Стекло можно охарактеризовать как скромного героя. Несмотря на огромную роль, которую оно играет в современном мире, благодаря своей прозрачности оно часто остается незамеченным. Хотя сегодня стекло ассоциируется с его прозрачностью, изначально из-за примесей, содержащихся в ингредиентах, плавили только цветные стекла. Метод производства бесцветного стекла был разработан только во времена Римской империи, но давайте обо всем по порядку, история появления стекла очень увлекательна.
История стекольного производства
Стекло всегда было известно человечеству. Культуры, живущие вблизи вулканов, имели доступ к природному стеклу различных типов и цветов. Археологи установили, что впервые стекло было изготовлено в Месопотамии, а самые старые следы его использования относятся к периоду около четырёх тысяч лет до нашей еры. Согласно классической истории минералогии римского историка Плиния Старшего, финикийские купцы случайно расплавили стекло в огне во время транспортировки песка около 5000 г. до н.э. Тило Ререн из Университетского колледжа Лондона и Эдгар Б. Пуш из Музее Ремера и Пелизея в Хильдесхайме сообщили в журнале Science об обнаружении остатков стекольной фабрики в северном Египте которая работала в 1250 г. до н.э.
Техника изготовления тонких плоских оконных стекол была усовершенствована в 14 веке во французской Нормандии. Отдельные оконные стекла изготавливались мастерами путем выдувания. Расплавленное стекло для одного стекла выдувалось в большой пузырь с помощью стеклянной трубы. Затем пузырь сплющивали и прикрепляли к кончику железного стержня, который рабочий поворачивал так быстро, как мог. Сплюснутый стеклянный пузырь разворачивался как веер, и образовывал круг диаметром от 1 до 2 м. Из круглых плоских оконных стекол, правильно разрезанных, делали небольшие окна, предназначенные в основном для церквей.
Стоит отметить, что в центре круга стекло было наименее прозрачным, но эти фрагменты также использовались, потому что материал был очень дорогими. Опытный стекольщик мог изготавливать этим методом около дюжины окон в день, поэтому в средние века стеклянные окна были дорогой роскошью.
Была известна также техника выдувания продолговатого пузыря цилиндрической формы. Затем отрезали концы и полученный цилиндр разрезали по длине. После выпрямления получилось небольшое оконное стекло.
Современные методы прессования стекла были усовершенствованы на заводе и внедрены в относительно дешевое промышленное массовое производство в Соединенных Штатах в 19 веке. В начале 20 века были изобретены методы непрерывного производства стеклопакетов . В 1913 году бельгийский технолог Эмиль Фурко запатентовал свой метод (метод Фурко) производства стекла в виде вертикальной тонкой ленты, вытягиваемой из ванны.
До середины 20 века тянутое стекло широко использовалось для остекления окон и дверей и до сих пор остается самым дешевым методом производства плоского стекла. Основным недостатком вытянутого стекла является его волнистость — искажение поверхности с небольшими углублениями и выпуклостями — и, как следствие, искажение изображения, просматриваемого через стекло. По этой причине производство оконного стекла этим методом сейчас практически полностью прекращено.
Прорывом в производстве листового стекла стало изобретение Аластером Пилкингтоном в 1952 году флоат-метода (также известного как процесс Пилкингтона). Стекло, полученное этим методом, практически идеально ровное, не имеет искажений и оптических дефектов. Плоскостность стеклянной панели достигается непрерывным процессом плавления стекла по поверхности жидкого олова. В 2009 году на рынке производителей листового стекла, использующих этот метод, доминировали четыре компании:
- Asahi Glass.
- NSG / Pilkington.
- Saint-Gobain.
- Guardian Industries.
Сырье для производства стекла
Сырьем для производства традиционного стекла является кварцевый песок и добавки, чаще всего карбонат натрия (Na2CO3) и карбонат кальция (CaCO3), флюсы оксида бора (B2O3), оксид свинца (II) (PbO) и пигменты, которыми обычно являются оксиды переходных металлов: кадмия, марганца и др. Сырье смешивается, плавится в печи при температуре 1200–1300 °C (благодаря добавлению карбоната натрия), из полученной массы, прежде чем она полностью затвердеет, изготавливают стекольную продукцию.
Цветное стекло можно получить, добавив в стекломассу подходящие оксиды металлов. Примеры:
- зеленое стекло содержит соединения железа (II) и хрома (III)
- синее стекло содержит соединения кобальта (II)
- фиолетовое стекло содержит соединения марганца (VII)
- желтое стекло содержит соединения кадмия и серы
- красное стекло содержит частицы коллоидного золота.
Интересный факт! Примерно 90% производимого стекла — натриевое стекло.
Свойства стекла
- вещество аморфное, то есть не имеющее внутренней структуры
- нет постоянной температуры плавления
- изотропный материал
- плохой проводник электричества
- материал с высокой химической стойкостью (не устойчив к плавиковой кислоте)
- механические свойства строительного стекла:
- твердость по шкале Мооса 5-7
- плотность строительного стекла 2400–2600 кг / м³
- сопротивление изгибу 30-50 МПа
- сопротивление сжатию 800-1000 МПа
Модуль Юнга 70 ГПа
Свойства стекла зависят от метода плавки и химического состава.