Красота

Стекло: что такое, виды, технология производства, свойства, назначение. Из чего делают стекло – процесс изготовления, состав и свойства

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.

Ежедневно пользуясь стеклянными предметами, практически никто не задумывается о том, из чего получают этот материал. Каким образом изготавливаются порой удивительные по красоте предметы интерьера? Как делают стекло? Почему солнечный свет свободно проникает через окно в помещение? Каким образом определенные виды стекла не разбиваются даже при сильных ударах?

Технология производства

Основным материалом для изготовления стекла служит кварцевый песок. Да, тот самый, которым усыпаны песчаные пляжи и по которому в летнее время с удовольствием можно походить босиком.

Начинается производство стекла с того, что точно вымеренное на электронных весах количество мельчайшего кварца нагревается до температуры свыше 1500 градусов C. Песчинки плавятся, образуя однородную массу. К ним в небольших количествах добавляется кальцинированная сода и известняк. С какой целью?

Кальцинированная сода в этом процессе является своего рода катализатором и заставляет плавиться песок при более низкой температуре, примерно 850 градусов C. Это позволяет снизить энергетические затраты на производство. Но сода не используется без известняка. Этот факт объясняется просто: расплавленный песок и кальцинированная сода при застывании образуют вещество, которое легко растворяется в воде (не лучший материал для производства предметов бытового пользования). Сюда же добавляются окиси магния, алюминия и борная кислота. А также ряд веществ, предотвращающих образование воздушных пузырей в массе.

После того как все компоненты доведены до определенной температуры, следует резкое охлаждение - это не даст песчинкам вернуться в исходную форму.

Стеклянная радуга

Измельченный кварц (песок) в своем природном виде содержит небольшую примесь железа, что придает готовым изделиям в будущем легкий зеленый оттенок. Для того чтобы материал получился прозрачным, к нему добавляют селен. Это вещество отдает красноватыми тонами, но при смешивании с железом стеклянная поверхность получается бесцветной. А из чего делают стекло различных оттенков, а иногда даже не однотонное, переливающееся всеми цветами радуги?

Для придания материалу цвета в нагретую смесь добавляют оксиды металлов. Кобальт придаст насыщенные синие краски. Фиолетовыми оттенками заиграет изделие, если в процессе изготовления добавить марганец, а зеленый получится из смеси хрома и железа. Для солнечного желтого цвета подойдет окись хрома, для изумрудно-зеленого - оксиды хрома и меди. Какие компоненты добавляются, зависит от того, какую цель преследует завод по производству стекла.

Секрет прочности

Следующий процесс после окрашивания - кристаллизация смеси. Его иначе называют гомогенизирующим процессом. В результате удаляются все воздушные пузыри, прожилки и прочие несоответствия, которые могут в дальнейшем повлиять на качество изделий.

После гомогенизации будущее стекло доставляется к резервуару с расплавленным оловом с температурой около 1000 градусов С. Так как олово имеет более высокую плотность, жидкая стеклянная масса находится на его поверхности. Где и становится идеально гладкой, немного охлаждается, приобретая твердость. На следующем этапе массу, остывшую в резервуаре до 600 градусов C, перемещают на роликовый конвейер. Здесь, исходя из правил того, как делают стекло с высоким уровнем качества, оно находится до тех пор, пока температура не опустится до 250 градусов C. Длительность процесса объясняется необходимостью равномерного постепенного охлаждения, во избежание преждевременных трещин.

Уникальное безотходное производство

В конце конвейера установлено устройство, контролирующее качество готового материала, и при малейшем изъяне стекло отправляется на переплавку с новой приготовленной смесью. После прохождения контроля качества нарезаются готовые листы нужного формата и отправляются либо на склад, либо в дальнейшую обработку. Все зависит от предназначения изделия.

Остатки после нарезки вновь закладываются в смесь для переплавки. Туда же запускается весь отбракованный материал. Исходя из того, как делают стекло, можно с уверенностью сказать, что это производство безотходное.

Виды

В силу своих химических и физических свойств стекло подразделяется по нескольким критериям:

по назначению (бытовые нужды, промышленное использование, строительство);
по виду обработки (химическая, механическая и особые технологии);
по фактуре поверхности (матовая, глянцевая, с напылением из различных металлов, с пленочным покрытием и без такового).

Четкого деления по категориям не существует. При классификации исходят из того, по какой технологии и как делают стекло. В конечном итоге может получиться многослойная поверхность с механической обработкой по краям или изделие с высоким уровнем пропуска света, с огранкой холодным способом. Стоить отметить, что отдельным параметром качества является уровень пропуска света. Не существует стекла со 100% уровнем, для бытовых нужд он составляет 82%. В высокотехнологичных изделиях: микроскопах, телескопах, различных линзах и точных приборах - этот показатель выше 90%.

Чтобы стекло разложилось, понадобится миллион лет.
Стекло перерабатывается без потери качества.
Самое толстое стекло в мире – это 26 см экран сиднейского аквариума.

Из чего делают стекло?

Для изготовления стекла мастера берут: кварцевый песок (основная составляющая); известь; сода;

Вначале кварцевый песок, соду и известь нагревают в специальной печи до температуры 1700 градусов выше нуля. Песчинки соединяются между собой, после гомогенизируются (превращается в однородную субстанцию), газ удаляется. Масса «окунается» в расплавленное олово с температурой выше 1000 градусов, которая плавает на поверхности из-за более низкой плотности. Чем тоньше масса, попадающая в ванну с оловом, тем тоньше будет стекло на выходе.

Материалы по теме:

Почему стекло и лед прозрачны?

Интересные факты:

Самое дорогим в мире считается Муранское стекло. Изделия из него стоят миллионы долларов. Венеция с древних времен славилась изготовлением качественного стекла. Достоверно известно, что в XIII веке правительство государства перенесло производство на крупный остров Мурано, и мастерам было категорически запрещено покидать его. Наказание – смертельный приговор. Кроме того, для туристов или других жителей Венеции также вход на остров был закрыт. Такие жесткие меры позволили сохранить тайну производства.
Одним из самых интересных психических заболеваний Средневековья является «стеклянная болезнь». Человек при таком расстройстве думал, что сделан из стекла, и боялся разбиться. Таким недугом страдал французский король Шарль VI. Монарх носил всегда несколько слоев одежды и запрещал к себе прикасаться.

Стекло представляет собой наиболее древний предмет, который был найден человеком и используется до сих пор. Найден, потому что человек не сам придумал и сделал его впервые. Вероятнее всего, первое стекло появилось много тысяч лет назад из вулканической лавы. Сейчас это вещество принято называть обсидианом. Как делают стекло? Давайте вернемся к тем временам, когда его еще не было. Постепенно люди познавали окружающую природу и заметили, что при смешивании натуральной соды с песком и последующем нагревании появляется прозрачное вещество. Именно так им и стали известен этот новый вид материала. Этот процесс был описан Плинием - древнегреческим энциклопедистом. Именно с того момента и началась история использования стекла, ставшего в нашей сегодняшней жизни совершенно незаменимым. Ведь сейчас оно используется повсеместно.

Однако имеется и иная теория относительно того, как делают стекло, точнее, как его производили раньше. Некоторые ученые решили, что стекловидный материал был выявлен в качестве побочного продукта при выплавке меди или обжиге В жизни человека этот продукт сыграл поистине выдающуюся роль. Сложно переоценить его значение. Производство листового стекла сравнимо с такими открытиями, как добыча огня и изобретение колеса. Во времена Древнего Египта из него было принято изготавливать всевозможные украшения. Позже из него научились производить емкости для жидкостей. С тринадцатого века наблюдалось резкое увеличение количества изготовленого стекла. Венеция стала центром его производства. Мастерам стала известна технология создания восточного стекла, после чего они стали развивать и улучшать ее. Прозрачность стекла стала возможна благодаря добавлению в него всевозможных примесей. Мастера стали делать из него разную посуду, которая была очень тонкой и изящной. В те времена стеклянные изделия больше служили в качестве предметов роскоши и украшений.

Если вопрос о том, как делают стекло, вам все еще интересен, то можно рассказать о том, как оно находило все новые и новые сферы применения. Технология его производства совершенствовалась. Было придумано зеркало, это сделали посредством нанесения на одну сторону амальгамы. При строительстве тоже стали использовать стекло. Обычно его применяли при возведении дворцов и храмов. А после того как мастера научились делать его цветным, они стали украшать им окна, делая прекрасные витражи. И сейчас широко используется стекло для фьюзинга. И в науке со временем стали использовать стекло. Благодаря открытию его способности концентрировать и рассеивать свет, были созданы разнообразные линзы, сделаны телескопы и микроскопы. Данные открытия стали гигантским шагом в развитии естественных наук - медицины, биологии, астрономии, физики и прочих. Ни в одном научном направлении без стекол невозможна какая-либо деятельность.

Как делают стекло? Как и когда-то раньше, из песка. В своей основе песок содержит представленный тут в виде кристаллов кварца. При нагревании он плавится. Если быстро охладить его, то минералы не успеют кристаллизоваться, становясь прозрачными. Для придания изделию какого-либо цвета в него добавляются оксиды разных металлов. Для придания стеклу максимальной прозрачности песок очищают так, чтобы в его составе содержался практически один кварц.

На данный момент существует масса способов получения продукта с разными свойствами: армированного, закаленного, зеркального, бронированного. В качестве основы и сейчас служит простой песок, который подвергается обработке. Важно сказать о том, что песка на планете пока хватает, поэтому стекло не скоро выйдет из нашего обихода.