силиконами дают превосходные композиционные материалы. Действительно, материалы, состоящие из параллельных стеклянных нитей, внедренных в сложный полиэфир или другую матрицу, по прочности на единицу массы могут быть намного прочнее обычных конструкционных материалов, включая сталь, алюминий, магний и титан. Армированные стекловолокном пластмассы этого типа теперь широко используются для изготовления деталей самолетов и ракет, труб, резервуаров, корпусов лодок и строительных панелей. Промышленность стекловолокон выросла с удивительной быстротой ввиду широкого применения этого вида стекла в композиционных материалах.

Специальное кварцевое стекло. В 1939 был изобретен еще один замечательный вид стекла, названный 96%-м кварцевым стеклом. Этот продукт по своим свойствам практически эквивалентен чистому плавленому кварцу, однако он может производиться дешевле и с большим разнообразием форм и размеров. Стойкость к термоудару этого вида стекла настолько велика, что после нагрева до точки размягчения его можно сразу же опустить в холодную воду, не вызвав разрушения. Удельное электрическое сопротивление и химическая стойкость этого вида стекла также весьма высоки. Некоторые разновидности 96%-го кварцевого стекла обладают исключительно высоким пропусканием в середине ультрафиолетовой области спектра, что позволяет использовать такое стекло в солнечных и бактерицидных лампах, лабораторном оборудовании и специальных электротехнических изделиях.

Пеностекло. Пеностекло — еще один продукт изобретательности стеклоделов — по структуре похоже на хлеб и может распиливаться на куски нужного размера. Разработанное в 1940, это стекло так мало весит, что не тонет в воде, и все же является жестким, не горит и не выделяет запахов. Такая аномалия свойств создается после смешения тонко измельченных кокса и стекла и нагрева смеси до высокой температуры. Смесь мучнистого вида расплавляется, превращаясь в черную пену, которая заполняет объем формы и потом застывает. В результате получается твердый ячеистый материал с сотнями тысяч заполненных воздухом изолированных ячеек на 1 дм 3 . После снятия форм блоки пеностекла разрезаются до нужных размеров. Этот замечательный продукт весит примерно столько же, сколько весит пробка, и во время Второй мировой войны использовался в качестве заменителя пробки, а также пробковой древесины, пористой резины и капка. Как и пробка, пеностекло — отличный изолятор. Однако в отличие от пробки на него не влияют сырость и конденсация влаги, так что оно очень подходит для обкладки холодильных камер и бытовых холодильников. Пеностекло в равной мере успешно может применяться и для высокотемпературной теплоизоляции вплоть до 425° С, поскольку оно не только не горит, но и заглушает огонь. Новый сорт пеностекла содержит 99% кремнезема и может использоваться при температуре до 1200° С.

Металлизация. На поверхность стекла можно наплавить тонкий слой металла; при этом соединение получается настолько прочным, что к металлическому покрытию можно припаять довольно массивные металлические детали. Этот метод широко применяется в радио- и электротехнической промышленности.

Проводящие покрытия. Был открыт целый ряд необычных применений стекла в связи с тем, что ему можно придать свойство поверхностной проводимости. Это достигается напылением на поверхность стеклянного изделия тонкого, прозрачного, почти невидимого слоя оксида металла. Такое покрытие весьма долговечно и имеет поверхностное сопротивление в пределах от 10 до 100 Ом/см 2 . При обычных температурах можно использовать известковое стекло, а при высоких — боросиликатное. Изготовленные из такого стекла панели лучистого нагрева могут работать при температурах до 350° С. Подобные панели — хороший источник энергии длинноволнового инфракрасного излучения, которое большинство веществ и сред поглощает с эффективностью 90% и более. Таким способом изготавливаются настольные стеклянные излучатели и вспомогательные нагреватели для помещений. Проводящие покрытия, нанесенные на ветровые стекла самолетов, сохраняют их теплыми и свободными от льда.

Электротехнические изделия. Стеклянные колбы широко используются в качестве оболочек для ламп накаливания и электронно-лучевых трубок. Проволочные резисторы, трансформаторы, конденсаторы, реле и переключатели могут заключаться в оболочки из отпущенного стекла с выводами через стеклянные изоляторы. Крупные проходные изоляторы массой до 22 кг, рассчитанные на сильные токи и высокие напряжения, изготавливаются путем центробежной отливки стекла вокруг металлических втулок. С применением стекла изготавливаются конденсаторы как постоянной, так и переменной емкости. В конденсаторах постоянной емкости используется листовое стекло толщиной до 0,025 мм. Конденсатор переменной емкости состоит из изготовленной с жестким допуском стеклянной трубки, часть внешней поверхности которой металлизируется для образования одной обкладки. Внутрь трубки вставляется стержень из латуни или инвара, образующий вторую обкладку. Стеклянные трубки или стержни с нанесенной на них углеродной, металлической или металлооксидной пленкой используются в качестве резисторов.

Светочувствительные стекла. В 1947 было обнаружено, что стекла некоторых составов при воздействии ультрафиолетового излучения образуют скрытое изображение, которое может быть проявлено путем нагрева стекла чуть выше температуры отжига. Скажем, на стекло можно наложить фотографический негатив и облучить его ультрафиолетом, а потом нагреть стекло; в результате в объеме стекла появится воспроизведенное в цвете изображение. Цвет изображения зависит от вида светочувствительного металла, введенного в шихту. Один из составов дает опаловое стекло такой природы, что разбавленная фтористоводородная кислота протравливает облученную часть раз в пятнадцать быстрее, чем необлученную. Эта огромная разница в растворимостях позволяет осуществлять химическое травление. Таким способом в стекле можно вытравливать отверстия размером меньше половины среднего диаметра человеческого волоса в количестве до 100 тыс. отверстий на 1 см 2 . Стекла этого типа используются для изготовления световых табло, именных табличек и декоративных плиток, а также в качестве чувствительных элементов дозиметров. После воздействия проникающего излучения некоторые из таких стекол ярко светятся при облучении ультрафиолетовым светом, а другие меняют свой цвет. Интенсивность флуоресценции или степень изменения окраски пропорциональна полученной дозе облучения.

Стеклокерамика. Это гибридное название относится к материалам, которые вначале были произведены как стекла, а потом во всей своей массе переведены в кристаллическое состояние. Они выпускаются фирмой «Корнинг гласс уоркс» под зарегистрированными торговыми названиями «пирокерамика» и «фотокерамика».

Сырьевые материалы для изготовления стеклокерамики примерно те же, что и для изготовления стекла, однако включают некоторые дополнительные добавки, играющие роль зародышеобразователей. После формования одним из обычных способов — прессования, выдувания или прокатки — изделие нагревается до температуры образования ядер кристаллизации. В 1 см 3 изделия образуются миллиарды таких ядер, которые вырастают до мельчайших кристаллов, хотя никакой видимой кристаллизации не происходит. Затем температура повышается, и во всем объеме стеклообразного изделия начинается кристаллизация вокруг кристаллов-зародышей. Процесс продолжается до тех пор, пока растущие кристаллы не наталкиваются друг на друга и вся масса изделия не становится кристаллической за исключением малых областей стеклообразной матрицы на границах кристалла. Температуры переработки, зародышеобразования и кристаллизации зависят от состава стекла. В некоторых случаях образование ядер кристаллизации производится воздействием рентгеновского или ультрафиолетового излучения с последующей термообработкой.

В отличие от обычной керамики, стеклокерамика не имеет пор, а ее кристаллы меньше размером и более однородны. По сравнению со стеклом-основой стеклокерамика тверже, не деформируется до более высоких температур и в несколько раз прочнее. Одним из первых ее применений были обтекатели ракет. Теперь широко используется стеклокерамическая посуда, которую можно переставлять из холодильника прямо на плиту. Лабораторная посуда, цилиндры двигателей и даже шарикоподшипники изготавливаются из стеклокерамики. Эти разработки — главное достижение в технологии стекла.

По материалам Энциклопедии «Кругосвет»

Добавлено: 18.04.2021 10:16:29

Еще статьи в рубрике Статьи про современные строительные материалы, применяемые при строительстве:

• Геотекстиль

Геотекстиль – геосинтетический материал изготовленный из из бесконечных полипропиленовых волокон, что обеспечивает его высокие физико-механические свойства (в частности изотропность), а также .

Гипсокартон — это композитный материал, основу которого составляет гипс, а наружные плоскости облицованы картоном. Различают обычные (ГКЛ), влагостойкие (ГКЛВ), огнестойкие (ГКЛО), .

Асбестоцемент — строительный материал, изготовляемый из водной смеси цемента и асбеста. На 100 частей (по массе) портландцемента марки 500 и выше .

С помощью герметиков легко можно заделать трещины в стыках конструкций, обеспечить герметичность соединений. .

Это материал на основе чистых, безопасных, природных компонентов: цемента, песка, древесных опилок. Благодаря высокому содержанию органического наполнителя (опилки) опилкобетонные блоки имеют .

Герметизирующие средства незаменимы при строительстве. Наиболее популярными среди них являются герметики и монтажная пена. Многие до сих пор путают эти виды .

Источник https://okno-pro.ru/izdeliya-iz-stekla/himicheskaya-zakalka-tehnologiya.html

Источник https://www.stroi-baza.ru/articles/one.php?id=439

Источник