В древности в основном варили только цветное стекло, при изготовлении которого в шихту добавляли оксиды тяжелых металлов: кобальта, меди, железа, марганца. Так, для отлива зеленых и голубых стекол в исходную массу древние мастера добавляли оксид меди. Сосуды из зеленого и голубого стекла были обнаружены в ходе археологических раскопок в Фивах и Тель-Эль-Амарне. Стекла синего цвета умели изготавливать еще за 2000 лет до н. э. Их широко использовали в Древнем Вавилоне. По химическому составу такое стекло отличается присутствием в составе шихты оксида кобальта.
В Древнем Египте особенно ценились разноцветные изделия из стекла. Большой популярностью пользовались и синие стекла. Однако в Египте не было кобальта (который необходимо добавлять в стекломассу для получения стекла синего цвета), и потому последний привозили из Ирана.
При изготовлении непрозрачных (так называемых глухих) стекол часто использовали шихту с добавлением сурьмы, мышьяка, олова, меди и фосфора.
В Венеции XVI в. стекло молочно-белого цвета варили из стекломассы, в которую предварительно примешивали оксид олова.
Но уже в XVII в. для получения непрозрачного белого стекла использовали костяную муку. Рецепт изготовления подобного стекла придумал немецкий мастер Иоганн Кункель. Ему же принадлежит и открытие «золотого рубина» – особого сорта непрозрачного стекла. Однако его компоненты и способ варки Кункель долгое время держал в секрете. Раскрыть эту тайну смог только М. В. Ломоносов в середине XVIII в. Именно ему принадлежит заслуга постановки стекольного производства на научную основу.
В 1752–1754 гг. в Усть-Радице он открыл предприятие по изготовлению цветных стекол на основе древних русских рецептов. На этом же предприятии создали также разноцветную стеклянную мозаику, бисер и стеклярус – украшения, которые в то время в России нигде больше не производились.
Последователь Ломоносова, академик К. Г. Лаксман, также подтверждал теоретические положения стекольного производства на практике. В 1764 г. при изготовлении шихты он решил применить не соду, а глауберову соль, природные залежи которой легко можно было отыскать в больших количествах по всей России. Впервые стекло из шихты с добавлением глауберовой соли было отлито тогда же на одном из заводов Барнаула.
Известный мастер-самоучка И. П. Кулибин не раз оказывал помощь стекольным заводам, изобретая все новые и новые механизмы для стеклоплавильной промышленности. Так, в конце XVIII – начале XIX вв. большие зеркала делали, используя печи и тигли, изготовленные по чертежам Кулибина. Эти зеркала впоследствии по достоинству были оценены не только в России, но и далеко за ее пределами.
В 1851 г. произошел еще один переворот в стекольном производстве. А. К. Чугунов придумал и на практике доказал возможность более быстрого отлива стекла высочайшего качества. Его секрет изготовления стекломассы заключался в том, что тщательно перемешанную до однородной массы шихту перед плавлением спрессовывали в небольшие брикеты.
Новый этап в развитии стеклоделия начался после того, как в свет вышли труды Д. И. Менделеева «Основы химии» и «Стекольное производство» (1864 г.). В них изготовление стекла рассматривалось как одна из отраслей химии. Продолжение этой темы прозвучало и в книге С. П. Петухова «Стеклоделие», изданной с предисловием Д. И. Менделеева. Для современного производства она до сих пор остается актуальной.
В конце XIX в. «заморский» плавильщик Фридрих Сименс придумал и ввел в эксплуатацию регенеративную ванную печь для расплавления шихты и изготовления стекла.
Русские мастера ответили на это своим изобретением: в 1897 г. Малышев изобрел первую модель ванной печи с разделенными бассейнами, которая позволила сделать процесс стекловарения непрерывным.
Постепенно развиваясь и все более совершенствуясь, к началу XX в. стекольное производство переходило в фазу машинной индустрии. Это означает, что с помощью больших и мощных машин становится возможным изготавливать самую разнообразную по качеству и размерам продукцию.
В начале века теоретические разработки в области стекловарения осуществляли такие известные ученые, как химик-органик В. Е. Тищенко, химик-технолог И. В. Гребенщиков, химик Г. Ю. Жуковский.
Примерно в то же время в Москве открылся Институт стекла, а в Ленинграде был создан Государственный оптический институт.
В настоящее время существует несколько научно-исследовательских институтов стекла. Кафедры стекловарения и изготовления изделий из стекла можно найти во множестве технических высших учебных заведений.
Всем нам знакома посуда из стекла: различные стаканы, фужеры, рюмки, вазы, тарелки, кувшины. Причем в настоящее время в любом универмаге можно приобрести стеклянную посуду различных оттенков. Ученые считают, что впервые посуда из стекла была изготовлена в Древнем Египте, Финикии и Месопотамии.
А когда же стали использовать стекло для украшения архитектурных сооружений и интерьеров жилых помещений? Оказывается, тоже очень давно.
Археологи доказали, что еще за 3000 лет до н. э. древние египтяне умели выплавлять фаянс, из которого делали разноцветную облицовочную плитку.
Ученые говорят о том, что стеклянную смальту, предназначенную для украшения фасадов зданий, интерьера, а также различных изделий, первыми стали изготавливать греки.
В древние времена особенно большим успехом пользовались изготовленные с применением стеклянной мозаики работы греческого художника Соза.
В ходе археологических раскопок и исторических исследований во многих странах мира была найдена стеклянная смальта, датируемая различными эпохами. Здесь следует упомянуть прежде всего такие памятники архитектуры, как Софийский собор (VI–XI вв.) в Константинополе, собор Святого Марка (XIII–XIV вв.) в Венеции, собор Святой Софии (XI в.) в Киеве, храмы древних русских городов: Новгорода, Переяславля, Полоцка, Чернигова. Стеклянной мозаикой здесь украшен не только фасад зданий, но и внутренняя их часть: пол, потолок, стены.
В этот период развития цивилизации стеклянная смальта производилась в большом количестве и ее широко использовали в архитектуре. Причем этот материал, видимо, оценивали достаточно дорого, так как такой мозаикой украшали не жилища простых горожан, а исключительно церкви, соборы или храмы.
С XV в., кроме стеклянной смальты, стали изготавливать зеркала. Самое первое зеркало было очень маленьким по размеру, но стоило невероятно дорого. Право на его изобретение принадлежит венецианцам.
Массовый выпуск зеркал становится возможным только к XVIII в. Именно в это время разрабатывали технологии и осваивали производство прозрачного листового стекла.
Не забудем и о таком незаменимом украшении интерьера наших квартир, как люстры. Их научились делать очень давно. Еще на рубеже XVII–XVIII вв. венецианские мастера-плавильщики прославились изготовлением разнообразных люстр, на производство которых шло только самое чистое, прозрачное стекло. При этом стекломассе придавали самые причудливые и необычные формы: листочки, виноградные гроздья, капельки воды, сказочные цветы.
К началу XIX в. пальма первенства в изготовлении стеклянных и хрустальных люстр переходит от венецианцев к русским и французам. Во Франции самые красивые люстры, бра, торшеры и подсвечники изготавливали в известной в то время фирме «Баккара». А в России самой большой популярностью пользовались люстры из хрусталя с маркой императорского Петербургского стекольного завода.
Глава 2. Стекло: характеристика, классификация
Все твердые тела делят на кристаллические и аморфные. Последние обладают свойством плавиться при достаточно высокой температуре. В отличие от кристаллических тел они имеют структуру лишь с небольшими участками упорядоченно соединенных ионов, причем эти участки соединены между собой так, что образуют асимметрию.
В химии и физике стеклом принято называть все аморфные тела, которые образуются в результате переохлаждения расплава. Эти тела вследствие постепенного увеличения степени вязкости оказываются наделенными всеми признаками твердых тел. Они также обладают свойством обратного перехода из твердого в жидкое состояние.
Стеклом в обыденной жизни называют прозрачный хрупкий материал. В зависимости от того или иного компонента, входящего в состав исходной стекломассы, в промышленности различают следующие виды стекла: силикатные, боратные, боросиликатные, алюмосиликатные, бороалюмосиликатные, фосфатные и др.
Как и любое другое физическое тело, стекло обладает рядом свойств.
Физические и механические свойства
Плотность стекол зависит от компонентов, входящих в их состав. Так, стекломасса, в больших количествах включающая оксид свинца, более плотная по сравнению со стеклом, состоящим, помимо прочих материалов, и из оксидов лития, бериллия или бора. Как правило, средняя плотность стекол (оконное, тарное, сортовое, термостойкое) колеблется от 2,24 x 103 до 2,9 x 103 кг/м3. Плотность хрусталя несколько больше: от 3,5 x 103 до 3,7 x 103 кг/м3.
Под прочностью на сжатие в физике и химии принято понимать способность того или иного материала сопротивляться внутренним напряжениям при воздействии извне каких-либо нагрузок. Предел прочности стекла составляет от 500 до 2000 МПа (хрусталя – 700–800 МПа). Сравним эту величину с величиной прочности чугуна и стали: соответственно 600–1200 и 2000 МПа.
При этом степень прочности того или иного вида стекла зависит от химического вещества, входящего в его состав. Более прочны стекла, включающие в свой состав оксиды кальция или бора. Низкой прочностью отличаются стекла с оксидами свинца и алюминия.
Предел прочности стекла на растяжение составляет всего 35–100 МПа. Степень прочности стекла на растяжение в большей степени зависит от наличия различных дефектов, образующихся на его поверхности.
Различные повреждения (трещины, глубокие царапины) значительно снижают величину прочности материала. Для искусственного увеличения показателя прочности поверхность некоторых стеклоизделий покрывают кремниевоорганической пленкой.
Хрупкость – механическое свойство тел разрушаться под действием внешних сил. Величина хрупкости стекла в основном зависит не от химического состава образующих его компонентов, а в большей степени от однородности стекломассы (входящие в его состав компоненты должны быть беспримесными, чистыми) и толщины стенок стеклоизделия.
Твердостью обозначают механическое свойство одного материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого. Определить степень твердости того или иного материла можно с помощью специальной таблицы-шкалы, отражающей свойства некоторых минералов, которые расположены по возрастающей, начиная с менее твердого, талька, твердость которого взята за 1 единицу, и заканчивая самым твердым – алмазом с твердостью в 10 условно принятых единиц.
При исследовании того или иного материала на твердость, как правило, во время проведения опыта всякий раз надавливают на него одним из минералов, указанных в таблице. Однако данным способом не совсем удобно определять твердость такого достаточно хрупкого материала, как стекло. Поэтому было принято решение определять микротвердость стекла. В среднем она равна от 480 до 10 000 МПа.
Часто твердость стекла определяют с помощью шлифования, используя так называемый метод определения абразивной твердости. В таком случае ее величина устанавливается в зависимости от скорости отслаивания единицы поверхности стеклоизделия при определенных условиях проведения шлифовки.
Степень твердости того или иного вида стекла в основном зависит от химического состава входящих в него компонентов. Так, например, использование при создании стекломассы оксида свинца значительно снижает твердость стекла. И напротив, силикатные стекла достаточно плохо поддаются механической обработке.
Теплоемкостью называют свойство тел принимать и сохранять определенное количество теплоты при каком-либо процессе без изменения состояния.
Теплоемкость стекла прямо зависит от химического состава компонентов, входящих в состав исходной стекломассы. Его удельная теплота при средней температуре равна 0,33–1,05 Дж/(кг x К). Причем чем выше в стекломассе содержание оксидов свинца и бария, тем ниже показатель теплопроводности. Но вот легкие оксиды – такие, например, как оксид лития, способны повысить теплопроводность стекла.
При изготовлении стеклоизделий следует помнить о том, что аморфные тела, обладающие низкой теплоемкостью, остывают значительно медленнее, чем тела с высоким показателем теплоемкости. У таких тел наблюдается также увеличение количества теплоемкости с повышением внешней температуры. Причем в жидком состоянии этот показатель растет несколько быстрее. Это характерно и для стекол различных типов.
Теплопроводность. Таким термином в науке обозначают свойство тел пропускать через себя теплоту от одной поверхности до другой, при условии, что у последних разная температура.
Известно, что стекло плохо проводит тепло (кстати, это свойство широко используется в строительстве зданий). Уровень его теплопроводности в среднем составляет 0,95–0,98 Вт/(м x К). Причем наиболее высокий показатель теплопроводности отмечен у кварцевого стекла. С уменьшением доли оксида кремния в общей массе стекла или при замене его любым другим веществом уровень теплопроводности понижается.
Температура начала размягчения – это такая температура, при которой тело (аморфное) начинает размягчаться и плавиться. Самое твердое – кварцевое – стекло начинает деформироваться только при температуре 1200–1500 °C. Другие типы стекол размягчаются уже при температуре 550–650 °C. Эти показатели важно учитывать при различных работах со стеклом: в процессе выдувания изделий, при обработке краев этих изделий, а также при термической полировке их поверхностей.
Величина температуры начала плавления того или иного сорта и вида стекла определяется химическим составом компонентов. Так, тугоплавкие оксиды кремния или алюминия повышают температурный уровень начала размягчения, а легкоплавкие (оксиды натрия и калия), напротив, понижают.
Тепловое расширение. Этим термином принято обозначать явление расширения размеров того или иного тела под воздействием высоких температур. Эту величину очень важно учитывать при изготовлении стеклоизделий с различными накладками по поверхности. Материалы для отделок следует подбирать так, чтобы величина их теплового расширения соответствовала тому же показателю стекломассы основного изделия.
Коэффициент теплового расширения стекол прямо зависит от химического состава исходной массы. Чем больше в стекломассе щелочных оксидов, тем выше показатель температурного расширения, и наоборот, присутствие в стекле оксидов кремния, алюминия и бора снижает эту величину.
Термостойкостью определяется способность стекла не поддаваться коррозии и разрушению в результате резкой смены внешней температуры. Этот коэффициент зависит не только от химического состава массы, но и от размера изделия, а также от величины теплоотдачи на его поверхности.
Оптические свойства
Преломление света – так в науке называют изменение направления светового луча при его прохождении через границу двух прозрачных сред. Величина, показывающая преломление света стекла, всегда больше единицы.
Отражение света – это возвращение светового луча при его падении на поверхность двух сред, имеющих различные показатели преломления.
Дисперсия света – разложение светового луча в спектр при его преломлении. Величина дисперсии света стекла прямо зависит от химического состава материала. Наличие в стекломассе тяжелых оксидов увеличивает показатель дисперсии. Именно этим свойством и объясняется явление так называемой игры света в хрустальных изделиях.
Поглощением света определяют способность той или иной среды уменьшать интенсивность прохождения светового луча. Показатель поглощения света стекол невысок. Он увеличивается лишь при изготовлении стекла с применением различных красителей, а также особых способов обработки готовых изделий.
Рассеяние света – это отклонение световых лучей в различных направлениях. Показатель рассеяния света зависит от качества поверхности стекла. Так, проходя сквозь шероховатую поверхность, луч частично рассеивается, и потому такое стекло выглядит полупрозрачным. Это свойство, как правило, используют при изготовлении стеклянных абажуров для ламп и плафонов для светильников.
Среди химических свойств необходимо особо выделить химическую стойкость стекла и изделий из него.
Химической стойкостью в науке называют способность того или иного тела не поддаваться воздействию воды, растворов солей, газов и атмосферной влаги. Показатели химической стойкости зависят от качества стекломассы и воздействующего агента. Так, стекло, не подвергающееся коррозии при действии воды, может деформироваться при воздействии щелочных и солевых растворов.
Классификация изделий из стекла
Как известно, существует огромное многообразие изделий, изготавливаемых из различных видов стекла. По своему назначению они делятся на бытовые, строительные и технические.
К изделиям бытового характера относится посудное, очковое стекло, а также тара для пищевой продукции, зеркала, различные эмали и глазури, предназначенные для украшения и обработки изделий из стекла и других материалов.
К этому виду относят различные стеклоизделия, применяющиеся в строительстве. Это стекло для окон, витрин, разнообразные витражи, профильное, армированное, узорчатое, облицовочное стекло, пеностекло, мозаика, стеклопакеты, стеклоблоки, стеклопластики, отделочные стеклоткани, а также всевозможные архитектурные и строительные детали.
Этот класс изделий из стекла включает оптическое медицинское, химико-лабораторное оборудование из стекла, электротехническое, транспортное, приборное, защитное, светотехническое, тепло– и электроизоляционное, кусковое стекло, а также фотостекло, трубы, технические зеркала, различные стеклопластики, стеклоткани, детали для автомобилей, производственных машин и установок.
Изделия из стекла делят также и по качеству поверхности. Различают изделия с глянцевой и неглянцевой поверхностью. Глянец создают с помощью нанесения органической или кремнийорганической пленки, проводника или полупроводника, а также металлизацией.
Неглянцевые поверхности бывают матированными, сплошными, узорчатыми, зернистыми или «морозными».
К третьему типу стекол относятся изделия, поверхность которых обработана химическими веществами.
Еще один вид стекол выделяют на основе способа отделки изделия. Здесь можно выделить пять основных подвидов:
– изделия, обработанные с применением высоких температур;
– изделия, поверхность которых обработана холодным (механическим) способом;
– изделия, края которых обработаны холодным способом;
– изделия, поверхность которых обработана химическими веществами;
– изделия с дополнительной обработкой поверхности.