Такая вещь, как стекло, окружает нас повсюду: окна в доме или авто, аквариумы, посуда, предметы декора, реторты и мензурки в промышленности и медицине, даже в часах оно есть. Интересные факты:
- Для разложения стекла должно пройти миллион лет.
- При переработке стекло сохраняет все свои качества.
- Самый толстый лист стекла – экран аквариумы в Сиднее. Его толщина составляет 26 см.
Современные технологии производства позволяют получить стекло с самыми различными характеристиками и качествами:
- Бытовое. Его используют в повседневной жизни: посуда, очки, декоративные изделия.
- Техническое. Это очень плотное стекло, используемое в тяжелой промышленности.
- Строительное. Из него делают витрины, витражи, окна.
- Пуленепробиваемое. Применяется в целях повышения безопасности зданий, автомобилей и т.д.
Сегодня, глядя на крошечный часовой циферблат, мы можем поразмышлять: какое стекло лучше сапфировое или минеральное . Можем выбрать для отделки своих окон материал различных оттенков: синего, красного, зеленого или вообще без цвета. Купить матово-белую строгую вазу или разноцветное яркое изделие фриформ от профессиональных стеклодувов. Даже странно для такой популярности, что очень немногим приходит в голову вопрос, как изготавливают стекло? Что для этого нужно?
Из чего делают стекло
Любопытен не только сам процесс изготовления, а и то, из чего делают стекло. В основе обычно лежат всего три ингредиента, и у каждого из них своя роль в процессе создания:
- Кварцевый песок – основа. Температура его плавления 1700⁰С.
- Сода. Она помогает снизить температуру плавления песка вдвое и существенно упростить процесс изготовления.
- Известь. Этот компонент необходим для водонепроницаемости. Если бы ее не было, то в вазу мы бы не смогли поставить цветы, из стакана не выпили бы чай, поскольку вода просто растворила бы такой сплав.
Изготовление стекла – процесс достаточно жаркий, трудоемкий и опасный. Сначала все компоненты смешивают и плавят в специальной печи. После того, как песчинки соединятся между собой, превратившись в однородную массу, ее отправляют в ванну с расплавленным оловом (его температура выше 1000⁰С). Стеклянная смесь будет плавать на поверхности из-за разницы в плотности материалов. Чем меньше массы будет в оловянной емкости, тем тоньше получится образец. После этого происходит охлаждение заготовок на специальном конвейере.
Любопытное в истории:
- Одна из самых древних стеклянных частиц датируется XXI в. до н.э. Синее прозрачное сырое стекло было найдено в южной Месопотамии. Стеклоделием занимались также в Сирии, Египте и Финикии.
- Многие века самым дорогим считалось стекло из Венеции. У мастеров получались необычайно тонкие и красивые изделия: посуда, украшения, зеркала, стоящие баснословных денег. Очень долго Венеция была стеклянным монополистом, а секреты мастерства ревностно хранились. В ХІІІ веке производство даже перенесли на остров Мурано, и запретили мастерам покидать его под страхом смертной казни. Несмотря на это, стеклоделы были особой, богатой и привилегированной кастой. Неслыханное для того времени дело: женившись на дочери такого мастера, парень переезжал в семью жены!
- Один из мировых лидеров производства на сегодня – Китай, он контролирует третью часть мирового рынка. А в период с XIV по XIX век страна не производила стекла вообще.
Столько сколько существует стекло, существуют и его разновидности, различающиеся по цветам. Из чего делают стекло синего, зеленого или красного цвета? Что позволяет изменить оттенок материала для создания красивого витража, вазы или скульптуры? Все дело в добавлении различных химических соединений, чаще всего оксидов:
- Красный цвет придает добавление оксида железа.
- Фиолетовый и коричневый оттенки (все зависит от количества) – никель.
- Ярко-желтый цвет – уран.
- Оттенки зеленого – хром и медь.
- Насыщенный синий – кобальт.
Кстати еще один оксид – на этот раз оксид алюминия используют для производства сапфирового стекла для часов. Оно очень твердое, оставить на нем царапину можно только алмазом!
Стекло – интересный и удивительный материал, который необходим во многих аспектах жизни.
По традиции, прелагаем посмотреть захватывающее видео о том, как делают стекло
Из чего делают стекло? Простой вопрос, интересующий многих любознательных людей. Предлагаем ознакомиться с составом материала и его основными свойствами.
Стекло: из чего состоит
Стеклоделие - древнейшая технология. Изначально производство стекла было сложным и трудоемким процессом. Современная наука упростила его, существенно сократив время производства изделий и уменьшив их стоимость. Из чего делают стекло и как это происходит?
Для производства используют следующие ингредиенты:
- Кварцевый песок. На 3/4 стекло состоит из оксида кремния. Качество песка определяет качество готового материала. Поэтому важно, чтобы он был чистым, без примесей. Песок плавят под воздействием рекордно высоких температур, в результате чего он меняет структуру, превращаясь в жидкую массу.
- Сода. Выступает катализатором плавления, позволяет снизить температуру обработки кварцевого песка.
- Известь. Придает стеклу прочность, блеск и твердость.
Помимо этих составляющих, в массу для производства стекла добавляют нефелиновый сиенит, таламит и сульфат натрия.
Как делают стекло? Смешанные до однородности ингредиенты плавят в специальной печи при температуре 1500–1700 градусов Цельсия. Полученную массу распределяют равномерным слоем на емкостях с расплавленным оловом. В ходе остывания материал твердеет, превращается в плотный лист. Полученный лист загружают в специальный конвейер для проверки равномерности толщины и нарезки стандартными кусками.
Для окрашивания материала используют оксиды серебра, железа, меди и других металлов. Синий цвет дает оксид кобальта, сиреневый - никеля, зеленый - калиево-цинковый. Ионы металлов-красителей, добавленные в расплавленную смесь, равномерно распределяются и придают материалу нужный оттенок. Интенсивность цвета регулируется количеством добавления красителя, а также толщиной готового стекла.
Из чего делают стекло для телефона
Для производства защитных стекол для смартфонов используют алюмосиликат. Его производят путем высокотемпературной обработки диоксида кремния с добавлением специальных химических веществ. В состав материала входит кислород, алюминий, кремний и ионы натрия, необходимые для второго этапа производства.
Затем алюмосиликатное стекло подвергают обработке ионами калия. Первый материал помещают в горячую (400 градусов по Цельсию) солевую ванну, где под действием химической реакции разрываются ионные связи. Ионы калия замещают ионы натрия в алюмосиликате, подвергаются прессованию под высоким давлением.
В результате стекло получает высокопрочный защитный слой, которого нет у обычного минерального стекла. Отсюда и высокие показатели надежности, прочности, износостойкости и долговечности. Защитное стекло на телефон выдерживает большие нагрузки, сохраняя целостность матрицы.
Из чего делают стекло для часов
При изготовлении стекла для часов используют разные материалы, отличающиеся как по эксплуатационным характеристикам, так и по способу ухода. Вот основные разновидности:
- Пластик. Да-да, часовые стекла производят из легкой и прозрачной пластмассы - силикатного стекла. Такое стекло трудно разбить, но легко поцарапать. Поверхность быстро теряет привлекательный внешний вид.
- Минеральное сырье. Кварцевый песок плавят в специальной печи, добавляют определенные оксиды и охлаждают для получения твердой консистенции. Материал имеет хорошие оптические свойства, устойчивость к воздействию агрессивных сред, легко поддается полировке. Но под воздействием прямых солнечных лучей дает много бликов. Легко бьется. Некоторые производители покрывают минеральные часовые стекла твердым защитным слоем, повышая устойчивость к механическим повреждениям.
- Сапфир. Синтетический сапфир получают путем высокотемпературной обработки кристаллизованного оксида алюминия. Ему свойственна повышенная прочность, износостойкость и долговечность. Выдерживает экстремальные условия эксплуатации, не царапается даже при непосредственном воздействии острых предметов. По относительной шкале Мосса стекло имеет твердость 9, уступая лишь алмазу с твердостью 10. Стоимость сапфирового стекла значительно выше, но она оправдана высокими пользовательскими характеристиками материала.
Также производители предлагают комбинированные часовые стекла. Минеральная основа покрывается плотным слоем сапфирового покрытия, что позволяет улучшить прочностные характеристики материала.
Стекло - практичный и распространенный материал. Но даже сейчас сложный и технологичный процесс его производства немного напоминает магию.
Если вам интересно, откуда берется стекло, пойдите на пляж. Почти все стекло делается из песка, который на самом деле является измельченным кварцем.
Песок содержит небольшую примесь железа. Именно железо придает стеклу, сделанному из обычного песка, зеленоватый цвет. Для производства абсолютно бесцветного прозрачного стекла стекловатры используют селен. Этот минерал придает стеклу легкий красноватый оттенок, который компенсируется зеленоватым цветом, и в результате стекло кажется бесцветным. (Для производства стекла других цветов стеклодувы добавляют другие вещества: кобальт - для глубокого синего цвета; марганец - для фиолетового; хром или железо - для зеленого.)
Чтобы получить стекло, песок необходимо расплавить. Вам наверняка приходилось ходить по раскаленному песку в солнечный день, поэтому вы догадываетесь, что для этого его нужно нагреть до очень высоких температур. Кубик льда тает при температуре около 0 С. Песок начинает плавиться при температуре не менее 1710 С, что превышает максимальную температуру нашей привычной духовки почти в семь раз. Нагревание любого вещества до такой температуры требует больших затрат энергии, а следовательно, и денег. По этой причине при производстве стекла для повседневных нужд стекловары добавляют в песок вещество, помогающее песку плавиться при более низких температурах - примерно 815 С. Обычно этим веществом является кальцинированная сода.
Однако, если при расплаве использовать смесь только песка с кальцинированной содой, можно получить удивительный сорт стекла - стекло, растворяющееся в воде (прямо скажем, не самый лучший выбор для стаканов).
Чтобы стекло не растворялось, нужно добавлять третье вещество. Стекловары прибавляют к песку и соде измельченный известняк (вы наверняка видели этот красивый белый камень).
Стекло, из которого обычно делают окна, зеркала, стаканы, бутылки и лампочки, называется натриево-кальциево-силикатным. Такое стекло очень прочное, а в расплавленном виде ему легко придать нужную форму. Кроме песка, кальцинированной соды и известняка в эту смесь (специалисты говорят «шихту») входит немного окиси магния, окиси алюминия, борной кислоты, а также вещества, предотвращающие образование пузырьков воздуха в этой смеси.
Все эти ингредиенты соединяют и смесь (шихту помещают в гигантскую печь (самые большие из этих печей могут вмещать почти 1110000 кг жидкого стекла).
Сильный огонь печи нагревает смесь, пока она не начнет плавиться и не превратится из твердого вещества в тягучую жидкость. Жидкое стекло продолжают прогревать при высоких температурах, пока из него не исчезнут все пузырьки и прожилки поскольку сделанная из него вещь должна быть абсолютно прозрачной. Когда масса стекла становится однородной и чистой, огонь уменьшают и ждут пока стекло превратится в вязкую тягучую массу - как горячий ирис. Затем стекло выливают из печи в отливную машину, где оно разливается по отливным формам и формуется.
Однако при производстве полых вещей, например бутылок, стекло приходится выдувать, как воздушный шарик. Раньше выдувание стекла можно было увидеть во время ярмарок и карнавалов, ныне этот процесс частенько показывают по телевизору. Вы, вероятно, видели, как стеклодувы дуют в кусок горячего стекла, висящего на конце трубки, и создают удивительные фигурки. Но выдувать стекло можно и с помощью машин. Основной принцип стеклодувов - дуть в стеклянную каплю, пока в середине не образуется воздушный пузырь, который станет полостью в готовой вещи.
После того как стеклу придана необходимая форма, его подстерегает новая опасность - оно может треснуть при охлаждении до комнатной температуры. Во избежание этого мастера стараются контролировать процесс охлаждения, подвергая застывающее стекло термообработке. Последний этап обработки - снятие лишних капелек стекла с ручек чашек или полировка тарелок с помощью специальных химикатов, делающих их идеально гладкими.
Ученые до сих пор спорят, чем следует считать стекло - твердым веществом или очень вязкой (сиропообразной) жидкостью. Поскольку стекла окон старых домов внизу толще, а вверху тоньше, некоторые заявляют, что стекло со временем стекает. Однако на это можно возразить, что раньше оконные стекла делали не идеально ровными и люди просто вставляли их в рамы более толстым краем вниз. Даже изделия из стекла времен Древнего Рима не демонстрируют никаких признаков «текучести». Таким образом, пример со старым оконным стеклом не поможет разрешить вопрос, является ли стекло в действительности жидкостью высокой вязкости.
Имён и лиц тех достойных людей, кто подарил миру стекло, история, как водится, сохранить не потрудилась. Собственно, ничего удивительного в этом нет: как утверждает римский историк Плиний Старший, первооткрывателями были финикийские моряки. Причём открытие, как и большинство ему подобных, было сделано случайно.
Если отвлечься от высокого слога и древней латыни, которой написана "Естественная история" Плиния, рассказ получается следующим. Однажды финикийский торговый корабль, застигнутый сильной бурей, вынужден был бросить якорь в небольшой бухте. Усталые и озябшие моряки вышли на берег. Они стали искать, где бы развести костер, чтобы сварить себе похлебку и согреться. Берег был песчаный, и нигде не видно было камней, на которые можно было бы поставить котел. Тогда одному из моряков пришло в голову вытащить из трюма корабля глыбы соды, которую везли на продажу, и на эти глыбы поставить котел.
Так вот, на эти-то содовые глыбы и поставили финикийские моряки котел с водой. Костер получился на редкость удачный. Моряки сытно поели и легли спать. Утром, собираясь в путь, один из них разбросал тлеющие остатки костра. Вдруг он заметил в золе какие-то блестящие кусочки. Они не были похожи ни на дерево, ни на металл, ни на глину, ни на камень. Таких странных светлых кусочков не видел до тех пор ни один финикиянин. Это новое загадочное вещество - по утверждению Плиния - и было стеклом: сплавом берегового песка с содой.
Этот рассказ, скорее всего, вспомнят все, кто в школе читал учебник истории. Отчего-то эта версия любима многими и по сей день. Но вот насколько она правдоподобна? Увы, современные стекловары вполне убедительно доказали: древний историк ошибся. Или что-то пересказал неверно. Но факт остаётся фактом: сварить стекло из соды и песка в пламени костра нельзя.
Более реальным кажется предположение о том, что по случайности смесь песка и соды попала на глиняный горшок перед обжигом. А гончар, вынувший готовое изделие из печи заметил тонкую блестящую плёночку, покрывшую бока сосуда.
В общем, по поводу того, кому повезло с открытием стекла остаётся только гадать и верить либо истории про финикийских моряков, которые вообще были замечательными ребятами, либо поддерживать версию о везучем и внимательном гончаре. Изучающие историю происхождения этого материала когда-нибудь придут к единому мнению и относительно места - Египет , Финикия или Месопотамия, Африка или Восточное Средиземноморье и т.д., - и относительно времени - «около 6 тысяч лет назад», но характерную «синхронность открытий» можно наблюдать, причём не имеет большого значения разница даже в сотни лет, в особенности, когда в реконструируемом способе варки стекла прослеживаются существенные различия.
Технология изготовления стекла
Как вы думаете, кто впереди планеты всей в области древнего стекловарения? Правильно - древние египтяне. Примерно до 4 тыс. до н.э. древние египтяне варили так называемый "египетский фаянс" из стеатита, мягкой кварцевой муки или цельного природного кварца.
Существует мнение, что наиболее ранние образцы изготовлены из стеатита. Минерал этот по составу представляет собой силикат магния, он присутствует в природе в больших количествах. Изделия, вырезанные из куска стеатита, для получения глазури покрывались порошкообразной смесью из сырых материалов, входящих в её состав, и обжигались. Глазурь эта, по химическому составу представляющая собой силикат натрия с небольшой примесью кальция - не что иное как легкоплавкое стекло, окрашенное в голубые и зеленовато-голубые тона медью, иногда с изрядной примесью железа.
Египетские стекловары плавили стекло на открытых очагах в глиняных мисках. Спёкшиеся куски бросали раскалёнными в воду, где они растрескивались. Получившиеся обломки, так называемые фритты, растирали в пыль жерновами и снова плавили.
Фриттование использовалось в качестве основной технологии изготовления стекла даже по окончании Средневековья, поэтому на старых гравюрах и при археологических раскопках мы всегда находим две печи - одну для предварительной плавки и другую для плавки фритт.
Необходимая температура проплавления составляет 1450 °C, а рабочая температура - 1100-1200 °C. Средневековая плавильная печь («гуть» - по чешски) представляла собой низкий, топящийся дровами свод, где в глиняных горшках плавилось стекло. Выложенная только из камней и глинозёма, долго она не выдерживала, но надолго не хватало и запаса дров. Поэтому, когда лес вокруг гуты вырубали, её переводили на новое место, где леса было ещё в достатке.
Ещё одной печью, обычно соединяемой с плавильной, была отжигательная печь - для закалки, где готовое изделие нагревалось почти до точки размягчения стекла, а затем - быстро охлаждалось, чтобы тем самым компенсировать напряжения в стекле (предотвратить кристаллизацию).
В виде такой конструкции стеклоплавильная печь продержалась до конца XVII века, однако нехватка дров вынуждала некоторые гуты, особенно в Англии, уже в XVII веке переходить на уголь. Со сменой топлива возникли очередные неудобства: улетучивающаяся из угля двуокись серы окрашивала стекло в жёлтый цвет. Чтобы избежать этого, англичане начали плавить стекло в так называемых крытых горшках.
Интересны сведения о том, что стекло, в общем смысле, за время своего существования не претерпело практически никаких изменений (самые ранние образцы того, что стали называть стеклом, ничем не отличаются от известного всем - бутылочного), однако в данном случае речь идёт о веществе и материале минерального происхождения, нашедшем применение в современной практике.
Состав стекла
Чистый кремнезем (SiO2) имеет точку плавления примерно 2000 градусов, и в основном используется для получения стекла для специальных приборов. Обычно в состав смеси добавляют еще два вещества, чтобы упростить процесс производства. Во первых – это углекислый натрий (Na2CO3), или углекислый калий, который понижает точку плавления смеси до 1000 градусов. Однако, эти компоненты способствуют растворению стекла в воде, что является крайне нежелательным. Поэтому в состав смеси добавляют еще один компонент – известь (окись кальция, CaO), чтобы придать составу нерастворимость. Такое стекло содержит примерно 70%-ый кремнезем и называется известково-натриевым стеклом. Доля такого стекла в общем объеме производства составляет примерно 90%.
Так же как известь и углекислый натрий, к обычному стеклу добавляют и другие компоненты, чтобы изменить его физические свойства. Добавление в стекло свинца – увеличивает показатель преломления света, заметно увеличивает блеск, а добавка в состав смеси бора – изменяет тепловые и электрические свойства стекла. Оксид тория придавал стеклу высокий показатель преломления и низкую дисперсию, что необходимо в производстве высококачественных линз, но из-за его радиоактивности был заменен на оксид лантана в современной продукции. Добавки железа в стекло, используются для поглощения инфракрасного излучения (тепла).
Металлы и их оксиды добавляют в состав стекла, чтобы изменить его цвет. Например, марганец добавляют в малых количествах, чтобы придать стеклу зеленый оттенок, или при более высоких концентрациях – цвет аметиста. Так же как и марганец, селен используют в малых дозах, чтобы обесцветить стекло, или в больших концентрациях – чтобы придать красноватый цвет. Малые концентрации кобальта придают стеклу синеватый оттенок. Оксид меди придает бирюзовый свет. Никель, в зависимости от концентрации.
Помимо стекла обычного существует несколько разновидностей, представляющих собою историческую, культурную и художественную ценность. Например, чешское и муранское стекло. Но о них - в следующих материалах. Следите за новостями.
Человек ежедневно сталкивается со стеклянными изделиями. Стекло почти волшебный предмет – с одной стороны прозрачное, с другой материальный объект. Вещество будет прозрачным, когда фотоны (кванты света) проходят сквозь него, не поглощаясь. Но почему-то далеко не каждому приходит в голову мысль – как и из чего делают стекло? Как происходит процесс?
Интересные факты:
- 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 меньше масса, попадающая в ванну с оловом, тем тоньше будет стекло на выходе.
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.
Какие функции выполняют сода и известь в процессе производства?
Сода помогает уменьшить температуру плавления в 2 раза. Если ее не добавить, песок будет очень сложно расплавить, и соответственно – соединить отдельные песчинки между собой. Известь нужна, что бы масса стойко переносила воду. Если бы ее не было в составе, окно, например, растворилось бы сразу после первого дождя, а стакан лопнул после соприкосновения с водой.
Материалы по теме:
Что такое венецианское стекло и зачем художники покупали яйца?
Интересные факты:
- Китай не производил стекло более 500 лет – с XIV по XIX века. Сейчас государство – один из лидеров производства, и контролирует треть мирового стеклянного рынка.
- 1994 год стал крайне активным в плане переработки стекла в США. Если выложить в одну линию все переработанные за тот год стеклянные изделия, получится своеобразная «дорога» на Луну.
Как получается цветное стекло?
Стекло производят не только бесцветное. Чтобы получить цветное изделие, в печь для плавления, помимо основных компонентов, добавляют химические соединения:
- Оксиды железа дают стеклу насыщенный красный оттенок.
- Оксиды никеля – коричневый, фиолетовый (в зависимости от количества).
- Чтобы получить ярко-желтый оттенок, добавьте к песку, соде и извести оксиды урана.
- Хром делает стекло зеленым.
Какими характеристиками и свойствами обладает стекло?
Пропорции компонентов для изготовления стеклянных товаров подбирают в зависимости от их назначения. Выделяют: бытовое стекло – то, из чего после делают посуду, очки, украшения; строительное – витрины, окна, витражи;