Стекло: что такое, виды, технология производства, свойства, назначение. Из чего делают стекло? Составить цепочки что из чего сделано стекло

31.10.2017 19:01 2116

Стекло является незаменимым предметом в нашей жизни. Оно встречается повсюду: в жилых домах, витринах магазинов и во всех видах транспорта.

А вы задумывались когда-нибудь, ребята, из чего изготавливают стекло?

Люди научились делать стекло в Древнем Египте около 5 тысяч лет назад, но в отличие от современных стёкол, оно не было таким прозрачным как сейчас.

Основным материалом для изготовления стекла является кварцевый песок. К нему добавляют известь и соду и разогревают в специальной печи. Благодаря взаимодействию с содой песок лучше плавится. Известь же служит для укрепления полученного материала, и он не разрушается при взаимодействии с водой. Если бы известь не добавляли, то стекло могло просто раствориться от прикосновения с водой. Когда температура достигает 1700 градусов, все три материала смешиваются и становятся одним веществом, которое опускают в расплавленное олово при температуре больше 1000 градусов. Далее полученный материал помещают на конвейер, где он охлаждается до 250 градусов. Там же стекло нарезается на стандартные части и регулируется по толщине.

Для получения цветного стекла к песку кроме соды и извести добавляют соединения химических элементов. Например, зелёный цвет стекла можно получить при добавлении хрома, жёлтый – при добавлении оксида урана, а красный – оксида железа. Оксидом называют соединение химического элемента (например, металла) с кислородом.

Различные формы стекла получаются благодаря выдуванию его раскалённой массы. Существует такая профессия – стеклодув. Это мастер, изготавливающий стекла разных форм. Стеклодув использует в своей работе специальную длинную трубочку.

На её кончик он цепляет расплавленное стекло и выдувает образующийся пузырь. При этом стеклодув вращает трубочку, а пузырь попадает в специальную деревянную или металлическую формочку. Иногда мастера делают свои шедевры без форм. Выдуваемый из трубки пузырь они обрабатывают при помощи инструментов (щипцов, ножниц, гладилок и т.д.), придавая ему различные формы.

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.

Мы наконец-то ответим на вопрос, который многим не дает покоя: «Как из непрозрачного песка, делают прозрачное стекло?».
Начнем с того, что некоторое время назад стекла не существовало в принципе, и люди жили в пещерах. А с появлением этого хрупкого и прозрачного материала жизнь изменилась в корне. Сами подумайте, как много стеклянных вещей нас окружает сегодня: витрины, телескопы, экраны компьютеров, очки, различные емкости, даже дома научились строить из стекла.

Вообразите себе, сколько стекла производит человек, и сколько использует при этом песка. Как и для любого производства, сперва на завод поступает сырье — песок. И песок этот, не какой-нибудь, а специальный – кварцевый. Если сравнивать с морским, то кварцевый значительно мельче и белее.

Первый этап изготовления – печь. За раз в эту печь помещают до 170 тонн песка, и доводят температуру до 1500 градусов. Формула стекла – это не только песок (хоть его и большинство), но еще и некоторые вещества усиливающие его прочность. Заметьте, — прочность, но не прозрачность. Вот названия некоторых компонентов: сульфат, полевой шпагат, сода, селитра, доломит. Сода, к примеру, нужна только лишь для того, чтобы песок быстрее расплавился.

Уже в печи, вся эта смесь превращается в стекло. Вот только оно еще жидкое. Далее, пока стекло не остыло и не застыло, его заливают в формы (например для изготовления бутылок). Специальная автоматизированная установка режет на равные куски пластичную стекольную массу, выливающуюся из печи, и направляет эти куски в формовочный станок. Так как основными функциями производства занимаются машины, быстро приобретает нужную форму, не успевая затвердеть прежде.

Получается, секрет в самой печи? Неужели высокая температура позволяет сделать непрозрачную вещь прозрачной? Нет!

Вы удивитесь, но песок на самом деле был прозрачным еще до приезда на завод. Чтобы в этом убедиться, нам понадобиться микроскоп.

Из чего состоит песок? Верно, из песчинок. Вот на них и нужно смотреть под микроскопом. По факту, каждая песчинка кварцевого песка прозрачная! «Почему же тогда набрав песок в ладони, он не просвечивает как вода?».

А тут вступают в силу законы физики. Дело в том, что песчинки являются отдельными элементами с несколькими гранями. Вот эти самые грани и преломляют луч света, попадающий на них. Так и создается ощущение «непрозрачности».

Для еще большего понимания, проведем эксперимент. Возьмем прозрачную бутылку и разобьем ее молотком. Осколки дополнительно измельчим в ступке. Теперь высыпаем их на стол, и что мы видим? А видим мы непрозрачную кучу стекла.

В печи все происходит с точностью, да наоборот, нежели в нашем эксперименте. Печь объединяет «расколотые» песчинки в одно целое. Тут уже не важны геометрические параметры каждой отдельной песчинки, так как все они расплавятся и сольются в одно целое. Получится одна большая песчинка, которая с легкостью будет пропускать свет, т.е. получается стекло на заказ.

Как только люди научились делать прозрачное стекло и применять его в жизни, то возникла потребность в стекле непрозрачном. Были изобретены специальные порошки, которые не только могут затемнить прозрачный материал, но и придать ему нужный цвет. Вот таким вот, с виду не сложным образом создается стекло на заказ.

Вконтакте

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.

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.