Каждый из нас не раз встречал стекло. Что такое этот хрупкий и прозрачный материал, знает любой школьник. Мы каждый день видим его в зеркалах, окнах, в посуде и элементах мебели, но хорошо ли мы знакомы с ним? Как оно производится, что собой представляет и каковы свойства стекла?
Что значит это слово
Существует немало справочных материалов, которые могут помочь в этом вопросе. Каково же значение слова "стекло" по одному из наиболее популярных источников? Словарь Ожегова характеризует это вещество как твердый материал, получаемый из кварцевого песка, смешанного с окислами некоторых металлов. Даже определение дает некоторое представление о способе производства данного материала. Но к этой теме мы перейдем позже.
Наверняка все привыкли, что стекло - это прозрачный материал. Но обратите внимание - словарь Ожегова не дает такого уточнения. Стекло может быть не только прозрачным, но также цветным или матовым. А вот состав материала при этом отличается несущественно.
Из чего делают стекло
Стандартный состав стекла представляет собой смесь чистого извести и соды. Для изменения свойств материала могут использоваться различные добавки. Но все-таки основным составляющим компонентом является именно чистый речной песок. Его количество составляет примерно 75% от всей смеси. Сода позволяет снизить песка почти в 2 раза. Известь защищает стекло от воздействия большинства химических веществ, а также добавляет прочности и блеска.
Дополнительные примеси:
- Марганец. Его добавляют в стекло для получения специфического зеленого оттенка. Для получения других цветов может использоваться никель или хром.
- Свинец придает стеклу дополнительный блеск и характерный звон. Материал получается более холодным на ощупь. Стекло с примесью свинца называется хрусталь.
- Оксид борной кислоты тоже придает материалу дополнительный блеск и прозрачность, при этом понижая коэффициент теплового расширения изделий.
История производства стекла
Еще 6000 лет назад люди умели создавать этот красивый и хрупкий материал. Конечно, его внешний вид несколько отличался от современного стекла, поскольку в Древнем Египте и Месопотамии не было оборудования для качественной очистки песка и других инструментов. Тем не менее производство стекла началось именно там. Благодаря устойчивости к воздействиям окружающей среды этот материал дал историкам представление о культуре и технических возможностях древнейших народов.
В России первый завод по производству стекла появился в 1636 году. Он был расположен недалеко от Москвы. Там создавались посуда и Большое развитие эта отрасль промышленности получила при Петре I.
Только в 1859 году изобретение насоса высокого давления позволило создавать стекло без участия стеклодувов. Это значительно упростило производство. А в начале 19 века было обнаружено интересное свойство материала - если готовое изделие разогреть до определенной температуры, механические свойства стекла повысятся на 400%.
Современное производство
Технологии шагнули далеко вперед, что позволило создавать любые материалы в огромных количествах и с наименьшими затратами человеческих сил. В настоящее время существует немало заводов, на которых по стандартной налаженной технологии создается стекло. Что такое современный материал, получаемый из расплавленного кварцитового песка, узнаем, ознакомившись с технологией. Как пример возьмем листовой материал.
Производство стекла по этапам:
- Все необходимые ингредиенты загружают в печь и разогревают, пока не образуется жидкая однородная масса.
- В специальном гомогенизаторе этот сплав перемешивают до однородного состояния.
- Полученную массу выливают в плоскую емкость, на дне которой находится расплавленное олово. Там стекло распределяется, образуя равномерный тонкий слой.
- Остывший и затвердевший материал отправляется на конвейер. Там проводится контроль толщины стекла и нарезка. Материал, не прошедший проверку, а также бракованные детали отправляются на переплавку.
- Производится последняя проверка качества, после чего стекло поступает на склад готовой продукции.
Виды стекла
В настоящее время этот материал является одним из наиболее распространенных. Неудивительно, что существуют различные типы стекла, отличающиеся как по внешнему виду, так и по физическим свойствам. Вот некоторые из них:
- Хрустальное стекло. Это материал, содержащий в своем составе свинец. О нем мы говорили выше.
- Содержит в составе чистейший песок, благодаря чему отличается высокой прочностью. Способно выдерживать скачки температуры, поэтому используется для создания оптических приборов, лабораторной посуды и окон.
- Пеностекло. Легкий строительный материал, который может быть использован как для отделки, так и для кладки стен и полов. Содержит в составе большое количество пустот, благодаря чему имеет высокие тепло- и звукоизоляционные свойства.
- Стекловата. Объемный воздушный материал, состоящий из тонких и очень прочных нитей. Огнестойка, поэтому используется не только в строительстве, но и при пошиве одежды пожарных и сварщиков.
Применение стекла
В зависимости от свойств и внешнего вида этому материалу можно найти почти любое применение. Основной потребитель изготавливаемого в наше время стекла - строительная отрасль. В ней используется более половины изготовляемого материала. Его назначение может быть самым разнообразным - облицовка стен, остекление окон, возведение стен из пустотелых кирпичей, теплоизоляция и т.д. К строительной области можно отнести и Что такое готическое окно, знают наверняка все. Как правило, оно выложено из большого количества цветных стеклышек. В наше время витражи не потеряли своей актуальности и используются как в строительстве, так и в производстве мебели.
На втором месте по популярности идут стеклянные сосуды различного назначения. Немного меньше производится посуды. Стоит отметить, что в химической отрасли стекло является незаменимым материалом, поскольку оно устойчиво к большинству реагентов.
Физические свойства
Как и любой другой материал, стекло обладает рядом качеств, которые необходимо знать, прежде чем использовать его в той или иной области.
- Плотность. Может варьироваться в зависимости от состава смеси и способа изготовления. Значение плотности стекла может колебаться от 220 до 650 кг/м 3 .
- Хрупкость. Эта характеристика является отличительной особенностью стекла и ограничивает его применение в строительной области. В настоящее время учеными создаются более сложные сплавы, максимально увеличивающие прочность материала.
- Термостойкость. Обычное стекло выдерживает температуру до 90 о С. После обработки термические свойства материала значительно повышаются. Например, промышленное стекло способно выдерживать температуру более 200 о С.
Мы узнали многое про стекло - что такое, как производится и какими свойствами обладает. Самое время немного отвлечься и ознакомиться с наиболее интересными фактами об этом весьма распространенном материале. Мало кто знает, что:
- Скорость движения трещины по составляет 4828 км/ч.
- Время разложения этого материала составляет примерно миллион лет.
- Стекло можно неоднократно переплавлять практически без потери качества. В этом отношении у него почти нет аналогов.
- Являясь аморфным материалом, расплавленное стекло не затвердеет при быстром охлаждении. Для этого нужны специальные условия.
Стекло не зря так активно используется в строительстве и других областях жизни человека. Наверняка оно еще долго будет оставаться одним из наиболее популярных материалов. В пользу этого утверждения говорят прочность, долговечность и относительная простота изготовления стекла, связанная с тем, что компоненты для его создания присутствуют на Земле в большом количестве.
Получение стекла, бывшего когда-то редкостным и ценным произведением искусства, в настоящее время является распространенным производственным процессом. Изделия из стекла используются в качестве промышленной и бытовой тары, изоляторов, армирующего волокна, линз и предметов декоративного искусства. Материалы для получения различных типов стекла могут отличаться, но общий процесс его получения описан ниже.
Шаги
Использование печи
- Надевайте маску, если вы работаете с очень тонкозернистым кварцевым песком. При вдыхании он может раздражать горло и легкие.
- Кварцевый песок можно купить в интернет-магазинах. Он довольно дешевый, мешок весом 25 кг стоит в районе 200 рублей. Если вы хотите работать в промышленных масштабах, то для больших партий специализированные продавцы могут предложить хорошие цены - иногда менее 2000 рублей за тонну.
- Если вы не можете найти песок, который содержит мало примесей, эффект зеленоватого оттенка можно компенсировать добавлением небольших количеств диоксида марганца. А если вы хотите зеленоватое стекло, оставьте железо как есть!
-
Добавьте к песку карбонат натрия и оксид кальция. Карбонат натрия (называемый кальцинированной содой) снижает температуру получения промышленных стекол. Однако он вызывает разъедание стекла водой. Поэтому, чтобы нейтрализовать это явление, в стекло дополнительно вводят оксид кальция, или известь. Для того, чтобы сделать стекло более стойким, в него вводят оксиды магния и/или алюминия. Обычно эти добавки занимают не более 26–30 процентов в составе стекла.
В зависимости от назначения стекла, добавьте другие химические вещества. Наиболее распространенная добавка для декоративных стекол - это оксид свинца, который обеспечивает блеск хрусталя, а также его низкую твердость, облегчающую резку, а также низкую температуру образования расплава. Линзы очков могут содержать оксид лантана, Который используется из-за своей преломляющей способности, тогда как железо способствует поглощению железа стеклом.
- Свинцовый хрусталь может содержать до 33 процентов оксида свинца, однако чем больше свинца, тем больше опыта требуется для того, чтобы сформовать расплавленное стекло, поэтому многие стеклоделы выбирают низкое содержание свинца.
-
Добавьте компоненты для получения желаемого цвета стекла, если это необходимо. Как было отмечено выше, примеси железа в кварцевом стекле придают ему зеленоватый вид, поэтому оксид железа добавляется для повышения зеленоватого оттенка, как и оксид меди. Соединения серы дают желтоватый, янтарный, коричневатый и даже черный оттенок, в зависимости от того, сколько углерода или железа дополнительно добавляют в стекольную шихту.
поставьте шихту в хороший температуроустойчивый тигель. Тигель должен выдерживать исключительно высокую температуру, которая достигается в печи. В зависимости от добавок, она может колебаться от 1500 до 2500 градусов. Тигель должен быть таким, чтобы захват его металлическими щипцами и прутьями не составлял затруднений.
Расплавьте смесь до жидкого состояния. Для промышленного силикатного стекла это осуществляется в газоотапливаемой печи, специальные стекла можно плавить в электрической, горшковой или муфельной печи.
- Кварц и песок без примесей переходят в стеклообразное состояние при температуре 2300 градусов Цельсия.Добавление карбоната натрия (соды) снижает температуру, необходимую для стеклообразования до 1500 градусов Цельсия.
-
Гомогенизируйте расплавленное стекло и удаляйте из него пузырьки. Это подразумевает размешивание стекла до равномерной густоты и добавление таких веществ, как сульфат натрия, хлорид натрия или оксид сурьмы.
Отформуйте расплавленное стекло. Формование стекла можно осуществлять одним из следующих способов:
- Расплав стекла можно вылить в форму и дать ему остыть. Этот метод использовался египтянами, именно так создаются большинство оптических линз.
- Большое количество расплавленного стекла можно собрать на конце полой трубы, а затем выдувать его, поворачивая трубу. Стекло формуется благодаря воздуху, продуваемому в трубу, силе тяжести, действующей на расплав стекла, и любым инструментам, которые использует стеклодув для работы с расплавленным стеклом.
- Расплавленное стекло можно выливать в ванну с расплавленным оловом, используемым в качестве субстрата, и продувать его сжатым азотом для формования и полировки. Сформованное по этому методу стекло называется флоат-стеклом и именно так производят листовое стекло с 1950-х годов.
-
Медленно охладите стекло в печи. Этот процесс называется отжигом, и при нем удаляются все точечные источники напряжений, которые могут образовываться в процессе охлаждения стекла. Неотожженное стекло гораздо менее прочное. Как только процесс будет завершен, на стекло можно наносить покрытие, ламинировать или обрабатывать его каким-либо другим способом для повышения прочности и стойкости.
Использование жаровни на древесном угле
-
Сделайте импровизированную печь из гриля для барбекю, отапливаемого древесным углем. В этом методе для расплавления кварцевого песка в стекло используется теплота, вырабатываемая пламенем от сжигания древесного угля. Используемые материалы относительно дешевы и доступны - теоретически, чтобы подготовить все необходимое для получения стекла, вам понадобится лишь сбегать в строительный магазин. Используйте большой гриль для барбекю - подойдет гриль стандартного размера модели «купол». Он должен быть как можно более толстостенным и прочным. Большинство грилей для барбекю имеют вентиляционное отверстие на дне - откройте его.
- Даже при чрезвычайно высокой температуре, которая достигается при использовании данного метода, расплавить песок на гриле может быть очень сложно. Перед тем как начать, добавьте к песку небольшое количество (около 1/3–1/4 объема песка) стиральной соды, извести и/или буры. Эти добавки снижают температуру плавления песка.
- Если вы собираетесь выдувать стекло, имейте под рукой длинную полую металлическую трубу. Если же вы собираетесь выливать стекло в форму, подготовьте ее заранее. Вам нужна форма, которая не сгорит и не расплавится от жара расплавленного стекла, для этих целей отлично подходит графит.
-
Знайте опасность этого метода. Этот метод предусматривает нагрев гриля для барбекю за пределы его нормальных температурных ограничений - настолько, что может даже расплавиться сам гриль. Неосторожная работа с использованием этого метода представляет угрозу тяжелейших ранений или даже смерти . Работайте с осторожностью. Держите под рукой большой объем земли, песка или огнетушитель, предназначенный для высоких температур, на случай, если вам понадобится уменьшить интенсивность огня.
Предпримите все возможные меры предосторожности, чтобы защитить себя и ваши вещи от высокой температуры. Работайте по данному методу на бетонной поверхности вне помещения, в условиях достаточного пространства вокруг. Не используйте незаменимое оборудование. Держитесь подальше от гриля, когда вы варите стекло. Вам также нужно надеть как можно больше защитной одежды, включая:
- высокопрочные перчатки или рукавицы для печей;
- сварочную маску;
- высокопрочный фартук;
- огнестойкую одежду.
-
Приобретите пылесос для домашней мастерской с длинной насадкой на шланг. С помощью клейкой ленты или еще каким-нибудь образом изогните шланг так, чтобы он дул прямо в вентиляционное отверстие на дне, не касаясь корпуса гриля. Вероятно, вам понадобится прикрепить шланг к одной из ножек или колесиков гриля. Поставьте сам пылесос как можно дальше от гриля.
- Убедитесь, что шланг закреплен и не двигается: в случае высвобождения его во время варки стекла, не подходите к грилю, если он будет сильно разогрет.
- Включите пылесос, чтобы проверить положение шланга. Точно размещенный шланг будет дуть прямо в вентиляционное отверстие.
-
Выложите внутреннюю поверхность гриля древесным углем. Используйте больше угля, чем вы бы взяли для запекания мяса. Успешные результаты наблюдаются при заполнении гриля практически до краев. Поставьте в середину гриля чугунную кастрюлю или тигель с песком, обсыпав их древесным углем.
-
Приобретите кварцевый песок. Кварцевый песок - это основной ингредиент для производства стекла. Стекло без примесей железа ценится за прозрачность, так как если в стекле содержится железо, стекло будет казаться зеленоватым.
Сталкиваясь со стеклянными изделиями ежедневно, мало кто из нас задумывается - из чего делают стекло? Как протекает процесс его производства? Появившись в Древнем Египте 5 тысяч лет назад, стекло было очень мутным, и имело непривлекательный вид. Материал, с которым мы сталкиваемся сейчас, был получен гораздо позже.
Состав стекла.
Для стекловарения используют чистый кварцевый песок (около 75%), известь и соду . Для получения продукта со специфическими свойствами, в состав могут входить оксиды и металлы.
- Оксид борной кислоты . Понижает коэффициент теплового расширения полученных изделий, и повышает блеск и прозрачность готовых изделий.
- Свинец . Этот компонент добавляют при производстве хрусталя. Изделия из хрусталя более холодные на ощупь и имеют характерный для этого материала блеск и звон.
- Марганец . Добавление этого тяжелого металла способствует получению продукции с зеленым оттенком. Помимо марганца, при помощи никеля, хрома или кольта, можно получить изделия других цветов.
Физические свойства.
Самые главные характеристики стекла:
- Плотность . Данная характеристика зависит от химического состава и колеблется от 2200 до 6500 кг/м³. При повышении температуры, плотность стекла уменьшается и оно становится особенно хрупким.
- Прочность . В зависимости от вида стекла, его прочность варьируется от 50 до 210 кгс/мм². Небольшое повреждение поверхности материала, снижает этот показатель в 3-4 раза.
- Хрупкост ь. Хрупкость стекла и неспособность противостоять удару, ограничивает его применение в некоторых сферах жизни. При добавлении в состав материала определенных химических элементов, данная характеристика увеличивается.
- Термостойкость . Термостойкость - способность материала выдержать огромные температурные перепады. Обычное оконное стекло может выдержать температуру до 90°С. В промышленности эти показатели увеличиваются в разы.
Виды стекла.
Многие изделия, сделанные из стекла, мы видим на улице и используем в повседневной жизни. Это стеклянная посуда, лампочки, очки, окна. В зависимости от физических и химических свойств, стекло используют также в производстве витрин, зеркал, светильников. Какие же виды этого однородного аморфного тела существуют и что из него делают?
- Хрустальное стекло. Содержит в своем составе оксид свинца. Высокая прозрачность и блеск придают такому стеклу привлекательный и эстетичный вид. Используют, в основном, для изготовления посуды и сувенирных изделий.
- Кварцевое стекло . В составе присутствует чистейший кварцевый песок. Благодаря тому, что изделия из кварцевого стекла могут выдержать большие температурные скачки, из него делают лабораторную посуду, изоляторы, оптические приборы, окна.
- Пеностекло . Представляет собой стеклянную массу, имеющую в своем составе многочисленные пустоты. Отличные тепловые и звукоизоляционные свойства обусловили его широкое применение в строительстве.
- Стекловата . Имеет вид тонких стеклянных нитей, имеющих высокое сопротивление разрыву. Используют как в строительстве, так и в химической промышленности. Стекловата огнестойка. Поэтому ее используют в составе материала для пошива одежды сварщиков и пожарных.
К этому списку можно добавить стекла, имеющие специфические свойства :
- Огнестойкое . Противостоит действию открытого пламени и выдерживает высокую температуру.
- Термостойкое . Имеет низкий коэффициент термического расширения и выдерживает резкие скачки температуры
- Пуленепробиваемое . Ударопрочное стекло способное противостоять мощным ударам.
Как делают стекло?
Производство стекла включает в свой процесс следующие этапы:
- Подготовка необходимых материалов . Приготовленное сырье нуждается в специальной обработке. Кварцевый песок обогащают, и из его состава удаляют примеси железа. Известняк и доломит тщательно дробят.
- Смешивание материала в определенных соотношениях . Количество того или иного материала и его процентное соотношение в подготовленной примеси зависит от требуемых физических и химических свойств стеклоизделий.
- Варка в стекловаренных печах . Стадия варки происходит при высокой температуре, диапазон которой колеблется от 800°С до 1400°С. Идет активный процесс плавки кварцевого песка, и стекломасса становится вязкой и прозрачной.
После получения однородной стекольной смеси, происходит формирование будущих изделий, резкое охлаждение продукции с последующей термической и физической обработкой.
Применение в промышленности
Применение прозрачного, износостойкого и прочного материала, имеющего гладкую поверхность, поражает воображение. Несмотря на то, что стекло очень хрупкий материал, его широко используют в различных областях промышленности и быта.
- Машиностроение - входит в состав противопригарных красок, которыми обрабатывают транспорт.
- Бумажная промышленность - пропитка готовой бумажной массы.
- Строительство - добавляют в кислотостойкие материалы и в жароупорные конструкции из бетона.
- Химическая промышленность - производство моющих средств.
Этот функциональный материал можно гнуть, кроить, плавить и получать из него неповторимые и прекрасные изделия. Именно поэтому цветное стекло активно используют для декоративных работ при строительстве общественных зданий и изготавливают всевозможные сувениры.
Категории стекла
По своему назначению стекло делится на следующие категории :
- Бытовое стекло . Эта группа состоит из пяти подгрупп - кухонная посуда, бытовая посуда, ламповые изделия, художественные изделия и посуда хозяйственного назначения.
- Строительное стекло - листовое стекло, витрины, стеклопакеты, теплоизоляционные стеклопакеты, армированное стекло.
- Стекло технического назначения - лабораторные приборы, защитные изделия для промышленности, стекловата, оптика.
Помимо защиты наших домов от ветра, дождя и холода, стекло дает человеку обширную область для творчества. Процесс создания его так же красив и загадочен, как и сам материал. Стекло прозрачное, твердое, стойкое к кислотам, стало незаменимым материалом в архитектуре и в повседневном быту.
В этой статье мы подробно рассмотрели, из чего делают стекло. Этот материал занял особое, важное место в жизни человека, без него многие бытовые вещи бы оказались намного сложнее.
Видео: процесс изготовления вещества
Стеклянная посуда, окна в домах и многое другое – для нас сегодня это привычные предметы обстановки. Однако много веков назад стеклянные кубки стоили баснословно дорого, и их можно было встретить только на столах у наиболее богатых и знатных вельмож.
Из чего же делают стекло, и как люди научились его изготавливать?
История изобретения стекла
Стекло было известно, по крайней мере, две тысячи лет назад. Древнеримский историк Плиний описал случай, в результате которого оно было изобретено. По его версии, однажды моряки, везшие на своем корабле соду, высадились заночевать на берегу, покрытом чистым золотым песком.
Они разожгли костер, чтобы приготовить ужин и согреться. Случайно один мешок из их груза прорвался, и сода высыпалась в костер. Ночью пошел дождь, смыл золу и головешки, и моряки увидели на месте костра сияющую стеклянную поверхность.
Компоненты для изготовления стекла
Так ли на самом деле было изобретено стекло, или, как гласит другая версия, оно получилось в ходе экспериментов с обжигом глиняных горшков – но люди овладели секретом его приготовления довольно давно.
Для того, чтобы изготовить стекло, требуется три основных компонента.
Кварцевый песок – это чистый речной песок, состоящий из оксида кремния. Доля песка в смеси для варки стекла составляет около 75%. Он плавится при очень высокой температуре: его нужно нагревать до 1700 градусов Цельсия. От качества песка во многом зависит прозрачность и качество будущих стеклянных изделий. Венецианские стеклодувы, изготавливавшие наиболее знаменитое в средневековой Европе муранское стекло, специально привозили песок из провинции Истрия, а для богемского стекла мастера измельчали в мелкий песок куски кварца.
Сода (или поташ)
необходима для того, чтобы расплавить песок при более низкой температуре. Добавив в песок соду в нужной пропорции, температуру нагрева стеклянной смеси снижают практически вдвое.
В процессе нагрева сода разлагается до оксида натрия или калия, который и служит катализатором плавления. В древности ее получали путем выщелачивания золы после сжигания водорослей или хвойных пород дерева. Доля соды в смеси для стекла составляет около 16-17%.
Известь, или окись кальция , делает стекло нерастворимым большинством химических веществ, крепким и блестящим. Впервые добавлять ее в стекло начали богемские стеклодувы в семнадцатом столетии, применяя для этого известняк или мел.
Кроме того, сегодня в массу для приготовления стекла добавляют сульфат натрия, таламит и нефелиновый сиенит. Для получения разноцветного стекла в качестве добавок используют окиси различных металлов: меди, железа, серебра и т.д.
Этапы производства листового стекла
Все ингредиенты, из которых производится стекло, загружают в печь и нагревают до образования жидкой однородной массы.
Расплавленную массу загружают в гомогенизатор и перемешивают до полной однородности.
Стеклянную массу выливают в длинную емкость, где находится расплавленное олово. На его поверхности стекло разливается ровным слоем одинаковой толщины, постепенно остывая.
Застывшая стеклянная лента поступает на конвейер, где производится контроль толщины и нарезка на стандартные куски стекла. Обрезанные неровные края и брак, не прошедший контроль качества, поступает на переплавку.
Готовое листовое стекло проходит последнюю проверку качества и отправляется на склад готовой продукции.
Аналогичным образом изготавливается стекло для производства посуды, измерительных приборов, елочных игрушек и другой продукции. Состав стекла может изменяться в зависимости от свойств, которые оно должно иметь.
Кроме того, для повышения прочности оно может подвергаться процедуре закаливания, приобретая способность выдерживать сильные удары по поверхности.
Популярны сегодня дуплексные и триплексные стекла, склеенные специальными составами из двух или трех слоев тонкого стекла. Однако основу каждого из них составляют золотой кварцевый песок, питьевая сода и обычная известь.
Загрузка...
