Вероятно, оно было получено одновременно с открытием керамической и металлургической технологии. Следовательно, стеклу около 5000 лет.

В старину стекло чаще всего служило материалом для украшений и посуды. В строительной технологии оно нашло применение относительно поздно. Старейшее   оконное   стекло - маленькие   литые диски - найдено при раскопках Помпеи и Аквинка (на территории Будапешта). Существенным успехом в совершенствовании технологии стекла было изобретение в Финикии в начале нашей эры стеклодувной трубки. Если раньше мягкое расплавленное или агломерирующееся стекло перерабатывали запрессовкой или литьем в каменные формы, то теперь стало возможным использовать вязкопластичное поведение стекла в широком интервале температур и получать методом раздува полые стеклянные тела. Совершенствование технологии плавления стекла и изготовления изделий из него вызвало к жизни множество новых предметов. От первого остекления окон около 1000 года нашей эры и первых стеклянных зеркал к литым зеркалам большой площади, к цветному стеклу и стекловолокну и, наконец, к пеностеклу (1940 г.)-такой путь прошла стекольная технология. Сейчас прогресс в этой области сказывается прежде всего в механизации производства продукции, выпускаемой в больших масштабах, такой как оконное стекло, различные сосуды - это существенно изменило рентабельность производства. С другой стороны, много внимания уделяется фундаментальным научным исследованиям, открывающим новые свойства стекла и все новые области его применения там, где несколько лет назад это считалось невозможным.

«Замороженный» расплав

Под стеклом понимают неорганические расплавленные продукты, которые при охлаждении не кристаллизуются. В отличие от других неорганических материалов, стекла не имеют упорядоченной структуры. Они аморфны, то есть построены из случайно расположенных в пространстве сетчатых структурных узлов (например, структурных групп SiO4, PO4, так называемых узловых центров), в которых размещены остальные составные части (например, ионы щелочных и щелочноземельных металлов, так называемые структуропреобразователи). Структурные группы, например тетраэдры SiO4, аналогичны кристаллическим силикатам, однако в их расположении отсутствует периодичность ( 89). О стекле говорят как о материале, имеющем ближний структурный порядок. Если типичный расплав стекла, нагретый до высокой температуры, медленно охлаждать, то в нем не наблюдается признаков кристаллизации, а наоборот, структура жидкорасплавленного состояния «замораживается». Поэтому стекло называют также переохлажденной жидкостью.

Хотя в стеклообразное состояние можно перевести многие химические соединения, для технических целей приемлемы только лишь группы определенного химического состава.

Среди этих стекол наибольшая доля принадлежит силикатным, а среди силикатных-известково-щелочным. Когда говорят «стекло», то чаще всего как раз его и имеют в виду.

Силикатные стекла состоят в основном из SiO2 и кроме того из оксидов щелочных и щелочноземельных металлов и оксида алюминия. Для получения необходимых свойств в их состав включают модифицирующие компоненты, например небольшое количество борного ангидрида (в йенских стеклах), оксид свинца (в хрустале), оксиды цинка или редкоземельных металлов (в оптических стеклах). При этом стекла не являются стехиометрическими химическими соединениями и могут иметь различное соотношение компонентов.

От сырья к готовым изделиям

Все зависит от смеси. Здесь мы более подробно рассмотрим стекло для массового производства-силикатное. Если расплавить горный хрусталь, являющийся природной формой SiO2 высокой степени чистоты, для чего требуется очень высокая (выше 1600 °С) температура, а затем отформовать расплав и достаточно быстро охладить его, то мы получим простейшее в химическом смысле стекло. Это кварцевое стекло-идеальный стеклянный материал с совершенно исключительными свойствами, который мог бы найти разнообразное применение, если бы его производство не было бы ограничено двумя факторами: с одной стороны, относительно редкое и, следовательно, дорогое сырье, а с другой-настолько высокая температура плавления чистого SiO2, что это усложняет и удорожает техническую реализацию процесса. Поэтому так важно выбрать пригодное сырье и снизить температуру плавления и переработки, чтобы создать экономичное и высокоразвитое в техническом отношении производство.

Составы технических стекломасс должны содержать лишь столько дорогих и тугоплавких оксидов, сколько абсолютно необходимо для получения желаемых свойств. С другой стороны, дешевые и понижающие температуру плавления компоненты должны применяться лишь в таком объеме, при котором они не ухудшают целевые свойства материала. С некоторых пор практически во всем мире применяются примерно одинаковые составы сырья для производства оконного, хозяйственного, технического (для приборов), бутылочного стекла и т. д. Примером может служить кварцевое стекло. Было обнаружено, что вместо дорогого горного хрусталя можно использовать чистый песок, если к нему добавить щелочное сырье (например, Na2O). При этом на несколько сот градусов понижается температура плавления. Однако стекло, состоящее из диоксида кремния и оксида натрия, для которого в качестве исходного сырья могут быть использованы песок SiO2, сода Na2CO3, натриевая селитра NaNO3 и глауберова соль Na2SO4, недостаточно водостойкое. Поэтому для его стабилизации добавляют оксид кальция СаО, глинозем А12О3 и оксид магния MgO, а для улучшения перера-батываемости стекломассы вводят еще и оксид калия К2О.

Кроме того, допускается присутствие в виде примесей таких компонентов, которые не вызывают нежелательных отклонений от заданных свойств (малые количества Fe2O3, TiO2 и т.д.). Применяется также экономически выгодное комплексное исходное сырье-каолин Al2O3-2SiO2-2H2O или доломит (Mg, Ca)CO3.

Получается из бокситов, каолина или в виде минералов. Применяется для изготовления окрашенных стекломасс Получается из цинковой обманки или цинкового шпата В основном в виде СаСО3, глинистых известняков или доломита

В виде  MgCO3, чаще  всего-в виде доломита В виде ВаСО3 или BaSO4 Чаще всего в виде РЬ3О4 В виде соды, сульфата, нитрата или каменной соли В виде нитрата, сульфата или поташа

Чтобы облегчить протекающие при плавлении реакции и чтобы стекломасса быстро приобрела химическую и физическую гомогенность, все сырье должно быть высушено, измельчено и интенсивно перемешано. Эти операции совершаются в подготовительных цехах, где находятся сушильные печи, сушильные мельницы, валковые дробилки, шаровые мельницы и перемешивающие устройства. Последние заслуживают особенного внимания, так как монодисперсные тяжелые материалы должны смешиваться в течение продолжительного времени. Если добавить к смеси стеклянный бой того же состава, ее плавление ускорится, а введение определенных количеств воды уменьшает пылеобразование и расслоение и благоприятно сказывается на процессе плавки. С помощью транспортера или вагонетки смесь либо в виде порошка, либо брикетированная подается в плавильную печь.

Ванные печи завоевывают признание. В течение столетий стекломассу плавили в горшковых печах, без которых, впрочем, и сегодня немыслим любой стекольный завод по производству специальных стекол (хрусталь, оптическое стекло).

Такой способ, когда стекломасса расплавляется в небольших горшках или тиглях, находящихся в самой печи, имеет, конечно, много недостатков. Главный из них-это периодичность процесса, замедляющая выработку. Размеры печи ( 90) ограничены. Ее диаметр не превышает 1 м, а глубина определяется удобством извлечения плавленого стекла через отверстия. Из-за постоянно понижающегося уровня расплава выгрузка стекла может происходить только вручную, что затрудняет механизацию дальнейших стадий переработки.

Существенный прогресс в плавильной технике был достигнут, когда вместо тиглей в качестве плавильной емкости стали использовать внутреннее пространство печи. Такие печи также работают периодически и с ручной выгрузкой материала, но тем не менее дают больше высококачественного стекла.

Новым прогрессивным способом получения достаточно хорошего расплава стали ванные печи, поверхность плавления которых составляет многие квадратные метры, а глубина относительно невелика (< 1,2 м). В непрерывно действующие установки с одного конца загружается смесь, которая расплавляется в горячей стекломассе. В процессе медленного течения расплава вдоль ванны осуществляется его осветление, дегазация и гомогенизация. Дойдя до противоположного конца ванны, он полностью готов к дальнейшей переработке. Уровень расплава, а также его физические и химические характеристики поддерживаются постоянными, и готовая стекломасса непрерывно выгружается и перерабатывается в изделия.

В ходе совершенствования процесса получения стекла в смесь стали добавлять ускорители плавления и осветляющие средства. Ускоритель плавления очень быстро образует тонкий слой расплава, а осветлитель вызывает завихрения в расплавленной массе и способствует лучшей гомогенизации.

Ванные печи - крупные сооружения: вместе со вспомогательным оборудованием и оснащением для завершающего этапа процесса они занимают несколько этажей в больших цехах. Долгое время такие печи обогревались исключительно генераторным газом, а сейчас для этого все чаще применяются природный газ или электроэнергия.

Один из самых новых способов это чисто электрическая плавка, при которой газ используется только для предварительного плавления за-" груженной смеси при пуске печи. После того как образовался определенный слой расплава, процесс плавления идет исключительно за счет тепловой энергии, выделяющейся при прохождении электрического тока через расплавленную массу.

В то время как у всех непрерывно работающих ванных печей зоны плавления и осветления остаются почти неизменными, зона выработки готовой стекломассы определяется способом ее переработки, то есть меняется в зависимости от типа машин.

Прессование, дутье, вытяжка и прокатка. Дальнейшая переработка непрерывно и в больших количествах получающегося расплава стекла должна быть механизирована.

Тарелки, чашки, вазы, кинескопы и детали электронной техники, да и вообще все массивные изделия из стекла получаются методом машинного прессования, причем установка оснащена максимум шестнадцатью вращающимися прессующими головками.

Аналогичные машины, оснащенные добавочно системой для создания вакуума или избыточного давления, служат для производства полых стеклянных изделий — до 30000 штук в день. Стеклянная капля сначала выпрессовывается в виде продолговатой заготовки с горловиной, а затем стекло выдувается через горловину к внешним стенкам формы. Таким способом фабрикуются все бутылки, банки и подобные им сосуды, а также колбы электроламп, стаканы и лабораторная посуда.

Прокатка используется при производстве профильного орнаментированного и армированного стекла. Струя расплава из ванны протекает между валками, на которые нанесен узор (валков два или более это зависит от формы образца и по крайней мере один из них вращается). В зазоре валков получают равномерное по толщине стекло, причем в него может быть одновременно запрессована армирующая основа. Готовая лента застывает на находящемся за валками транспортере, который   ведет  в   охладительную   камеру.

Наиболее сложные и разнообразные формы возникают из стекла при вытяжке. Этот процесс используется как при производстве труб и стержней, так и при получении плоских изделий. Трубы можно изготовлять, например, по очень старому методу горизонтальной вытяжки (метод Даннера): струя расплава течет по наклонной жаропрочной трубе и образует внутри нее вязкую оболочку, которую поток воздуха непрерывно сдвигает вперед, равномерно растягивая по всей поверхности трубы. При этом получают длинные трубы малого и среднего диаметров.

Способ высокоскоростной вытяжки расплава через отверстие в ванне применяется для получения труб большого диаметра, причем требования к постоянству температуры и гомогенности состава стекла очень высоки.

Особенно большие плавильные ванны необходимы при производстве листового стекла. Иначе и быть не может в среднем девять машин непрерывно вытягивают из ванны стеклянные полосы шириной до 2 метров. На  91 показана рабочая ванна такой плавильной установки. Продольные узкие тоннели содержат соответствующие будущей ширине листа фильеры, через которые стекло выдавливается, крепится в металлических захватах и протягивается через систему валков. Постепенно охлаждаемая полоса уже в совсем холодном состоянии разрезается и передается для дальнейшей обработки.

Подобные устройства не используются при современном способе, когда листовое стекло формуется на зеркале расплавленного металла (чаще всего олова с температурой плавления 232 °С). Благодаря этому получается поверхность очень высокого качества.

Форма должна соответствовать цели. Из-под пресса выходят уже готовые стеклянные изделия, а вот при других способах переработки стеклу предстоит еще либо разрезание с помощью алмазных инструментов, либо нагрев в остроконечном пламени с последующим отламыванием. Протянутое плоское, профильное или листовое стекло в принципе готово к употреблению, но при особых требованиях (например, настольное стекло) его края должны быть отполированы и отшлифованы. У дутых полых изделий края, как правило, оплавляют.

Особой отраслью стекольной промышленности является стеклодувное дело. Стеклодувы из труб, стержней изготавливают сложнейшие, порой уникальные аппаратуру и лабораторное оборудование, используя при этом изгиб, выплавку, сплавление и выдувку в пламени газовой  горелки.

Аналогично этому производятся радиолампы, кинескопы, которые потом, после монтажа электроники и откачки воздуха или заполнения инертным газом, герметически заплавляются.

Есть еще один способ обработки стекла, основанный на его химических свойствах. Стекло можно матировать, обрабатывая смесью плавиковой и серной кислот или другими фтористыми соединениями. Такие смеси неравномерно разъедают стекло, образуя на его поверхности определенный рельеф. При других соотношениях компонентов смесь плавиковой и серной кислот оказывает, наоборот, полирующее действие. Этот состав используют для восстановления гладкой поверхности после шлифовки изделия при производстве хрусталя. Важную роль играет нанесение покрытий на поверхность стекла. Металлы, их оксиды, пластмассы, силикон и другие материалы наносятся в виде тонкого слоя и закрепляются различными способами (термообработка, окисление, полимеризация). Известны металлические покрытия на рюмках и бокалах. Посеребренное листовое стекло, покрытое защитной пленкой синтетического лака, мы все знаем это обычное зеркало. На кинескопах телевизоров нанесен слой люминофора, который и дает возможность воспроизведения изображения.

Свойства стекла можно улучшить

Ввиду меняющегося в широких пределах состава силикатных стекол (см. табл. 18) их свойства также довольно широко варьируются. В зависимости от требований, предъявляемых к стеклу, выбирается его тип; другими словами, изготовляется стекло с необходимыми свойствами. Само собой разумеется, что при выборе играют роль экономические и технологические показатели. Можно было бы, например, вставлять в окна химически стойкое стекло, но только такое остекление обошлось бы вдвое дороже.

Область применения стекла ограничена некоторыми его специфическими свойствами. Поэтому в последние годы прилагают немало усилий, чтобы путем целенаправленного научного поиска улучшить некоторые характеристики или даже получить стекла со свойствами, не присущими этому материалу.

Новые способы обработки повышают прочность. Стекло чрезвычайно хрупкий и ломкий материал. Оно имеет весьма низкие пределы прочности на растяжение и изгиб и обладает относительно высокой поверхностной твердостью

Его эксплуатационные свойства можно заметно улучшить, если усилить его другими материалами (например, в литое и зеркальное стекло вводят проволоку). Это называется армированием стекла. Кроме того, на поверхность стекла можно нанести юганические или неорганические защитные покрытия.

В последнее время стали известны также химические методы, например ионный обмен, которые приводят к более существенному повышению прочности стекла, порой даже в 10 раз. Этот процесс еще довольно редко внедряется в промышленность ввиду высоких экономических и технологических затрат.

Прочность стекла и его устойчивость к перемене температур можно повысить и другим способом за счет направленной кристаллизации ( 92). Такие стекла должны содержать центры образования зародышей небольшие кристаллы, которые при определенных температурных условиях вызовут кристаллизацию основной массы стекла. Так возникают ситаллы, или стеклокерамика. Подобные материалы могут выдерживать внезапное повышение температуры на 1000 °С, так как при этом не происходит практически никакого изменения их объема. Изделия из них применяются в промышленности, в лабораториях и домашнем хозяйстве.

Стекло реагирует на интенсивность света. Главное значение стекол как строительного материала обусловлено их прозрачностью по отношению к видимому свету. Кроме того, обычное силикатное стекло пропускает небольшую часть ультрафиолетового и коротковолнового инфракрасного излучения, почти полностью задерживая биологически активные их части. При обработке поверхности можно усилить отражение света, а путем добавки окрашивающих веществ усилить его поглощение, что значительно изменяет прозрачность стекол.

Некоторое время назад были созданы фототропные стекла, которые под действием света или вообще любого электромагнитного излучения мутнеют или окрашиваются. Часто этот эффект обратим, то есть при исчезновении или ослаблении источника излучения восстанавливается прежнее состояние.

Иногда в стекло со специальным составом добавляют, например, галогениды серебра. Возникающее в этом случае при облучении помутнение можно сравнить с фотографическим эффектом, когда маленькие прозрачные кристаллы галогенида серебра, введенные в стекло, в потоке света превращаются в частицы металлического серебра, что проявляется в резком уменьшении прозрачности стекла.

Использование фототропного эффекта зародилось в связи с применением специальных стекол для очков. Очки с такими стеклами меняют свою прозрачность пропорционально интенсивности солнечного света. Их можно применять и для лобовых стекол автомобилей. Заманчивой кажется мысль покрывать фототропной глазурью большие остекленные поверхности в промышленном и гражданском строительстве. Для некоторых целей перспективны комбинации фототропных стекол с теплозащитными. В ходе дальнейшего развития техники такие стекла найдут применение в электротехнике и в оптике.

← первая новость    последняя новость →