Из чего делают стекло: состав вещества

История изобретения стекла

Стекло было известно не менее двух тысяч лет назад. Древнеримский историк Плиний описал событие, в результате которого оно было изобретено. По его версии, однажды моряки, неся газировку на своем корабле, приземлились, чтобы переночевать на берегу, покрытом чистым золотистым песком.

Они развели огонь, чтобы приготовить ужин и согреться. Но мешок с грузом сломался, и сода вылилась в огонь. Ночью пошел дождь, сметающий пепел и угли, в результате чего моряки увидели на месте пожара блестящую стеклянную поверхность.

Наука о стекле

Основы научного подхода к исследованию и обжигу стекла заложил Михаил Васильевич Ломоносов. Ученые сделали первые технологически систематические купажи более 4 тысяч стаканов. Лабораторная практика и применяемые им методологические принципы не сильно отличаются от тех, которые в настоящее время считаются традиционными, классическими.

Использование технологических свойств минеральных стёкол

Натуральное стекло — один из первых природных материалов, получивших широкое распространение в быту как рабочий инструмент, так и в составе различных видов оружия (ножей, наконечников стрел, копий и т.д.) — для изготовления ювелирных изделий и других предметов домашнего обихода предметы, — и как различные элементы ритуалов, например. — ацтеки и майя; — в силу своей структуры он обладает явно парадоксальными свойствами, недоступными многим другим, традиционными для использования материалов, которые использовали сами ацтеки, создававшие уникальные орудия труда.

В частности, свойства стекла как аморфного вещества, с одной стороны, наделяющие его хрупкостью, в чем его недостаток и неприменимость для изготовления, например, инструментов, требующих повышенной прочности (первый недостаток — сейчас он в определенное количество случаев и многочисленные технологические приемы были превышены) с другой стороны, это отсутствие кристаллической решетки дало ему преимущество, поэтому ни один металлический скальпель не может сравниться с первыми медико-хирургическими инструментами с точки зрения их резкость и способность к заточке.

Рабочую часть последней (фаску) можно в определенной степени затачивать — в дальнейшем от «пилы» избавиться практически невозможно, а такого порога, например, в обсидиановых скальпелях нет — отсутствие Кристаллическая решетка позволяет им затачиваться на молекулярном уровне, что дает неоспоримое преимущество в микрохирургии, кроме того, они не подвержены коррозии.

Этот пример, хотя и относится к стеклообразным минералам, очень показателен для понимания структурных свойств стекла, таких как аморфность. Но теперь эти свойства также используются для создания прецизионных инструментов из искусственного стекла.

Основные свойства стекла

Самым важным свойством стекла является его прозрачность. Мы встретим его везде, где лучи света должны проходить сквозь препятствие и где, наоборот, необходимо отделить пространство от окружающей среды. Желательно, чтобы мы могли видеть внешние предметы через оконное стекло, а с другой стороны, чтобы оно защищало нас от ветра и дождя. Свет от лампочек должен освещать не только внутреннее пространство самой лампочки, но, проникая сквозь стекло, освещать и все помещение.

Химик всегда хочет посмотреть, что творится в его бутылках и ретортах. Линзы и призмы преломляют и отклоняют световые лучи в самых разных направлениях и позволяют человеческому глазу видеть более мелкие и удаленные объекты с помощью микроскопов и телескопов.

Однако в стекле мы ценим не только его прозрачность. Его неактивность по отношению к химическим веществам и его стабильность по отношению почти ко всем веществам в значительной степени способствовали его распространению. Мы ожидаем, что наше оконное стекло не растворяется в каплях дождя. Точно так же стакан винной бутылки не должен вступать в реакцию с мозельским вином.

Наконец, стекло отнюдь не так чувствительно к механическим воздействиям, как кажется на первый взгляд. Правда, оно с трудом выдерживает резкое механическое воздействие, такое как толчок или удар, однако при медленном действии механических сил стекло выдерживает очень высокие давления и напряжения. Толстое стекло относительно мало поддается изгибу, в то время как тонкие стеклянные нити могут проявлять чрезвычайную эластичность и в настоящее время используются в текстильных изделиях.

Нет небьющегося стекла. То, что приобрело это название, например, плексиглаз, представляет собой синтетическое органическое вещество, такое как целлофан или целлулоид, которые, однако, не ломаются с образованием фрагментов, но имеют небольшую термостойкость и незначительную твердость, для чего струя Мелкие песчинки со временем делают поверхность этого стекла шероховатой и непрозрачной. Для автомобилей можно сделать так называемое безопасное стекло, которое хоть и бьется, как обычное стекло, но не образует острых осколков и не может травмировать водителя в случае аварии.

Это обычное стекло, которое благодаря специальной обработке получается небьющимся, благодаря тому, что две тонкие стеклянные пластины прижимаются к прозрачному целлулоиду. Этот слой целлулоида удерживает осколки стекла, когда стеклянные пластины разбиваются.

Необычные свойства стекла

Следует упомянуть еще одно свойство стекла, которое происходит только от метода, используемого в настоящее время для его производства:

Переход из одного агрегатного состояния в другое, например из твердого в жидкое, происходит внезапно при определенной температуре. Для льда температура плавления составляет 0 °. При достижении этой температуры сразу же твердая, однородно построенная кристаллическая решетка, в узлах которой располагались ионы или молекулы, разрушается, и твердое тело переходит в неупорядоченное жидкое агрегатное состояние.

Противоположный процесс — замораживание — происходит так же внезапно. В этом случае мы говорим о точке замерзания или точке кристаллизации, которая наступает при 0 ° C. При этой температуре энергия молекул настолько сильно снижается, что они попадают в диапазон более значительных сил взаимного притяжения и включаются в кристаллическую решетку. И в этом случае переход из жидкого агрегатного состояния в твердое состояние происходит без плавного перехода.

Иное дело со стеклом. Мы можем нагреть его и одновременно установить, что он не переходит внезапно в жидкое состояние. Мы даже не можем указать, при какой температуре достигается жидкое агрегатное состояние. Чем выше нагревается стекло, тем мягче оно становится, пока, наконец, его не можно будет назвать жидким, и, таким образом, вязкость, вязкость будут значительно уменьшаться с повышением температуры.

Если в нашем первом примере мы могли бы указать определенную точно установленную температуру плавления, то для стекла лучше всего было бы говорить о «интервале размягчения». То же самое и при охлаждении. Твердость стекла все больше и больше увеличивается с понижением температуры и, наконец, достигает своего известного значения для обычной температуры.

В твердом состоянии стекло — это не кристаллическое вещество, а аморфное вещество, то есть его молекулы находятся в неупорядоченном и неорганизованном положении по отношению друг к другу. Когда стекло остывает, оно как-то «забывает», что оно должно кристаллизоваться. В этом смысле стекло можно рассматривать как переохлажденную жидкость. Из-за того, что молекулы стекла не обнаруживаются неподвижными вдоль узлов кристаллической решетки, они в некоторой степени различаются по подвижности. Поэтому твердое стекло может очень медленно менять форму.

Если мы поместим длинный стеклянный стержень вертикально и оставим его неподвижным на долгое время, он будет постепенно изгибаться, потому что молекулы будут пытаться уклоняться от действия сил, действующих на них непрерывно в одном и том же направлении.

Стекло тоже может кристаллизоваться, но это будет нежелательный процесс, так как оно потускнеет. Если стекло нагревается до более высокой температуры слишком долго, чтобы оно оставалось мягким, его ионы становятся более подвижными и успевают занять определенные места в кристаллической решетке.

Эти своеобразные явления, впервые изученные при изучении стекла, получили характерное название «стекловидное состояние», которое применяется ко всем веществам со схожими свойствами.

Благодаря соответствующему выбору исходных материалов стало возможным получить самые разные виды стекла, каждый из которых обладает наиболее благоприятными свойствами для целей своего применения. Оконное стекло будет иметь свойства, отличные от, например, оптического стекла, которое должно иметь особенно хорошую преломляющую способность. Стекло, используемое в лабораториях, должно быть особенно устойчивым к воздействию химикатов.

Поскольку сырье для производства стекла доступно в неограниченных количествах, а производство и обработка стекла больше не связаны с особыми трудностями, стекло может продаваться по очень низким ценам и может заменить многие материалы и даже завоевать новые области применения.

История стекла и интересные факты

Что известно о стекле? Родиной этого материала считается Древний Египет. Как пишет историк и главный редактор журнала «Наука и технологии» Наталья Беспалова, выпускать его здесь научились еще в третьем тысячелетии до нашей эры.

Однако геологи уверены, что история стекла началась намного раньше. Так называемый обсидиан (вулканическое стекло естественного происхождения) использовался с каменного века. Технология изготовления стекла, безусловно, изменилась за тысячи лет, но основные компоненты остались неизменными.

Еще в двадцатом веке люди научились делать пуленепробиваемые стекла. Принцип такой: стеклянные пластины укладываются слоями, а между ними помещается специальная пленка. Впервые такое стекло было установлено в 1941 году в окнах Овального кабинета Белого дома США.

Однако самым дорогим в мире материалом остается муранское стекло, созданное по особым технологиям на острове Мурано недалеко от Венеции. Его начали производить еще в 10 веке, а спустя несколько веков он стал известен на весь мир. Сегодня цена даже на самый простой фрагмент муранского стекла начинается от 15 евро. Чтобы защитить подлинные технологии и избежать подделок, в 1994 году ассоциация производителей официально оформила торговую марку Vetro Artistico Murano.

В настоящее время процесс изготовления стекла автоматизирован, но даже сейчас это немного похоже на волшебство. Удивительно, что из отходов создается что-то новое, что мы используем ежедневно.

Из чего делают стекло?

Для его изготовления требуется натуральное сырье. Главный из них — песок, а точнее его особый ингредиент — кварц:

• Оксид кремния (кварц) — основа стекла, 75% его состава. Его качество напрямую влияет на результат. Поэтому для производства стекла используется только отборный песок с минимальным процентным содержанием примесей (до 2%). Так материал будет прозрачным.
• Сода (около 15% от состава) нужна для понижения температуры плавления песка и упрощения производственного процесса. В противном случае песок следует размещать при температуре выше 2000 ° C.
• Оксид кальция или известь (10% в составе) обеспечивает водонепроницаемость. Без него вода растворила бы материал. Но благодаря извести из стекла можно делать посуду, окна и т.д.

Кроме того, для разных видов стекла используются оксиды щелочных материалов:

• оксиды натрия, кальция или алюминия — для изготовления окон;
• оксиды калия и свинца — на кристалл;
• оксид алюминия — элемент из сапфирового стекла для часов, который отличается особой прочностью;
• оксиды бария, алюминия, бора — для оптики.

Состав бокала может варьироваться в зависимости от желаемого цвета. Для придания ему оттенка при литье добавляют специальные красители, содержащие оксиды:

• Красный цвет получается из-за оксида железа.
• Ярко-желтый цвет придает оксид урана.
• Для зеленого стекла требуется оксид хрома и меди.

Состав стекла

Стекло состоит из натурального сырья, плавящегося при очень высокой температуре. Основным ингредиентом стекла является песок, но технически основным ингредиентом является песчаный компонент: кварц, также известный как диоксид кремния (SiO2), кремнезем или кварцевый песок.

Кварц сочетается с другими различающимися ингредиентами. Это такие элементы, как:

• карбонат натрия (карбонат натрия);
• доломит (минерал из класса карбонатов);
• известняк (карбонат кальция);
• стеклобой (вторичное стекло);
• другие химические вещества (оксиды металлов, кобальт).

Стекло получают путем охлаждения расплавленных компонентов до температур от +300 до +2500 ° C со скоростью, достаточной для предотвращения образования видимых кристаллов. Для изготовления стекла достаточно одного песка, но температура, необходимая для его плавления, будет намного выше. По этой причине в качестве модификатора добавляется сода. Известняк делает его более стойким. Оптимальный состав: около 75% кремнезема, 10% извести и 15% соды.

Силикатное стекло

Стеклянные композиции предназначены для демонстрации различных физических, химических и оптических свойств.

Разнообразие применений требует определенных типов стекла и производственных процессов. В промышленном производстве обычно используются разные составы. Кратко остановимся на силикатном стекле.

Силикатное стекло — обычное стекло, которое можно найти повсюду. Список товаров практически бесконечен: от тарелок, предметов декора, стаканов, лабораторных сосудов, ламп накаливания, окон и сотен других предметов, которые мы прямо или косвенно используем в повседневной жизни.

Основные виды:

• газировка со вкусом лайма;
• калийно-известковый;
• калий-свинцовый.

Промышленное стекло делится на строительное, техническое, электровакуумное, тарное, лабораторное, безопасное, оптическое и высококачественное.

Структура стекла

Стекло можно формировать естественным образом; например, в вулканах или когда молния ударяет по песчаному пляжу и создавалась руками человека в течение тысяч лет. Поэтому может показаться удивительным, что наше понимание точной структуры стекла не является полным даже по прошествии такого длительного времени. Стекло часто называют аморфным. Это слово происходит из греческого языка и означает «бесформенный». Итак, у нас есть смутное представление о том, что стекло несколько бесформенное.

Структура стекла окончательно не установлена. Также есть расхождения между его массой и поверхностным слоем. Это связано с тем, что разные стаканы имеют разный состав. Кроме того, технологический процесс влияет на его структуру.

Расположение атомов в стекле

Стекло имеет какой-то мистический оттенок, вероятно, из-за его странного химического и физического поведения. Он достаточно надежен, чтобы защитить нас, но может разлететься на тысячи частей. Он сделан из непрозрачного, но полностью прозрачного песка. И, что, пожалуй, наиболее удивительно, он выглядит и ведет себя как твердое тело, но на самом деле представляет собой замаскированную форму странной жидкости. В результате его можно заливать, выдувать, прессовать и формовать.

Химия стекла

Химический состав стекла определяет его физические свойства и характеристики. В зависимости от основного компонента это: оксид, фторид, сульфид…

Оксидные

Это одно из немногих твердых тел, пропускающих свет в видимой области спектра. Существуют различные типы оксида стекла. Название зависит от содержания различных оксидов.

Среди оксидных стекол наиболее важными материалами являются фосфатные и силикатные стекла, которые широко используются. По сравнению с силикатными стеклами фосфатные стекла имеют ограниченное применение, поскольку они имеют более низкую температуру стеклования. А силикатные обладают отличной химической стойкостью.

Германат — ближайший аналог силиката. Высокая цена и низкая химическая стойкость сильно ограничивают их использование. У них хорошее преломление и светопропускание. Используется для оптических инструментов.

Читайте также: Из чего делают бумагу: как изготавливают и какие бывают виды

Боросиликатное стекло содержит не менее 5% оксида бора. Он устойчив к экстремальным температурам и химической коррозии.

Эти свойства делают боросиликат идеальным для лабораторного использования. Многие линзы микроскопов и телескопов изготовлены из боросиликатного стекла.

Фторидные

Фтористые стекла и оптические волокна используются для производства многоволоконных систем связи. Они обладают широким спектральным диапазоном пропускания, значительной радиационной стойкостью и чувствительностью. Кроме того, фторные волокна можно использовать для направленной передачи световых волн в таких средах, как лазеры, которые необходимы для медицинских приложений (офтальмология и стоматология).

Сульфидные

Сульфидное стекло (сульфид цинка) получают путем добавления в стекломассу оксида железа и сульфида цинка, которые придают материалу самые разные оттенки. Его широко используют при производстве декоративных изделий, сувениров и посуды.

Особые виды стекла

Для разных целей используются разные виды стекла. Развитие стекольной промышленности и производство многофункциональных стекол позволяют решать архитектурные проблемы в строительных конструкциях Eraglass, а также использовать возможности для специальных технических и научных приложений.

Плоское стекло

Плоское или листовое стекло чаще всего используется в окнах, дверях, автомобильных стеклах, зеркалах и солнечных батареях.

Его получают путем растекания жидкого стекла до желаемой толщины и охлаждения до конечного продукта. Так что его можно сложить.

Стеклопакет объединяет несколько стеклянных панелей в единую оконную систему. Большинство из них имеют двойное или тройное остекление. Стеклопакеты в стеклопакетах разделены прокладкой и закрепленным слоем воздуха или вакуума.

Стеновые стеклоблоки

Стеклоблоки состоят из двух разных половин, которые спрессовываются и отжигаются в процессе плавления стекла. Их используют в архитектурных целях при возведении стен, мансардных окон и так далее. Они придают эстетичный вид, когда проходят через свет.

Бронированное

Пуленепробиваемое стекло находит широкое применение в различных отраслях промышленности, включая строительство. Он изготовлен из многослойного стекла по специальной технологии. Армированное стекло используется в зданиях, требующих безопасности, таких как ювелиры, банки и посольства.

Кварцевое стекло

Кварцевое стекло получают путем плавления кремнеземистого сырья высокой чистоты. Кварцевое стекло состоит из диоксида кремния SiO2 и является наиболее термостойким стеклом: его коэффициент линейного расширения в пределах 0 — 1000 ° составляет всего 6х10-7. Поэтому светящееся кварцевое стекло, погруженное в холодную воду, не разбивается.

Температура размягчения кварцевого стекла, при которой достигается динамическая вязкость 107 Пуаз (10 Па · с), равна 1250 ° C. При отсутствии значительных перепадов давления изделия из кварца можно использовать до этой температуры. Полное плавление кварцевого стекла при возможности получения из него изделий происходит при 1500-1600 ° С.

Известно два типа кварцевого стекла: прозрачное кварцевое и молочно-непрозрачное. Мутность последнего вызвана обилием мелких пузырьков воздуха, которые невозможно удалить при плавлении стекла из-за высокой вязкости расплава. Непрозрачные изделия из кварцевого стекла имеют почти те же свойства, что и изделия из прозрачного кварцевого стекла, за исключением оптических свойств и повышенной газопроницаемости.

Поверхность кварцевого стекла имеет незначительную впитывающую способность для различных газов и влаги, но имеет самую высокую газопроницаемость среди всего стекла при повышенных температурах. Например, через кварцевую трубку с толщиной стенок 1 мм и поверхностью 100 см2 при 750 ° C 0,1 см3 H2 проникает за час, если перепад давления составляет 1 атм (0,1 МПа).

Кварцевое стекло необходимо тщательно защищать от любых загрязнений, даже от жирных отпечатков рук. Перед нагреванием кварцевого стекла тусклые пятна на нем удаляются разбавленной плавиковой кислотой, а жирные пятна — этанолом или ацетоном.

Кварцевое стекло устойчиво ко всем кислотам, кроме HF и Н3РO4. Не подвержен воздействию до 1200 ° C C12 и HCl, до 250 ° C сухого F2. Нейтральные водные растворы NaF и SiF4 разрушают кварцевое стекло при нагревании. Совершенно непригоден для работы с водными растворами и расплавами гидроксидов щелочных металлов.

Кварцевое стекло сохраняет свои электроизоляционные свойства при высоких температурах. Его удельное электрическое сопротивление при 1000 ° C равно 106 Ом · ч · см.

Красители, глушители

В производстве стекла большое значение имеют красители, которые не только влияют на цвет готового изделия, но также изменяют и ускоряют протекание физико-химических реакций при плавлении стекла. Глушители — это добавки, которые увеличивают рассеяние света в стекле, от прозрачного опала до полной молочной непрозрачности.

С давних времен стекло красили, добавляя в расплав соединения металлов, чаще всего оксидов. Например, в современном производстве CrO3 используется для получения желтого стекла, синего — CuO, зеленого — FeO, Fe2O3, оливково-коричневого — V2O3, V2O5, фиолетового и сиреневого — NiO и Mn2O3. Цвет стекла зависит не только от типа оксида, но и от его количества.

Например, оксид кобальта (II) в малых количествах дает голубое стекло, а в большом — фиолетово-синее. Оксид меди (II) в натриево-кальциевом стекле дает синий цвет, а в калиево-цинковом стекле — зеленый.

Как делают стекло?

Процесс производства стекла довольно опасен, так как требует очень высоких температур. Разберем его подробнее:

1. Кварцевый песок помещается в печь и плавится в жидком состоянии. Добавление соды позволяет снизить температуру плавления до 1200–1600 ° C. Однако из-за этого стекло станет неустойчивым к воде, поэтому добавляется известь. Песчинки плавятся и слипаются, образуя «жидкое стекло».
2. Кроме того, в смесь добавляются другие компоненты (например, оксиды магния или алюминия), чтобы сделать стекло более стойким.
3. Если необходимо придать материалу особый оттенок, добавьте желаемый оксид металла.
4. Полученную смесь перемешивают, чтобы вышли пузыри.
5. Далее моделируется жидкое стекло. Самый старый метод — вылить смесь в форму и подождать, пока она остынет. Теперь его отправляют в ванну с расплавленным оловом (температура — около 700 ° C) и продувают сжатым азотом.
6. Стекло охлаждают, а затем снова подвергают термообработке для удаления дефектов. Впоследствии материал становится более стойким.
7. Теперь стекло можно покрыть или разрезать для дальнейшего использования.

Стекло — очень хрупкий материал, но в то же время довольно тяжелый. Поэтому на производстве была разработана система перемещения готовых листов. После резки они попадают в стопорный автомат и с помощью присосок складывают стекло в стопки.

Какие функции выполняют сода и известь в процессе производства?

Сода помогает снизить температуру плавления в 2 раза. Если его не добавить, песок будет очень трудно растворить и, следовательно, соединить отдельные песчинки вместе. Известь нужна для того, чтобы масса прочно переносила воду. Если бы его не было в составе, окно, например, растворилось бы сразу после первого дождя, и стекло лопнуло бы при контакте с водой.

Интересные факты:

1. Китай не производил стекло более 500 лет, с 14 по 19 века. Сейчас государство является одним из лидеров по производству и контролирует треть мирового рынка стекла.
2. 1994 год стал чрезвычайно активным с точки зрения переработки стекла в США. Если поместить все изделия из переработанного стекла в этом году в один ряд, получится своеобразная «дорога» на Луну.

Метод 1: процесс флоат-стекла

В этом методе лист стекла получают путем плавления расплавленного стекла на слое расплавленного металла, такого как олово или свинец. Он используется для производства листов стекла с однородной толщиной и плоскими поверхностями. Давайте рассмотрим пошаговый процесс:

1. Плавка и рафинирование

Обычное сырье, используемое для изготовления флоат-стекла, включает песок, доломит, соль (сульфат натрия), кальцинированную соду (карбонат натрия) и известняк. Другие материалы часто используются как улучшающие агенты для изменения химических и физических характеристик стекла.

Эти ингредиенты смешиваются порциями в правильной пропорции. Затем вся партия помещается в печь, где она нагревается почти до 1500 ° C. Большинство печей содержат более 1000 тонн материала.

Когда стекло плавится, его температура стабилизируется на уровне 1200 ° C для проверки его относительной плотности или удельного веса.

2. Оловянная ванна

Расплавленное стекло из печи перетекает в плавающую ванну, ванну с расплавленным оловом, через керамический ободок, называемый ободком носика. Количество стекла, наливаемого на банку, регулируется заслонкой, обычно известной как кисть.

Олово является предпочтительным выбором для этого процесса, поскольку оно обладает когезией и не смешивается с расплавленным стеклом. Также он имеет высокий удельный вес. Однако на воздухе он окисляется с образованием диоксида олова, который прилипает к стеклу. Чтобы предотвратить это окисление, олово обрабатывают водородом и азотом.

Стекло скользит по оловянной ванне и образует плавающую ленту одинаковой толщины и гладких поверхностей с обеих сторон. При этом температура постепенно снижается (до 600 ° C) и стеклянная лента снимается с ванны с помощью роликов.

Толщину готового продукта можно регулировать, изменяя скорость вращения вала и скорость потока стекла. Обычно ролики помещают на расплавленное олово, чтобы отрегулировать толщину и ширину стеклянной ленты.

Некоторые очки сделаны светоотражающими. В таких случаях на поверхность охлаждаемого полотна наносят мягкое или твердое покрытие.

3. Отжиг

Как только стекло выходит из ванны, оно проходит через лерную печь — длинную духовку с постоянным температурным градиентом. Это позволяет отжигать стекло без деформации. Это также предотвращает разбивание стекла из-за перепадов температуры.

В частности, этот процесс изменяет химические и физические свойства стекла, снижая его твердость и делая его более пластичным.

4. Осмотр

Используя передовые технологии контроля, можно проводить миллионы проверок на протяжении всего процесса производства стекла. Большинство из них связано с выявлением напряжений, песчинок и пузырьков воздуха, снижающих качество стекла.

Сегодня существуют тысячи систем, которые могут точно контролировать оптическое качество, искажение, натяжение, толщину и плоскостность стекла на самых ранних этапах производственного процесса.

5. Резка

На выходе из «холодного конца» печи стекло печи разрезается и формируется в соответствии с требованиями заказчика на специализированном оборудовании. Листы стекла больших размеров разрезаются на полуавтоматическом раскройном столе с компьютерным управлением. Затем эти пластины вручную разбивают на отдельные стеклянные пластины.

В то время как большинство фрез используют небольшое острое колесо из карбида вольфрама или закаленной стали, некоторые используют алмаз для создания трещин.

Метод 2: выдувание стекла

В этом методе формования стекла расплавленное стекло выдувается в пузырь с помощью выдувной трубы. Используется для производства бутылок и другой тары.

Как это работает?

Инфляция — это процесс расширения куска расплавленного стекла путем вдувания в него небольшого количества воздуха. Поскольку атомы в жидком стекле связаны прочными химическими связями в беспорядочную и неупорядоченную ткань, расплавленное стекло достаточно вязкое, чтобы его можно было выбросить. По мере остывания он медленно затвердевает.

Чтобы облегчить процесс выдувания, твердость расплавленного стекла увеличивают за счет незначительного изменения его состава. Оказывается, добавление небольшого количества Natron затрудняет выдувание стекла. (Натрон — это натуральное вещество, содержащее декагидрат карбоната натрия и бикарбонат натрия.)

При выдувании более толстые слои стекла охлаждаются медленнее, чем более тонкие, и становятся менее вязкими, чем более тонкие. Это позволяет производить выдувное стекло однородной толщины.

За последние два десятилетия были разработаны более эффективные и действенные методы выдувания стекла. Большинство из них включает одни и те же шаги:

Шаг 1. Поместите стакан в духовку и нагрейте до 1300 ° C, чтобы он стал податливым.

Шаг 2: Поместите один конец выдувной трубки в духовку и катайте им по расплавленному стеклу, пока на нем не прилипнет «капля» стекла.

Шаг 3: Раскатайте расплавленное стекло на марвер, плоскую металлическую пластину из полированной стали, графита или латуни, прикрепленную к деревянному или металлическому столу. Марвер используется для контроля формы и температуры стекла.

Марвер используется для придания формы стеклу

Шаг 4: продуйте трубку воздухом, чтобы образовался пузырь. Соберите больше стекла на этом пузыре, чтобы получился кусок побольше. Как только стакан достиг желаемого размера, дно готово.

Шаг 5: прикрепите расплавленное стекло к стержню из железа или нержавеющей стали (обычно называемому наконечником), чтобы сформировать и перенести полую деталь из сварочной трубы.

Шаг 6: Добавьте цвет и дизайн, окунув его в битое цветное стекло. Эти осколки быстро прилипают к основному стеклу из-за тепла. Сложные и подробные узоры можно создать с помощью трости (цветные стеклянные стержни) и муррина (отрезки поперечного сечения для выявления узоров).

Шаг 7: Возьмите изделие и снова раскатайте, чтобы придать ему желаемую форму.

Шаг 8: Снимите стекло со стеклянной трубки с помощью стального пинцета. Обычно дно выдувного стекла отделено от вращающейся выдувной трубы. Его можно снять со сварочной трубки одним касанием.

Шаг 9: Поместите выдувное стекло в печь для отжига и дайте ему остыть в течение нескольких часов. Во избежание случайной поломки не подвергайте его резким перепадам температуры.

Римское выдувное стекло IV века нашей эры

Этот метод требует большого терпения, усидчивости и сноровки. Для создания сложных и крупных изделий требуется команда опытных стеклодувов.

Внутренние напряжения в стеклянных изделиях

При охлаждении изделия или куска стекла неравномерное охлаждение, сложная форма и неоднородность расплава приводят к образованию внутренних механических напряжений в массе материала. Если слишком быстро остывающий кусок не лопнет сам по себе — дальнейшая обработка, небольшой случайный удар, перепад температуры могут разрушить это стекло, даже если удар кажется незначительным.

Из-за перераспределения напряжений в аморфной массе стекла с течением времени изделие может разбиться без видимых причин. Для снятия внутренних напряжений применяется длительный отжиг стекла при температуре, при которой изменением формы изделия еще можно пренебречь, но стекло уже приобретает достаточную текучесть. Массивные литые изделия охлаждаются очень медленно, например, заготовки зеркал уникальных телескопов — в течение нескольких месяцев.

Наличие напряжений в стекле можно проверить с помощью полярископа: напряженные участки стекла по-разному поворачивают плоскость поляризации проходящего света, и прибор четко показывает внутреннее состояние материала. В то же время в некоторых случаях стекло может быть закалено, что создает контролируемое сжимающее напряжение в поверхностных слоях.

Резка, механическая обработка

Резка стекла — раскалывание с возникшей опасностью, которое действует как концентратор напряжений и определяет направление трещины. Напряжение может создаваться либо традиционным изгибом, либо локальным нагревом электрическим пламенем или спиралью. Линия разреза не обязательно должна быть прямой — точечный нагрев позволяет загнать трещину по довольно крутым изгибам. Нанесенный риск должен быть достаточно глубоким, но при этом иметь гладкие и чистые края без сколов.

Стекло рекомендуется предварительно смазать маслом или керосином. Риск должен быть прохладным — из-за естественной аморфной текучести стекла нанесенная линия «всплывает» и через несколько минут разбить стекло будет сложнее. В качестве фрезы использовался алмаз, но сейчас — почти исключительно твердые сплавы. Твердосплавные фрезы позволяют сверлить и даже точить стекло, но основной метод обработки — это различные виды шлифовки, от простой формовки краев внутреннего стекла и гравировки на посуде до изготовления лабораторных вырезов и прецизионных фасонных деталей.

Среди специфических абразивов можно отметить использованный ранее «крокус» (оксид железа (III)) и заменивший его «полирит» (диоксид церия) для обработки автомобильных стекол, а также хорошо известный «ГОИ». (Государственный институт оптики) паста на основе диоксида хрома. Для нанесения надписей, дифракционных решеток и подобных микрорельефов на стекло используется травление с использованием маски плавиковой кислоты.

Как получается цветное стекло?

Стекло выпускается не только бесцветным. Для получения цветного продукта помимо основных компонентов в плавильную печь добавляют химические соединения:

1. Оксиды железа придают стеклу насыщенный красный оттенок.
2. Оксиды никеля — коричневые, пурпурные (в зависимости от количества).
3. Для получения ярко-желтого оттенка добавьте оксиды урана в песок, соду и известь.
4. Хром делает стекло зеленым.

Какими характеристиками и свойствами обладает стекло?

Пропорции компонентов для изготовления изделий из стекла выбираются исходя из их назначения. Назначают: бытовое стекло — из чего потом делают посуду, бокалы, украшения; здание — витрины, витрины, витражи;

Техническое стекло — самое плотное. Используется в тяжелой промышленности. Главное свойство стекла — способность пропускать через себя солнечный свет. Но не полностью. Например, стандартное оконное стекло пропускает только 85% солнечного света. Стекло имеет низкую теплопроводность, другими словами, оно не сильно нагревается от других продуктов. Это свойство широко используется для использования стекла в каминах (в бытовой технике — плитах и ​​духовках).

Интересный факт: все слышали о бронированных (пуленепробиваемых) стеклах. Процесс его изготовления выглядит так: несколько слоев стекла соединяются между собой, закрепляются полимерными пленками и отправляются в печь. Первые пуленепробиваемые стекла на окнах Белого дома установили в 1941 году.

Стекло — необычный материал. Процесс его создания сложен и травматичен, но интересен и очень необходим.