Производство стекла началось, по меньшей мере, еще в третьем тысячелетии до н.э., о чем свидетельствуют частички стекла найденные в Междуречье. Производство стекла, которое некогда было редким искусством, стало распространенной отраслью промышленности, где изделия, изготовленные из стекла, используются как в коммерческом, так и домашнем применении, в качестве стеклянных емкостей, изоляционного материала, армирующего волокна, линз и в прикладном искусстве. Хотя материалы, используемые для изготовления стекла, могут варьироваться, основной процесс, того, как производят стекло остается одним и тем же, и он описывается далее.
Возьмите достаточное количество кремнистого песка. Он, также, называется кварцевый песок, кремнистый песок является основным компонентом в производстве стекла. Стекло без примесей железа используется для изготовления прозрачного стекла, так как железо, при его наличии, делает стекло зеленоватого оттенка. Если не удается найти песок без примесей железа, то оттеночный эффект можно исключить, добавив небольшое количество диоксида марганца.
Добавьте в песок карбонат натрия и окись кальция. Карбонат натрия (или сода) снижает температуру, которая необходима для производства стекла в промышленных масштабах. При этом, она позволяет воде проникать сквозь стекло, поэтому карбонат натрия или гидроокись кальция, добавляется для того, чтобы нейтрализовать данное свойство. Оксид магния и/или алюминия, также, может быть добавлен для того, чтобы сделать стекло более прочным. Как правило, данные добавки образуют не более 26-30 процентов от стекольной шихты.
Чтобы улучшить качество стекла, добавьте другие химические элементы, в соответствии с целью его использования. Самой распространенной добавкой для производства декоративного стекла является оксид свинца, который придает блеск прозрачным стеклянным изделиям, а также пластичность, что делает процесс резки стекла проще, и, кроме того, снижает температуру плавления. Линзы для очкового стекла могут содержать оксид лантана, из-за его преломляющих свойств, в то время как, железо помогает стеклу поглощать тепло.
Хрусталь может содержать до 33 процентов оксида свинца; однако, чем больше оксида свинца, тем больше требуется мастерства, чтобы придать расплавленному стеклу форму, поэтому многие производители хрусталя делают выбор в пользу меньшего количества свинца, содержащегося в стекле.
Если необходимо изготовить стекло определенного цвета, добавьте в него химические вещества. Как упоминалось выше, примеси железа в кварцевом песке придает стеклу зеленоватый оттенок, поэтому оксид железа, как и окись меди, добавляется для увеличения зеленого оттенка. Соединения серы придают желтоватый, янтарный, коричневатый или даже черноватый оттенок стеклу, в зависимости от того, сколько углерода или железа добавляется в смесь.
Поместите смесь в хороший термостойкий тигель или резервуар.
Расплавьте смесь до жидкого состояния. Для изготовления промышленного кварцевого стекла, плавка осуществляется в газовой печи, в то время как специальное стекло может производиться с использованием электрической плавильной печи, котловой печи или обжигательной печи.
Кварцевый песок без добавок превращается в стекло при температуре 2,300 градусов Цельсия (4,174 градусов фаренгейта). При добавлении карбоната натрия (соды) температура уменьшается до необходимого уровня для изготовления стекла, до 1,500 градусов Цельсия (2,732 градусов фаренгейта).
Удалите пузырьки и обеспечьте однородность расплавленной стекольной массы. Это означает, что необходимо помешивать смесь до состояния плотной консистенции и добавить химические вещества, такие как сульфат натрия, хлорид натрия или триоксид сурьмы.
Форма расплавленного стекла. Придание формы стеклу можно осуществить одним из нескольких способов: расплавленное стекло заливается в форму и остывает в ней. Этот метод использовался египтянами, и с его помощью в настоящее время изготавливаются линзы.
Большая часть расплавленного стекла может скапливаться на конце полой трубки, в которую, затем, дуют воздух, одновременно с этим, вращая трубку. Форма стеклу придается с помощью воздуха, который поступает через трубку, сила гравитации притягивает к себе расплавленное стекло и стеклодув использует различные инструменты для работы с расплавленным стеклом.
Расплавленное стекло можно вылить в ванну с расплавленным оловом, в качестве основы, и нагнетать с помощью азота под давлением, для придания стеклу формы и глянца. Стекло, изготавливаемое с помощью этого метода, называется полированным листовым стеклом и это, как раз тот метод, с помощью которого изготавливаются оконные стекла, начиная с 1950 года.
Оставьте стекло остывать.
Чтобы усилить прочность стекла, нужно прибегнуть к термообработке. Данный процесс называется обжигом, и с его помощью удаляются повреждения, которые образовались во время процесса охлаждения стекла. Когда этот процесс завершен, стекло можно покрывать, ламинировать или обрабатывать другим способом, для улучшения его прочности и долговечности.
Отжиг является следующим процессом производства, в котором отполированное стекло заданной формы, помещается в печь, разогретую не менее чем до 600 градусов Цельсия (1,112 градусов фаренгейта), а после, быстро охлаждается («закаливается»), с помощью сильного потока воздуха под высоким давлением. Отожженное стекло ломается на мелкие осколки 6,000 фунт-силы на квадратный дюйм (фунт/кв.дюйм), в то время, как закаленное стекло ломается на маленькие осколки не менее, чем при 10,000 фунт/кв.дюйм и, как правило, около 24,000 фунт/кв.дюйм.
Измельченные осколки старого стекла могут добавляться в стеклянную смесь, перед тем, как расплавляют стекло, для того, чтобы переработать его в новое стекло. Старое стекло или «стеклянный бой» сначала должен быть проверен на наличие примесей, которые могут ослаблять свойства нового стекла, при их попадании в него.
Компоненты, которые Вам понадобятся:
- кварцевый песок (диоксид кремния);
- карбонат натрия (сода);
- оксид кальция (гидроксид кальция);
- прочие оксиды и соли: (например, оксид магния, оксид алюминия, оксид железа, окись магния или натрия, или кальциевые соли по желанию);
- оксид свинца (по желанию);
- термостойкий тигель, формовая или полая трубка;
- обжигательная печь или термошкаф для стекла на этом изготовление стекла завершается.
Стекло - это материал, по некоторым свойствам не имеющий аналогов. До сих пор для его производства используются натуральные ингредиенты, повторная переработка испорченного изделия может происходить неоднократно без потери качества и почти без отходов.
Определение
Стекло может находиться в нескольких агрегатных состояниях на разных этапах производства. И все же, стекло - что такое и из чего его делают?
Согласно научному определению, стеклом является всякое аморфное тело, полученное методом расплава, которое при увеличении вязкости приобретает свойства твердого тела. При этом процесс перехода из одного состояния в другое является обратимым.
История материала
В повседневной жизни мы ежедневно используем стекло. Что такое и из чего его делают - это редко задаваемые в современности вопросы, настолько нам привычен материал. Ученые считают, что стекло впервые было получено случайно, проследить зарождение технологии невозможно. Первые изделия датируются примерно 2540 годом до нашей эры. В древней рецептуре присутствовали три компонента - сода, песок и глинозем. В дальнейшем научились улучшать свойства материала, добавляя к основным ингредиентам мел, доломит и другие составляющие. Весь состав, из которого варится стекло, называется шихта.
Цветное стекло начали получать, используя природные пигменты - окиси хрома, оксид никеля, кобальтовые добавки. Первое формованное изделие было получено в 1-м веке нашей эры римскими мастерами. Они же изобрели листовое стекло. Технология производства стекла в листах состояла в выдувании огромного, в человеческий рост цилиндрического пузыря из горячей массы. Пока она не остыла, ее разрезали вдоль длинной части и раскладывали на поддонах для выравнивания. Такая техника была распространена повсеместно до начала 20-го века. В России стекольное производство было открыто в 17-м веке и располагалось в селе Духанине, мастерами в то время были только иностранцы.
Состав
Для множества целей используется стекло. Что такое стекло, мы уяснили, а что представляют собой его основные ингредиенты? Состав исходных ингредиентов за весь период практики изготовления материала практически не изменился. Три основных компонента составляют основу (шихту) - это кремнезем или кварцевый песок, сода (оксид натрия) и оксид кальция, известный под названием известь. Составляющие соединяются в определенных пропорциях и плавятся в печи при температуре от 300 до 2500 °С. В состав шихты, в зависимости от желаемых свойств, добавляются поташ, борный ангидрид, битое стекло предыдущих варок или сырье вторичной переработки.
Технология
Для усиления или ослабления свойств соединений в процесс плавки добавляют усилители, глушители, красители, обесцвечиватели и т. д. После варки массу быстро охлаждают, что позволяет избежать образования кристаллов. Из всех составляющих самый большой процент в рецептуре занимает песок - от 60 до 80%. Песок выступает остовом, вокруг которого формируется стекловидный материал. Технология производства стекла остается неизменной в течение столетий.
Известь является еще одним компонентом, без которого не производится стекло. Что такое оксид кальция в составе ингредиентов? Эта составляющая придает материалу химическую устойчивость и усиливает блеск. Стекло можно выплавить лишь из песка и соды, но без извести оно растворится в воде. Третьим игроком в составе шихты является оксид металла - натрия или калия (до 17%). В смесь вводится в виде кальцинированной соды или поташа. Эти составляющие уменьшают температуру плавления, позволяя отдельным песчинкам полностью расплавиться и соединиться в монолит.
Виды
В зависимости от используемых компонентов в составе шихты, разделяют виды стекла:
- Кварцевое. Изготавливается из одного компонента - кремнезема. Обладает высокими качествами: устойчиво к высокой температуре (до 1000 °С) и термоудару, пропускает видимый и ультрафиолетовый спектр излучения. Производство связано с высокими энергетическими затратами, поскольку кремнезем (силикатное стекло) - тугоплавкое сырье и плохо поддается формовке. Основные сферы применения - химическая и лабораторная посуда, части оптических систем, ртутные лампы и пр.
- Натриево-силикатное. Изготавливается из двух компонентов, состав стекла - силикатный песок и сода (1:3). По своим свойствам имеет широкое применение в промышленности в качестве компонента какого-либо процесса, но не применяется в других сферах, изделия из него не изготавливаются. Основной недостаток - растворяется в воде.
- Известковое. Самый распространенный вид материала, из которого производится большинство изделий - листовое стекло, стеклотара, зеркальное полотно, посуда и многое другое.
- Свинцовое. В классический состав стекла (шихты) пропорционально добавляется оксид свинца. Свинцовое стекло отличается повышенными диэлектрическими свойствами, что позволяет использовать его в качестве лучшего изолирующего состава в телевизионных трубках, осциллографах, конденсаторах и пр. Наличие свинца в стеклянной массе придает материалу дополнительный блеск, сверкание, что часто используется при изготовлении художественных изделий, посуды и т. д. Хрусталь - один из видов свинцового стекла.
- Боросиликатное. Добавка оксида бора в состав материала увеличивает его устойчивость к термическому удару до 5 раз, существенно улучшаются химические свойства. Боросиликатное стекло используется для изготовления труб и лабораторно-химической посуды, изделий для бытовых нужд. Масштабным примером использования служит зеркало, созданное на основе боросиликатного стекла для крупнейшего в мире телескопа.
- Прочие виды стекла - алюмосиликатные, боратные, цветные и др.
Виды оконных стекол
Оконное стекло самый востребованный вид материала. Оно пропускает солнечный свет, осуществляет теплоизоляцию зимой и летом, препятствует проникновению шума, эстетически оформляет оконный проем и выполняет еще множество функций. На сегодняшний день существует широкий выбор видов стекла, каждый из которых отвечает определенным требованиям:
- Энергосберегающее. Вид стекла, тонированного в массе или покрытого специальной пленкой, которая обеспечивает проникновение в помещение коротковолнового солнечного излучения, а длинноволновое излучение отопительных приборов из помещения не выпускается. Второе название - селективное стекло. На сегодняшний день разработано несколько типов покрытий. Наиболее перспективными являются - К-стекло (нанесение окислов металлов на поверхность) и i-стекло (вакуумное многослойное напыление серебра - диэлектрика).
- Солнцезащитное. Снижает пропускание солнечного света в помещение. Разделяют на два вида - отражающее и поглощающее. Эффект достигается либо тонировкой стекла в массе при варке, либо нанесением специальной пленки на поверхность.
- Декоративное. Оконное стекло с дополнительными эстетическими характеристиками - узорчатое, цветное и т. д.
Безопасные стекла
Одним из отрицательных качеств стекла является его хрупкость, существуют технологии упрочнения материала. Самые распространенные виды:
- Армированное. Листовое стекло, при формовке которого в массу внедряется металлическая сетка. Сфера применения - производственные помещения, уличные осветительные приборы, облицовка лифтовых шахт и т. п.
- Ламинированное или триплекс . Два или больше стекол скрепляются между собой специальной пленкой или жидкостью. Этот вид материала существенно снижает уровень шума в помещениях. Также при использовании дополнительных цветофильтров при ламинации способно выполнять солнцезащитные функции. Триплекс обладает повышенной механической устойчивостью, при разбивании полотна осколки остаются прикрепленными к пленке, что делает его максимально безопасным для применения при фасадном, балконном, оконном, дверном остеклении.
- Огнестойкое . Чаще всего производится по технологии ламинации специальными пленками, которые при температуре свыше 120 °С меняют свои физические свойства и, расширяясь, становятся матовыми, придавая стеклу жесткость.
- Защитное . Представляет собой многослойный материал, состоящий из нескольких видов стекла, скрепленного полимерной пленкой. Например, силикатное стекло скрепляется с поликарбонатом и органическим стеклом. Такой светопрозрачный блок устойчив к механическим, химическим, ударным повреждениям. К защитным видам стекла относятся пулестойкое, ударостойкое, устойчивое к пробиванию и другие типы. Технические требования к материалу и классификация защитных стекол регулируются ГОСТом Р 51136.
- Закаленное. Обладает высокими прочностными характеристиками. Эффект обеспечивает технология производства стекла - в специальной тоннельной печи листы краткосрочно подвергаются воздействию высокой температуры и быстро охлаждаются. При разбивании закаленное стекло рассыпается на мелкие осколки, не несущие угрозы жизни и здоровью. Недостатком является невозможность механической обработки закаленного полотна, при малейшем воздействии оно разрушается. Большинство изделий из закаленного стекла сначала формуются, режутся или обрабатываются иным способом и только после этого проходят закалку.
Автостекло
Стекла для автомобилей обладают повышенными прочностными характеристиками, отвечающими требованиям безопасности. На сегодняшний день при производстве используются две технологии - ламинация (триплекс) и закаливание (сталинит):
- Закаленное получают термической обработкой обычного силикатного стекла, разогревая его в печи до температуры +600 °С с последующим быстрым охлаждением. Оно приобретает механическую и термическую прочность, но при сильных ударах разрушается, распадаясь на мелкие безопасные осколки, у которых отсутствуют режущие и колющие кромки. Российская маркировка - буква «З», европейская - «Т» или Tempered.
- Ламинированное - это два тонких листовых стекла, скрепленных полимерной пленкой под действием температуры и вакуума. Свойства стекла таковы, что оно остается целостным при сильных воздействиях, не распадается на осколки, если лопнуло. Части остаются скрепленными пленкой. У триплекса есть дополнительные возможности - тонировка цветофильтрами в процессе ламинации, дополнительная шумоизоляция салона, низкая теплопроводность и пр.
Современные разработки
Двадцатый век можно назвать временем широкого применения стекла. После разработки технологии механических способов получения материала его стали применять в самых разных областях - в качестве тончайшего волокна в сферах телекоммуникаций, с не меньшим успехом используется большими многотонными блоками в строительных технологиях.
Свойства стекла многообразны, их до сих пор продолжают изучать в научных институтах, а умельцы находят новые способы применения и изобретают новые виды. В 1940 году стеклоделы представили миру пеностекло. Его качествами является:
- Легкость - не тонет в воде, имеет ячеистую структуру, удельный вес немного превышает вес пробки.
- Влагоустойчивость, долговечность.
- Экологичность (в классический рецепт шихты добавлен кокс).
- Пожаробезопасен (не горит) и заглушает огонь.
- Материал можно распиливать на куски без ущерба для качества.
Сферой применения стали изоляционные материалы для опасных производств, холодильных камер и пр.
Для солнечных батарей используют стекло с проводящим покрытием из тонкого слоя оксида металлов. Панели с покрытием работают при температурах около 350 °С. Кроме того, такое стекло монтируют в кабины самолетов, чтобы избежать наледи и сохранить тепло внутри кабины.
Важным достижением современности стала возможность производства стеклокерамики. Материал изготавливается по технологии обычного стекла, но на последнем этапе охлаждения процесс замедляется, и происходит кристаллизация в массе материала. Катализаторами служат специальные добавки, которые никак не влияют на внешнее состояние стекла, но образуют мелкие кристаллы. Материал без деформации выдерживает высокие температуры и более устойчив ко всем видам повреждений. Используется в ракетостроении, бытовой технике, лабораториях, частях двигателя и во многих других областях.
Зачем вообще для стекловарения нужны печи? Дело в том, что чтобы из стекла сделать что-нибудь полезное, нужно его сначала расплавить, а плавится оно при температурах ни много, ни мало, 1400-1600 °С.
Сырьем для изготовления стекла служит, главным образом, кварцевый песок (оксид кремния SiO2)
Кварцевый песок
Чтобы придать стеклу необходимые свойства, кварцевый песок смешивают с разными добавками, в основном, это известняк (тот, который ракушечник, с фасадов зданий), полевой шпат, доломит, сода и красители (оксиды металлов)
Известняк
Полевой Шпат
Доломит
Таких добавок в стекле бывает до 20-30%. Вообще-то, чем больше добавок, тем ниже вязкость расплава (грубо говоря, он «текучее») и ниже температура плавления, т.е. его обрабатывать проще, например, выдувать бутылки и пр. можно уже при 800 °С. Но может быть и по-другому: если, например, в смесь оксид бора добавить, выйдет борсиликатное стекло, жаростойкое и устойчивое к перепадам температур - на радость домохозяйкам. Стекло же из чистого оксида кремния получится тугоплавким, из него чтобы что-нибудь выдуть, придется до 1600 °С разогреть.
В общем, с сырьем разобрались. Всё, что надо, тщательно очищают, измельчают (этим обычно специальные обогатительные фабрики/производства занимаются), перемешивают и засыпают в стекловаренную печь через специальное окно. Внутри печи в огромном бассейне за дело берется практически инфернальный огонь и превращает за несколько часов песок в жидкость.
Пламя внутри печи.
Кстати, раскочегаривание такой печи до нужной температуры - непростой, долгий, а главное, дорогой процесс (сколько топлива надо, чтоб такую огромную дуру на 2-9 тыс. тонн стекла разогреть!), поэтому, разжегши её единожды, стараются больше не гасить: процесс варки стекла за 10-15 лет службы печи прерывают только пару раз для холодного ремонта.
Естественно, смесь расплавляется не сразу вся, а постепенно; по мере расплавления она перемешивается, из нее выходят пузырьки воздуха. То, что уже хорошо расплавилось, собирается на дне бассейна (плотность-то у расплава выше) и по закону сообщающихся сосудов перетекает под стенкой, проходящей через бассейн, в другую его часть, подальше от пламени и еще не расплавленной смеси.
Тут температура немного ниже, и жидкое стекло отсюда поступает уже в следующую, рабочую ванну за пределами печи, а оттуда уходит на обработку. Чтобы получить, например, листовое стекло для окон и зеркал, его отливают и прокатывают почти как металл.
Чтобы получить идеально ровную поверхность, на современных заводах расплавленное стекло сначала выливают в бассейн, полный расплавленным оловом, и оно, стекло, плавая на поверхности олова, распределяется по нему равномерным тонким слоем и остывает примерно с 1000 до 600 °С, так получают так называемое флоат-стекло (float-glas).
Как я уже говорил, процесс этот непрерывный, и на выходе после охлаждения получается бесконечная стеклянная лента. Но прежде, чем её на куски разрезать, поверхность вновь нагревают газовыми горелками: таким образом запаиваются микротрещины, которые все равно образуются даже несмотря на постепенное охлаждение из-за разности напряжений внутри стекла при твердении. В результате стекло выходит особенно прозрачным.
Производство флоат-стекла
Старая технология, применявшаяся на советских заводах, предусматривала вертикальное вытягивание стеклянной ленты при интенсивном охлаждении поступающей из печи массы. Стекло, произведенное таким образом, отличается значительно большими оптическими искажениями.
Ну вот, вроде почти со всем разобрались. На картинке только еще одна непонятная часть печи осталась: регенератор. Штуковина замечательная и гениальная в своей простоте. За её изобретение еще в 1856 году младший из братьев Сименсов, Фридрих, получил английское дворянство. А смысл в том, чтобы экономить топливо для стекловаренной печи, подогревая воздух, подающийся в печь для горения. И экономия на топливе может достигать 40%!
Принцип работы регенератора
Регенератор состоит из двух одинаковых шахт, заполненных жаропрочными керамическими сборками, образующими внутри шахт множество мелких каналов для воздуха. Воздух поступает через первую шахту, попадает в печь через окно, смешивается с топливом (газом) и сгорает. Раскалённые продукты горения уходят через другое окно во вторую шахту, и прежде, чем выйти наружу, нагревают упомянутые керамические сборки. Потом, как они достаточно накалятся, минут через двадцать, поток воздуха пускают через вторую шахту, он в ней разогревается перед попаданием в печь, а отработанные газы начинают разогревать сборки в первой шахте. Затем цикл повторяется.
За рамками этого рассказа остались разнообразные жаропрочные керамические покрытия внутри печи (металл для такой температуры не годится). С ними всё тоже довольно занимательно: физические и химические процессы, протекающие во время плавления стекла, приводят к удивительным образованиям: внутри печи начинают расти сталактиты!
Практически у каждого материала и соединения в мире имеется три возможных состояния: твердое, жидкое и газообразное. В нормальных условиях материалы пребывают в разном состоянии, которое зависит от их химических свойств.
Чтобы вывести их из равновесия, необходимо повышать или понижать температуру до указанного значения. Например, температура плавления стекла начинается примерно с 750 градусов по Цельсию. Материал имеет так называемые аморфные свойства, поэтому у него и нет конкретного значения.
Все зависит от количественного и качественного состава примесей в соединении. Так что установить конкретное значение для выбранного предмета можно исключительно экспериментальным путем. Для этого понадобится определенный набор измерительных приборов, который имеется только в специализированных лабораториях. Можно, конечно, взять и бытовые аналоги, но они будут иметь слишком большую погрешность.
Принципы расчета
Произвести расчет температуры плавления стекла в домашних условиях - очень сложная задача. Она будет связана со многими трудностями, среди которых стоит выделить:
- 1. Необходимость обеспечения поэтапного повышения температуры расплавляемого тела строго на один градус. В противном случае невозможно будет достоверно установить, при каком именно показателе начинается процесс перехода из твердого состояния в жидкое, то есть эксперимент завершится неудачей.
- 2. Нужно найти очень точный термометр, способный замерять температуру до 2 тысяч градусов по Цельсию с минимальной погрешностью. Лучше всего подойдет электронный прибор, который будет стоит слишком дорого для бытовых опытов.
- 3. Проведение эксперимента дома в принципе не самая удачная идея, потому что придется искать посуду, в которой можно плавить стекло, раздобыть устойчивый источник огня, способный обеспечить нужный уровень подогрева, купить дорогостоящее оборудование.
Процесс плавления
В лабораториях ученые выясняют искомое значение при помощи множественных опытов. Затем температура плавления стекла заносится в таблицу, которая содержит также химический состав соединения. Это нужно, чтобы понять, какие именно элементы больше всего влияют на плавление, чтобы в будущем можно было привести этот показатель к более-менее стандартным характеристикам.
Отсутствие четкого числа заставляет нерационально использовать производственные ресурсы. Например, на стекольных заводах в печах поддерживают температуру около 1600 градусов Цельсия, притом, что многие виды могли бы без проблем расплавиться и при одной тысяче. Экономия энергоносителей позволила бы значительно снизить себестоимость готовой продукции, что положительно повлияло бы на экономическую эффективность деятельности стеклодувных заводов.
Температура плавления стекла в градусах начинается от 750 (некоторые источники приводят цифру от 1000) и продолжается аж до 2500. При этом, если брать акриловое стекло, которое по сути не является стеклом, а просто имеет такое название, то оно плавится всего при 160 градусах, а на 200 градусах уже начинает кипеть. Но оно состоит из органической смолы и не имеет в составе кремния и других химических элементов.
А вот остальные марки наоборот зачастую могут похвастаться пестрым разнообразием состава. Используемый в производстве песок часто проходит недостаточную очистку, в результате чего в готовых изделиях содержится много ненужного. Внешне это никак не отражается на эксплуатационных свойствах, но приводит к аморфности химических характеристик.
Понижения температуры плавления стекла можно достичь, если в расплав добавить соответствующие элементы. В бытовых опытах наиболее доступными являются оксид свинца и борная кислота. Массовую долю нужно будет рассчитать по известным формулам, так как она будет зависеть от количества расплавленного стекла. После застывания можно будет повторить свой опыт и убедиться, что теперь материал плавится при значительно меньшей температуре.
Но стоит учесть, что полученное стекло не имеет практического значения и годится исключительно для опытов. Это связано с тем, что добавление примесей изменяет и его рабочие параметры, так что вещество не сможет в полной мере справляться с возложенными на него функциями. Именно поэтому никто не изменяет технологический процесс с помощью добавления указанных компонентов.
Основные значения
Приблизительные значения перехода стекла в жидкое состояние дл некоторых видов:
Температура плавления бутылочного стекла - 1200-1400 градусов по Цельсию;
- температура плавления кварцевого стекла - около 1665 градусов по Цельсию;
- температура плавления ампульного стекла - 1550-1800 градусов по Цельсию;
- жидкое стекло температура плавления - 1088 градусов по Цельсию.
Для последнего вещества можно указать точную цифру, потому что оно не проявляет аморфных свойств, так как является водно-щелочным раствором силикатов натрия и калия. Стоит также учесть, что стекло плавится не сразу, а вначале переходит в тягучее карамелеобразное состояние. Это свойство используется мастерами-стеклодувами для создания различных изделий и сувениров.
Заняться подобным ремеслом можно и в домашних условиях. Недостатка в сырье не будет, так как можно найти массу стеклянных бутылок прямо на улице. А в качестве прибора для размягчения материала подойдет и обычная газовая лампа. Свои изделия ручной работы можно будет потом продавать на сувениры и зарабатывать неплохие деньги.
Удивительно, но сталкиваясь, каждый день со стеклянными изделиями, мало кто задумывается о том, из чего делают стекло. Между тем, процесс создания этого материала довольно интересен, а диапазон применения — очень широк.
Технология изготовления стекла
Основной компонент, из которого его делают — это обычный кварцевый песок . Для того чтобы из непрозрачной сыпучей субстанции образовался прозрачный и бесцветный монолит, её нагревают до очень высоких температур. Благодаря этому отдельные песчинки сплавляются между собой, и, поскольку охлаждение стеклянного «теста» происходит очень быстро, не успевают вернуться в свою первоначальную форму. Кроме того, в состав стекла входит сода, немного воды и известняк. Чтобы получить цветной материал, в расплавленную массу добавляют оксиды металлов. Каких именно, зависит от желаемого результата. Так, например, окиси хрома и меди дают вместе зелёный цвет, отдельно окись хрома — желто-зелёный, а кобальт — насыщенный синий.
Технология производства стекла выглядит следующим образом. Сначала все компоненты, вымеренные точнейшими электронными весами, отправляются в гигантскую печь, где при температуре в 1600° С превращаются в единую массу. Затем эта масса делается однородной или, говоря научным языком, гомогенизируется, а все пузырьки газа из неё удаляются. Затем стекольной массе предстоит «купание» в ванне с расплавленным оловом , температура которого приближается к 1000° С. Благодаря более низкой плотности, чем у оловянного расплава, стекло не смешивается с ним, а как бы плавает на поверхности. При этом оно охлаждается и приобретает идеальную гладкость.
Толщина материала зависит от дозировки расходной массы, попадающей в ванну — чем она меньше, тем тоньше получится. Когда стеклянное волокно покидает оловянную ванну, его температура понижается до 600 °С, однако оно ещё достаточно горячо для того, чтобы затвердеть. Поэтому его охлаждают повторно, проводя стекольную «простыню» через конвейер из вращающихся роликов до тех пор, пока масса не остынет до 250 °С. Охлаждение должно проходить постепенно, иначе материал треснет. В конце конвейера установлен автоматический контроль качества — выявляющий возможные огрехи материала. Помеченные сканером места удаляются на следующей стадии процесса — во время резки единого «полотна» на листы нужного размера. В процессе обрезается его край, на котором остаётся полоса от шестёренок.
Полученные обрезки добавляются к новой партии стеклянного «теста» — таким образом, получение стекла становится безотходным процессом.
Характеристики стекла
Теперь, когда ответ на вопрос о том, как изготавливают стекло получен, самое время рассказать о нём подробнее. Итак, существует несколько параметров, по которым подразделяются стёкла. По назначению они делятся на три категории. Бытовые — то есть те, которые идут на изготовление посуды, тары, очков и различных украшений. Строительные — в этот список входят стеклоблоки, стеклопакеты, витрины, мозаики, витражи и так далее. И, наконец, технические, применяемые в химической, машиностроительной и прочих промышленностях. Второй признак, по которому эти изделия разделяются на пять классов — это род обработки.
- Первый класс. В него входят предметы, сделанные по технологиям, предусматривающим ту или иную обработку стекла.
- Второй класс. Включает в себя изделия, подвергшиеся механической обработке поверхности, как то: шлифовка, полировка, матирование (без использования химических средств), гравировка и так далее.
- Третий класс. К этой категории причисляют предметы, чьи грани подверглись холодной обработке механическим способом. Например, были закруглены или фацетированы.
- Четвёртый класс. Изделия, подвергнутые химической обработке, например травлению или матированию с использованием кислот.
- Пятый класс. Стекла, имеющие плёночные или какие-либо иные покрытия.
Также стёкла различают по фактуре наружной поверхности. Здесь существует семь категорий, в одну из которых входят , а в шесть других — глянцевые . Глянцевые поверхности могут быть травлеными, свободными от покрытий или покрытыми органической плёнкой, кремнеорганическими соединениями, полупроводниками или металлическим напылением.
Свойства стекла
Одно из основных свойств этого материала — способность пропускать свет. Стоит сказать, что стекол со стопроцентной пропускаемостью света в природе не существует. Лучшие представители прозрачного «братства» пропускают около 92% процентов видимого света, а привычные оконные — не более 87%.
Теплопроводность стекла — то есть способность проводить тепло от более нагретых участков к менее нагретым, очень мала. Такая способность этого материала создает возможность для его применения в или духовках. Плотность стекла — то есть отношение массы к объёму, полностью зависит от его химического состава. Так, например, если в стекло входит свинец, то плотность его будет высокой. Обычное же оконное имеет плотность 2,5 г на см 3 — проще говоря, 1 см 3 весит 2,5 грамма.
Твёрдость — то есть способность сопротивляться проникновению иных материалов, составляет примерно шесть баллов по шкале Мооса. Для сравнения — у алмаза, самого плотного согласно этому определению материала, данный показатель равен десяти. Хрупкость стекла, как всем известно, очень велика, однако точные её показатели можно определить только в специальной лаборатории.
Стекло служит человеку уже много сотен лет, а процесс его создания всё так же привлекателен и в чём-то даже загадочен. Оно не только защищает наши дома от холода и ветров, но и даёт большую свободу для творчества — от создания витражей до выдувания из него всевозможных предметов.