История стекла

Этапы развития стеклоделия

Естественное стекло известно человеку с древнейших времён. Наконечники стрел, ножи и т. п., изготовленные первобытным человеком из природного вулканического стекло (обсидиана), были найдены в самых различных местах земного шара.

Возникновение стеклоделия связано, по-видимому, с развитием гончарного производства. Получение стекла сперва было, вероятно, случайным. Примером такой возможности является образование стекла в результате расплавления золы при пожаре зернохранилищ. Производство стекла в Древнем Египте началось около 3000 лет до н. э. Из стекла делались различные украшения, амулеты .

Кроме рядовой продукции, здесь изготовлялись богатые уникальные изделия, украшенные эмалью и золотом. С древних времён стекло было известно в Китае, где в 5--3 вв. до н. э. стеклянные изделия появляются уже в довольно большом количестве [в т. ч. бусы с «глазовидным» узором и специфическим химическим составом С. (примесь бария)]. Первые письменные свидетельства об изготовлении стекла в Китае относятся к концу 3 в. В источниках 5 в. говорится об умении китайцев изготовлять С. пяти цветов.

В СССР развернулось строительство крупных механизированных новых стекольных заводов и реконструкция старых заводов. Накануне Великой Отечественной войны стекольная промышленность выдвинулась по объёму производства на 1-е место в Европе (с 11-го, какое занимала Россия в 1913).

Основы современной технологии стекла

Технология получения стекла состоит из двух производственных циклов. Цикл технологии стекломассы включает операции:

а) подготовки сырых материалов;

б) смешивания их в определённых соотношениях, в соответствии с заданным химическим составом стекла в однородную шихту;

в) варки шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы.

Цикл технологии получения стеклянных изделий складывается из операций:

а) доведения стекломассы до температуры (и вязкости), требуемой условиями формования из неё разнообразных стеклянных изделий;

б) формования изделий;

в) постеленного охлаждения изделий до комнатной температуры с целью ликвидации возникающих в процессе формования напряжений;

г) термической, механической или химической (в отдельности либо во взаимном сочетании) обработки отформованных изделий для придания им заданных свойств.

Сырые материалы, применяемые для стекловарения, делятся на главные и вспомогательные. Послед-ре служат для улучшения качества стекла и получения стекла с особыми свойствами. Главные сырые материалы содержат кремнезём, борный и фосфорный гидриды, амфотерную окись алюминия, оксиды елочных и щёлочноземельных металлов, окись свинца, цинка и др. Кремнезём, являющийся главной частью стекла, вводится в виде молотого кварца. Пригодность песка для стекловарения определяется содержанием в нём примесей и гранулометрическим (зерновым) составом. Вредными примесями являются прежде всего соединение железа и хрома, придающие желтовато-зелёный зеленый цвета. Размер зёрен песка для стекловарения должен находиться в пределах примерно 0,2--0,5 мм. Окись алюминия, применяемая в производстве большинства промышленных стекол., вводится с глиной, каолином, гидратом окиси алюминия или в виде чистого глинозёма. Окись натрия вводится с одной кальцинированной содой либо (частично) с селитрой. Окись калия вводится в виде солей -- кислой или азотнокислой (селитра); применяется главным образом в производство посуды, цветных, оптических и некоторых технических стекол. Окись лития используется при выработке опаловых и некоторых специальных стекол и даётся в виде содержащих литий минералов. Окись кальция вводится преимущественно в виде мела или известняка; окись магния -- в виде доломита, магнезита или жжёной магнезии. Окись бария применяется в виде углекислого, азотнокислого и (роже) сернокислого бария; используется при производстве оптических стекол и хрусталя. В тех же производствах находит применение окись свинца, которая вводится в виде сурика или глёта. Окись цинка даётся как таковая или в виде цинковых белил; применяется в производство оптических, химико-лабораторных и некоторых других стекол. В стекловарении используются также материалы, содержащие одновременно соответственные горные породы, доменный шлак, стеклянный бой и др.

Обработкой парами хлористого олова в сочетании с другими солями получают ирризирующие стекла, поверхность которых похожа на перламутр; при комбинированном прогреве слабо окрашенного стекла с молочным стеклом и последующем травлении плавиковой кислотой получают атласные стекла и т.д.

Старинным способом украшения посуды является живопись по стеклу путём нанесения на него муфельных красок (смеси легкоплавкой глазури и минеральных красок) с последующим обжигом. Для художественной отделки стекла на него наносят также различными способами тончайшие плёнки золота и серебра. Основой химических способов золочения и серебрения стекла является осаждение на поверхности изделий коллоидно-дисперсных частиц металла при его восстановлении из растворов солей. Серебрение, а также алюминирование широко применяются в производстве зеркал.

Химический состав стекла

Схема строения стекла.

Карбонат кальция, подобно соде, при сплавлении с песком взаимодействует с ним, образуя силикат кальция и двуокись углерода. При сплавлении с избытком песка смеси карбонатов натрия и кальция получают переохлажденный взаимный раствор полисиликатов кальция и натрия; это и есть обыкновенное оконное стекло. Главное свойство всякого стекла заключается в том, что оно переходит из жидкого в твердое состояние не скачком, а загустевает по мере остывания постепенно вплоть до полного затвердевания. Стекло -- аморфное вещество. Аморфные вещества отличаются от кристаллических тем, что атомы в них не образуют кристаллической решетки. Однако известная упорядоченность расположения атомов существует и в стеклах. Для плавленого кварца и силикатных стекол остаются в силе общие законы кристаллохимии силикатов; каждый атом кремния в них тетраэдрически окружен четырьмя атомами кислорода, но эти тетраэдры сочетаются друг с другом беспорядочно, образуя непрерывную пространственную сетку, в пустотах которой тоже беспорядочно располагаются ионы металлов (рис). Благодаря этому один «микроучасток» стекольной массы отличен по атомному строению от другого, соседствующего с ним. Этим и объясняется отсутствие у стекла постоянной точки плавления, постепенность перехода его из твердого в жидкое состояние и обратно.

При детальном исследовании стекла изучаются, в зависимости от технических условий, следующие его физико-химические свойства: вязкость, поверхностное натяжение, внутренние напряжения, температура раэмягчения, удельный вес, предел прочности на сжатие, разрыв и изгиб, твёрдость, модуль упругоси, газопроницаемость, термическое расширение, теплоёмкость, теплопроводность, электропроводность, диэлектрические потери, показатель преломления, спектральные характеристики в видимой и невидимой части спектра, химическая стойкость, кристаллизационная способность и другие. Прочность на разрыв зависит от толщины стекла и от термической его обработки. Наибольшей теплопроводностью отличается прозрачное кварцевое стекло.

СТЕКЛО ОПТИЧЕСКОЕ -- прозрачное стекло любого химического состава, обладающее высокой стептнью однородности. Содержат 46,4% РЬО, 47,0% Si0 и другие оксиды; кроны -- 72% SiO щелочные и другие оксиды.

Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др. Стекло для оптических приборов изготовлялось уже в 18 веке, однако возникновения собственно производства оптического стекла относится к началу 19 века, когда швейцарским учёным П. Гинаном был изобретён способ механического размешивания стекломассы во время варки и охлаждения -- круговым движением глиняного стержня, вертикально погруженного в стекло. Этот приём, сохранившийся до настоящего времени, позволил получить стекло высокой степени однородности. Производство оптического стекла получило дальнейшее развитие благодаря совместным работам немецких учёных Э. Аббе и Ф. О. Шотта, в результате которых в 1886 возник известный стекольный завод товарищества Шотт в Иене (Германия), впервые выпустивший огромное многообразие современных оптическиъх стекол. До 1914 производство оптического стекла существовало только в Англии, Франции и Германии. В России начало производства оптического стекла относится к 1916. Оно достигло большого развития только после Великой Октябрьской социалистической революции благодаря работам советских учёных Д. С. Рождественского, И. В. Гребенщикова, Г. Ю. Жуковского, Н. Н. Качалова и др.

Основное требование, предъявляемое к оптическому стеклу-- это высокая степень однородности. Отсутствие однородности вызывает отклонение лучей света от их правильного пути, что делает стекло негодным для его прямого назначения. Однородность оптического стекла нарушается причинами химического и физического порядка. Химическая неоднородность обусловлена местными изменениями химического состава и устраняется размешиванием оптического стекла в процессе варки. Физическая неоднородность вызывается напряжениями, возникающими в процессе охлаждения оптического стекла, и устраняется тщательным отжигом. Оптическое стекло должно иметь определённые оптические свойства-- точные величины показателей преломления для лучей различных длин волн. Большой ассортимент оптического стекла с различными показателями преломления и средней дисперсией имеет огромное значение при расчёте и конструировании оптич. систем для снижения их дефектов, в частности для уничтожения вредного влияния вторичного спектра и исправления качества изображения.

К оптическим стеклам можно отнести также и специально окрашенные цветные стекла, применяемые для изготовления точных светофильтров, которые в виде плоско-параллельных пластин часто применяются в оптических приборах и служат для изменения спектрального состава проходящего через них света. Эти цветные стекла изготовляются на заводах оптического стекла теми же приёмами, что и оптическое стекло.

СТЕКЛО СТРОИТЕЛЬНОЕ -- изделия из стекла, применяемые в строительстве. Строительное стекло служит для стекления световых проёмов, устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок, облицовки и отделки стен, лестниц и других частей зданий. К строительным стеклам, относят также тепло- и звукоизоляционные материалы из стекла (пеностекло и стеклянная вата), стеклянные трубы для скрытой электропроводки, водопровода, канализации и других целей, архитектурные детали, элементы стекложелезобетонных перекрытий и т. д. Большая часть ассортимента строительного стекала служит для остекления световых проёмов: листовое оконное стекло, зеркальное, рифлёное, армированное, узорчатое, двухслойное, пустотелые блоки и др. Тот же ассортимент стекла может быть использован и для устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок.

Листовое оконное стекло, наиболее широко применяемое в строительстве, вырабатывается из расплавленной стекломассы, главным образом вертикальным или горизонтальным непрерывным вытягиванием ленты, от которой по мере её охлаждения и затвердевания отрезаются от одного конца листы требуемых размеров. Существенным недостатком листового оконного стекла является наличие некоторой волнистости, искажающей предметы, просматриваемые через него (в особенности под острым углом).

Зеркальное стекло обрабатывается шлифованием и полировкой с обеих сторон, благодаря чему оно обладает минимальными оптическим искажениями. Современный наиболее распространённый способ производства зеркального стекла состоит в горизонтальной непрерывной прокатке стекломассы между двумя валами, отжиге отформованной ленты в туннельной печи, шлифовке и полировке на механизированных и автоматизированных конвейерных установках. Зеркальное стекло изготовляется толщиной от 4 мм и выше (в особых случаях -- до 40 мм), для варки его применяют высококачественные материалы, поэтому оно обладает и более высоким светопропусканием, чем обычное оконное стекло; применяется главным образом для остекления окон и дверей в общественных зданиях, витрин и для изготовления зеркал; механические свойства мало отличаются от механических свойств оконного стекла.

Прокатное узорчатое стекло имеет узорчатую поверхность, получаемую путём прокатки между двумя валками, один из которых рифлёный; вырабатывается как бесцветное, так и цветное; применяется в тех случаях, когда требуется получить рассеянный свет.