Подробно о стекле

Стекло – твёрдый, аморфный материал, получаемый при переохлаждении расплавленной смеси компонентов – шихты. Переход из жидкого состояния в стеклообразное обратим. При нагревании, прежде чем расплавиться стекло в отличие от кристаллических твердых тел, постепенно размягчается.

Существует легенда, что первыми изобрели стекло финикийцы. Возвращаясь с дальнего плавания, они решили остановиться на близлежащем острове. Развели костёр для того, чтобы приготовить еду. А так как камней не было, они поставили под котёл глыбы соды. Через некоторое время финикийцы заметили, что ракушки, сода и песок превратились в какую-то жидкость. Это и было стекло. Но у этой легенды существует опровержение: учёные доказали, что при открытом огне нельзя добиться температуры плавления компонентов.

Древние люди могли держать в руках стекло, даже не имея представления о его приготовлении, поскольку наряду с искусственным существует и природное стекло – перлит, обсидан. Из такого природного стекла делали режущий инструмент и украшения.

Потом научились делать стекло, разогревая до очень высокой температуры соду и песок - произошло это около 6 тыс. лет назад на восточном побережье Средиземного моря.

Пользуясь примитивной техникой, древние мастера уже в VI тыс. до н. э. изготавливали простейшие стеклянные вещи. Древнейшая сохранившаяся вещь такого рода – чаша Тутмоса III, изготовленная около 1450 г. до н. э. В Берлинском музее хранятся бусы бледно-зелёного цвета, найденные Флиндерсом Петри при раскопках неподалёку от Фив, причём возраст находки около 5500 лет. Цилиндр из светло - голубого стекла прекрасного качества, найденный в Телль - Асмаре, близ Багдада, сделан в середине 3-го тысячелетия до н. э.; плотностью 2,463, показатель преломления 1,515, в нём нет неоднородностей и посторонних включений. Довольно часто в раскопках встречаются бальзамарии .

Если во время экскурсии по Эрмитажу – крупнейшему музею нашей страны – повнимательнее рассмотреть оконные стёкла, можно заметить, что они разные. Есть обыкновенные бесцветные, а есть слегка окрашенные в бледно–фиолетовый цвет. Это особые, аметистовые, стёкла – они были сделаны по специальному заказу и вставлены в оконные рамы очень давно, при постройке Зимнего дворца. К сожалению, этих старинных стёкол осталось очень мало, большая часть уже разбилась.

Начало промышленного производства стекла в России относится к первой половине XVII в. В XVIII столетии наряду с обычными стекольными были заложены хрустальные заводы, дятьковский и гусевский.

Как и в любой другой отрасли, прогресс в развитии стекольной промышленности был тесно связан с научными изысканиями. Важную роль в развитии научного стеклоделия сыграла первая печатная работа, специально посвящённая вопросам изготовления стекла. Эта книга « Об искусстве стеклоделия » небольшого формата, объёмом в 120 страниц, подразделённая на 7 «книг», включающих 133 короткие главки, была опубликована во Флоренции в 1612г. уроженцем этого города Антонио Нери . Книга содержит рецепты и указания по получению стекла и огромного разнообразия окрашенных стёкол. Особая ценность её в том, что, как отмечает автор, всё было опробовано и сделано им самим. Книга многократно издавалась в разных странах .

Уже в древности заметили, что битое стекло можно снова пустить в дело. В Триетском заливе Адриатического моря недавно подняли со дна римское торговое судно, затонувшее во II веке нашей эры. На его борту обнаружили груз, состоявший из большого числа стеклянных осколков. По документам удалось установить, что их везли для переплавки.

Основоположником научного подхода к производству стеклянных изделий в нашей стране был М. В. Ломоносов. Его исследования отличались целенаправленным поиском оптимального состава шихты, компоненты которой он отмерял точно по массе, что не делали его современники и предшественники. Он провёл около 2000 плавок стекла, получив при этом новые виды окрашенных стёкол и восстановив многие утраченные рецепты. Ломоносов взялся возродить «мозаическое художество». Мозаика – изображение, составленное из отдельных кусочков цветного стекла. Искусство мозаики родилось в Древней Греции, позднее в Византии стали делать мозаику из смальты – специальных стеклянных кубиков. В эпоху Возрождения во Флоренции и Риме очень любили мозаику. Русские мастера в древности тоже владели этим искусством. Ломоносов заново открыл способ получения смальты любого цвета. В своей мастерской Ломоносов создал 40 мозаик , из которых наиболее знамениты: «Нерукотворный Спас» и портрет Петра I , ныне находящиеся соответственно в Историческом музее и Эрмитаже. В портрете Елизаветы Петровны он применяет изобретённые им ярко-красную и зелёную смальту.

Рассмотрим теперь некоторые области применения стекла в современном мире.

Важнейшие детали всех оптических приборов сделаны из стекла. А ведь не без помощи оптических методов сделаны крупнейшие открытия в физике: теория строения атома, квантовая теория, теория гравитации и расширяющейся вселенной и т. д.

В 1961 г. удалось получить лазерный эффект на стекле типа «баритового крона», активированного редкоземельным элементом неодимом. С тех пор специальные виды стёкол стали активно применяться в лазерной технике.

Существует много других видов стёкол: электровакуумные, электротехнические и другие виды. Многие слышали о новых материалах , диапазон которых необычайно широк: от быта до космоса.

В последние годы синтезированы «биокристаллы», эффективно используемые в хирургии, и различные типы кристаллов, обладающие редкими свойствами.

Наряду с неорганическими стёклами, получаемыми на основе традиционных силикатных стеклообразующих систем , существует так называемые органические стёкла. Это твёрдые прозрачные материалы, приготовленные из полиакрилатов, полиострола и других органических полимеров. Физико-химическая природа органических стёкол продолжает интересовать многих учёных. Важные результаты в этой области были впервые достигнуты в исследованиях советского физика П.П. Кобеко , который рассматривал органические стёкла с позиции физической теории полимеров.

Хотелось бы обратить внимание на обычное оконное стекло. Листовое оконное стекло – прозрачные неполимерованные листы стекла толщиной от 2 до 6 мм – составляет подавляющую часть продукции стекольной промышленности – 95% всех силикатных стёкол.

Римляне первыми начали делать тонкие оконные стекла. Они делали это путем отливки и раскатывания жидкого стекла в форму в виде противня, который изготавливался из глины. Отливки извлекались из формы еще в горячем виде, пока стекло сохраняло пластичность. Таким способом получали оконное стекло толщиной около 10мм и площадью до 0,5м2. Поскольку прилегающая к форме сторона листа оказывалась шероховатой, то стекло не было прозрачным.

Окна начали стеклить в конце средневековья, в XIV столетии. Тогда ещё не умели делать плоское листовое стекло, и окно состояло из небольших стеклянных пластинок, которые соединяли с помощью свинцовых переплётов, и все вместе вставляли в деревянную раму. Иногда окно украшали человеческими фигурами или орнаментами, нарисованными на стекле.

В домашнем быту вместо стекла употребляли промасленное полотно, бычий пузырь, в морозные зимы – куски речного льда. Но так было, конечно, у бедняков. Окно стоило очень дорого, и в те времена не было обыкновенным оборудованием дома. Оно было предметом роскоши, и владелец, переезжая, забирал окно с собой. Окно можно было подарить, можно было даже оставить в завещании!

В средние века оконное стекло получали выдуванием. Вначале выдували шар, который в результате раскатывания на плитке и размахивания в воздухе превращался в подобие большой ампулы. После отрезания верхней и нижней части получался цилиндр. Он разрезался вдоль и на раскаленной глиняной плите разглаживался в лист. Стекло получалось довольно тонким, хотя и небольшого размера. Сторона, прилегающая к плите при разглаживании, также получалась шероховатой, а значит, стекло опять было непрозрачным.

Производство стекла включает 6 стадий: 1) подготовка сырьевых материалов , 2) составление шихты , 3) стекловарение, 4) формование изделия,5) отжиг изделия, 6) обработка .

В состав шихты для современных стёкол в качестве основных компонентов входят соединения кремния, алюминия, кальция, магния, бора, свинца, железа, калия, натрия.

Способы получения стеклянных изделий

Расплавленную стекольную массу можно обрабатывать различными способами: выдуть, спрессовать, прокатать.

Выдувание в течение длительного времени было одним из главных способов обработки стекла. Стеклодувы работали вручную, проводя специальными инструментами лишь окончательную обработку. До сих пор ручным способом изготавливают специальную научную аппаратуру, лабораторную посуду, высокохудожественные изделия. Со временем люди придумали стеклодувную машину, которая с помощью вакуума выдувает стеклянный сосуд. Как правило, машинным способом изготавливают посуду: бутылки, банки, стаканы.

Посудные изделия изготавливают также методом прессования. Для прессованных изделий характерны мелкие неровности на внешней и внутренней поверхности.

Для получения оконного стекла используют метод вытягивания. В основе его лежало наблюдение американца Кларка, сделанное в первой половине XIX века. Оно состояло в том, что если на поверхность жидкого стекла положить железный стержень , а затем поднимать его, то стеклянная масса привариться к стержню и потянется за ним в виде полотна. При остывании на воздухе получается стеклянный лист. Следующим шагом на пути разработки механизированного способа было изобретение бельгийца Фурко. Он предложил положить на поверхность расплавленной массы керамический брус с продольной щелью. Если нажать на лодочку, то расплавленная масса выдавливается из щели. На неё опускают «приманку» и тянут вверх. Получается правильное полотнище с параллельными кромками. Толщина листа зависит от скорости подъёма и скорости охлаждения листа.

Современной промышленностью стекло производится и используется чрезвычайно широко. Стёкла могут различаться по составу, областям применения, отдельным свойствам, в частности по степени прозрачности. Есть стекло оконное, посудное, лабораторное, оптическое, медицинское. Существуют термостойкие и радиационностойкие стёкла, обратимо изменяющие цвет и прозрачность в зависимости от освещения. Из чистого песка получают кварцевое стекло. Расплавленный песок, остывая, образует стекловидную массу. В отличие от обычного стекла кварцевое стекло мало изменяется в объеме при изменении температуры. Посуду, изготовленную из него, можно раскалить добела, бросить в холодную воду, и она не растрескается. Из кварцевого песка делают лабораторную посуду. Другое его специфическое свойство – это способность пропускать ультрафиолетовые лучи, поэтому из него изготовляют так называемые кварцевые лампы, используемые в медицине.

Стекло научились окрашивать во все цвета радуги. Для этого, к сырью добавляют оксид соответствующего металла. Так, например, при добавлении оксида кобальта получают синее стекло. Оксид хрома придаёт стеклу зелёный цвет – получают зелёное стекло. Оксид меди придаёт сине – зелёный цвет. Серебро в коллоидном состоянии окрашивает стекло в желтый цвет. Кремлёвские звёзды сделаны из так называемого рубинового стекла. Это стекло, цвет которому придают растворённые в нём при варке соединения золота. Чтобы придать то или иное конкретное свойство, например степень прозрачности, в стёкла вводят также соединения редкоземельных элементов, кобальта, хрома, марганца. В стекло вместо Na2О с успехом можно заменить оксидами: MgO, PbO, ZnO, ВаО. В стекле всегда есть немного глинозёма Аl2O3, попадающего из стенок стекловаренного сосуда. Каждый из перечисленных оксидов обеспечивает стеклу специфические свойства. Бутылочное стекло низкого сорта, как правило, имеет окраску, которая зависит от присутствия в нём ионов железа.

По меньшей мере, половину элементов периодической системы, так или иначе, используют в стеклоделии. И в этом залог разнообразия свойств стёкол.

Но у всех стёкол есть общие свойства. Внешне они однородны, тверды и довольно хрупки, почти все изотропны, т. е. физические свойства стекла одинаковы по всем направлениям.

Относительная дешевизна стеклянных строительных материалов обусловливается широким распространением, а, следовательно, доступностью и дешевизной сырья для их производства.

Обычное оконное стекло имеет состав, который можно выразить формулой

Na2O . CaO . 6SiO2

Стекло можно сварить из одного кварцевого песка, химическая формула которого SiO2. Однако для этого нужна очень высокая температура . Получение таких температур в печах промышленного типа связано с большими трудностями. Обычные печи, в которых используется твёрдое, жидкое или газообразное топливо, для этого не годятся. Расплавленный кварцевый песок представляет собой столь густую и вязкую массу, что из неё трудно удалить воздушные пузырьки и придать изделиям нужную форму.

В стекловарении используют только самые чистые разновидности кварцевого песка, в которых общее количество загрязнений не превышает 2-3 %. Особенно нежелательно присутствие железа, которое даже в ничтожных количествах окрашивает стекло в зеленоватый цвет. Если к песку добавить соду Na2CO3, то удается сварить стекло при более низкой температуре . Такой расплав будет менее вязким . Но такое стекло растворимо в воде, а изделия из него подвергаются разрушению под влиянием атмосферных воздействий. Для придания стеклу нерастворимости в воде в него вводят третий компонент – CaCO3 .

Стекло, исходными компонентами шихты которого являются кварцевый песок, сода и известь, называют натрий – кальциевым. Оно составляет около 90% получаемого в мире стекла. При варке карбонаты кальция и натрия разлагаются в соответствии с уравнениями:

СаСО3=СаО+СО2

Na2CO3=Na2O+CO2

В результате в состав стекла входят оксиды SiO2, Na2O и СаО. Они образуют сложные соединения – силикаты, которые являются натриевыми и кальциевыми солями кремниевой кислоты. В настоящее время варка стекла проводится при температуре 1400º-1500ºС в течение нескольких часов. Процесс варки стеклоделы делят на три стадии: провар шихты, осветление , студка – осторожное охлаждение.

«Мошкой» стеклоделы называют мелкие пузырьки газа, распределённые по всей массе стекла. Её наличие в изделиях считается браком. Мошка особенно недопустима в оптических стёклах.

Стекольным свилем называют нитеобразные потоки. Свиль – это видимая граница двух соседних участков стекольной массы. Наличие свилей свидетельствует о плохой перемешанности стекольной массы при варке, то есть о её низком качестве.

В заключение хотелось бы сказать, что стекло используют везде: от быта и до космоса. Даже свой первый «обед» мы получаем из стеклянной бутылочки.