Разновидности стекол

Стекло– однородное аморфное тело, которое получается при охлаждении стекломассы. Простой пример – берем кубик сахара, нагреваем его до жидкого состояния, а затем охлаждаем. Сахар теряет свою первоначальную кристаллическую структуру и становится аморфным веществом.

История стекла

Впервые стекло возникло в Древнем Египте за 3 … 4 тысячелетия до нашей эры. Однако стекла той эпохи даже по внешнему виду отличались от теперешних. Они были, как правило, малопрозрачны, содержали большое количество пузырей. Изготовляли из такого стекла главным образом украшения.

В конце VII в. производство стекла возникает в Венеции где к IX в. оно достигает высокого уровня. Известные венецианские стеклянные витражи и мозаики украшали церкви того периода, а различные художественные изделия из цветного стекла, мозаичное и филигранное стекло, зеркала являлись монополией венецианского стеклоделия. Затем это искусство проникло в другие страны Западной Европы и Ближнего Востока.

В конце XVII в. в Чехии было изобретено стекло, отличающееся чистотой, прозрачностью и твердостью и известное под названием «богемский хрусталь».

Стеклоделие в России возникло в IX — Х вв., т. е. намного раньше, чем в
Америке (XVII в.) и ранее, чем во многих других странах Западной Европы.

Первый стекольный завод в России был основан в 1638 г. под Москвой. На этом заводе изготовляли оконное стекло и другие стеклянные изделия. Большое развитие стеклоделие получило при Петре I. В этот период создаются стекольные заводы под Москвой, в Киеве и других городах. К 1760 г. в России уже насчитывалось более 25 стекольных заводов, расположенных в различных губерниях. Заводы эти вырабатывали главным образом оконное стекло, бутылки и хозяйственную посуду.

Основоположником научных основ стеклоделия в России является М.В. Ломоносов, который в 1752 г. построил под Петербургом фабрику и организовал на ней изготовление цветных стекол. М.В. Ломоносовым разработан метод горячей прессовки стекла.

Состав стекла

Сырьевые материалы для производства стекла подразделяются на основные или стеклообразующие и вспомогательные.

С помощью основных материалов в состав стекла вводятся различные оксиды, которые при сплавлении образуют стекломассу. Свойства стекла зависят от входящих в него оксидов и их соотношения. Главный оксид — SiO2 — вводят в стекло через кварцевый песок. Песок должен быть свободен от примесей, особенно окрашивающих (оксиды железа, титана, хрома), которые вызывают голубоватые, желтоватые, зеленоватые оттенки стекла, снижают его прозрачность. С повышением содержания диоксида кремния в стекле улучшаются механическая и термическая прочность, химическая устойчивость, но повышается температура варки.

Оксид бора В2О3 облегчает варку, улучшает физико-химические свойства стекла.

Оксид алюминия А12О3 способствует повышению прочностных показателей и химической устойчивости стекла.

Щелочные оксиды Nа2О, К2О понижают температуру варки стекла, облегчают формование изделий, однако уменьшают прочность, термостойкость и химическую устойчивость.

Оксиды кальция, магния, цинка увеличивают химическую устойчивость и термостойкость изделий. Оксиды бария, свинца и цинка повышают плотность, улучшают оптические свойства и поэтому применяются в производстве хрусталя.

Вспомогательные материалы вводят для улучшения потребительских свойств стекла. По назначению их подразделяют на осветлители, обесцвечиватели, глушители, красители, восстановители и окислители.

Осветлители способствуют удалению из стекломассы газов, образующихся при разложении сырьевых материалов. Из-за газовых включений масса стекла становится непрозрачной. В качестве осветлителей применяют селитру, аммонийные соли, триоксид мышьяка. При нагревании осветлители разлагаются, в виде паров поднимаются вверх и увлекают за собой газообразные включения.

Обесцвечиватели погашают или ослабляют нежелательные цветные оттенки. Из-за небольших примесей оксидов железа стекло имеет зеленовато-голубоватый оттенок и, чтобы сделать этот оттенок незаметным применяются обесцвечиватели. Применяют 2 метода обесцвечивания-физический и химический. При физическом методе в состав стекломассы вводят дополнительный краситель, который нейтрализует действие основного. К физическим обесцвечивателям относятся соединения марганца, кобальта и др. Химические обесцвечиватели переводят окрашенные соединения в неокрашенные. К ним относится селитра, сурьма. Данные соединения переводят оксид 2-х валентного железа в оксид 3-х валентного железа, который имеет более слабую окраску.

Глушители (фториды и фосфаты) уменьшают прозрачность и обусловливают белую окраску стекла.

Красители придают стеклу нужный цвет. В качестве красителей используют оксиды или сульфиды тяжелых металлов. Окрашивание может происходить также за счет выделения в стекле коллоидных частиц свободных металлов (меди, золота, сурьмы).

В синий цвет стекло окрашивают закисью кобальта, в голубой — окисью меди, в зеленый — окисью хрома или ванадия, в фиолетовый — перекисью марганца, а в розовый — селеном и т.д.

Окислители и восстановители добавляют при варке цветных стекол для создания определенной pH среды. К ним относится селитра, углерод и т.д.

Ускорители варки способствуют ускорению варки стекла. К ним относятся фтористые соединения, алюминиевые соли и др.

Свойства стекла. Зависят от его состава.

Плотность обычного стекла 2500 кг/м3, наибольшую плотность имеют стекла с повышенным содержанием окиси свинца — до 6000 кг/м3. Зависит она в основном от наличия в составе стекла оксидов тяжелых металлов (свинца, бария, цинка) и влияет на массу изделий, оптические и термические свойства. С увеличением плотности возрастает показатель преломления света, блеск и игра света в гранях, однако термостойкость, прочность и твердость снижаются.

Оптические свойства стекла разнообразны. Стекла могут быть прозрачными (коэффициент пропускания 0,85 и более) и в разной степени заглушенными, бесцветными и окрашенными, с поверхностью блестящей и матовой. Основными оптическими свойствами стекла является: светопропускание (прозрачность), светопреломление, отражение, рассеивание и др. Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Прозрачность большинства стекол составляет 84-90%. Изменяя химический состав стекла и его окраску, можно регулировать светопропускание стекла. Показатель преломления (отношение синуса угла падения к синусу угла отражения) для обычных стекол составляет 1,5, для хрусталя 1,9. В тоже время чем выше показатель преломления, тем выше коэффициент отражения.

Стекло обладает высокой прочностью на сжатие 700—1000 МПа и малой прочностью при растяжении — 35—85 МПа.

Твердость-это способность стекла сопротивляться проникновению в него другого тела. Зависит от состава. Кварцевые стекла, а также боросиликатные малощелочные стекла обладают большой твердостью. Хрустальные стекла в 2 раза мягче обыкновенных. Твердость обычных силикатных стекол 5—7 по шкале Мооса.
Хрупкость-способность стекла сопротивляться удару. Стекло плохо сопротивляется удару, т. е. оно хрупко. Присутствие в стекле борного ангидрида, окиси магния увеличивает сопротивление стекла удару.
Теплопроводность стекла невелика, поэтому стекло используют для защиты помещений зимой. Наибольшую теплопроводность имеет кварцевое стекло.

Термическая устойчивость стекол зависит от многих факторов: состава стекла, формы и размера изделия, характера поверхности и т.д. С помощью специальной термической обработки термическая стойкость стекла может быть увеличена в несколько раз.

Электропроводность стекла небольшая (стекло является диэлектриком). В тоже время электропроводность стекол изменяется с изменением температуры (расплавленное стекло проводит ток). Наибольшее влияние на электропроводность оказывает содержание в них окиси лития; чем больше ее в составе стекла, тем выше электропроводность. Понижают электропроводность окислы двухвалентных металлов (больше всего ВаО).
Стекло поддается механической обработке: его можно пилить циркулярными пилами с алмазной набивкой, обтачивать победитовыми резцами, резать алмазом, шлифовать, полировать. В пластичном состоянии, при температуре 800—1000°С, стекло поддается формованию.

Классификация стекол

Стекла классифицируют в зависимости от состава. Название их зависит от содержания тех или иных оксидов. Различают следующие оксидные стекла:

силикатные – SiO2;

алюмосиликатные — Аl2O3, SiO2;

боросиликатные — В2O3, SiO2;

бороалюмосиликатные — В2O3, Аl2O3, SiO2 и другие.

Каждый вид стекла обладает определенными свойствами.

Силикатные стекла подразделяют на обыкновенные, хрустальные, жаростойкие. К обыкновенным относят известково-натриевые, известково-калиевые, известково-натриево-калиевые стекла.

Хрустальные стекла характеризуются повышенным блеском и сильным лучепреломлением. Различают хрусталь свинцовый и бессвинцовый. Свинцовый хрусталь имеет повышенную массу, хорошо декорируется. В зависимости от количества оксида свинца свинцовый хрусталь делят на

1. Хрустальное стекло, содержащее оксид свинца, бора или цинка в количестве не менее 10%.

2. Малосвинцовый хрусталь, содержащий 18-24% оксида свинца.

3. Свинцовый хрусталь, содержащий 24-30% оксида свинца.

4. Высокосвинцовый хрусталь, содержащий 30% и более оксида свинца.

Бессвинцовый хрусталь содержит в основном оксид бария (не менее 18%), что улучшает лучепреломление, повышает твердость и блеск стекла, но уменьшает прозрачность.

Жаростойкие стекла выдерживают резкие перепады температур. В их состав входят соединения бора (12-13%). Термическая стойкость такого стекла возрастает после закалки.
Химические свойства стекла.

Химическая устойчивость стекла определяет назначение и надежность изделий. Она весьма высока особенно по отношению к воде, органическим и минеральным кислотам (кроме плавиковой). Щелочи и карбонаты щелочей действуют более агрессивно. Плавиковая кислота растворяет стекло и поэтому используется для нанесения на стекло узоров, матирования и химической полировки изделий.

Формирование потребительских свойств стеклянных товаров происходит в процессе их производства.

Производство стеклянных товаров состоит из ряда стадий: подготовки сырья, составлению шихты, варки стекломассы, выработки стеклянных изделий, обработки и украшению изделий, сортировки, маркировки и упаковки изделий.

1. Подготовка сырья сводится к очистке кварцевого песка и других компонентов от нежелательных примесей, тонкому измельчению и просеиванию материалов.

2. Приготовление шихты, т. е. сухой смеси материалов, состоит в отвешивании компонентов согласно рецептуре и тщательном их перемешивании до полной однородности. Более прогрессивным методом является изготовление из шихты брикетов и гранул; при этом сохраняется однородность шихты, ускоряется варка. Кроме того для ускорения варки стекла в шихту добавляют 25-30% стеклянного боя. Стеклобой промывают, измельчают и пропускают через магнит.

3. Варку стекломассы из шихты осуществляют в ваннах и горшковых печах при максимальной температуре 1450—1550°С. В процессе варки происходят сложные физико-химические превращения и взаимодействия сырьевых материалов. С помощью осветлителей стекломассу освобождают от газовых включений, тщательно перемешивают до достижения однородности по составу и вязкости. При нарушениях режимов обработки сырья, приготовления шихты и варки образуются дефекты стекломассы (разберем позднее).

4. Формование изделий из вязкой стекломассы осуществляют разнообразными методами. Метод формования во многом определяет конфигурацию изделий, толщину стенки, приемы декорирования, окраску и поэтому является важным ассортиментным признаком и ценообразующим фактором.

Бытовые изделия изготовляют выдуванием, прессованием, прессовыдуванием, моллированием (гнутьем), литьем и т. д.

Выдувание — древнейший способ формования изделий из стекломассы. Выдувание может быть механизированное, вакуум-выдувное, ручное в формах и гутенское (свободное).

Ручное выдувание осуществляется с помощью стеклодувной трубки. Такое выдувание может производиться в формах и без формы. Выдуванием в формах получают изделия любых конфигураций и толщины стенки с гладкой и блестящей поверхностью. Вырабатывают бесцветные, окрашенные в массе и накладные изделия (двух- и многослойные).

Выдувание без формы или свободное выдувание (в торговле — гутенская формовка) осуществляют также посредством стеклодувной трубки, но изделия формуют и окончательно отделывают в основном на воздухе. Изделия характеризуются сложностью форм, плавными переходами частей, утолщенной стенкой.

Механизированным выдуванием на автоматах изготовляют бесцветные изделия простых очертаний, в основном стаканы.

Выдувные изделия имеют самые гладкие стенки, сильный блеск, большую прозрачность, самую разнообразную форму и толщину стенок. Они декорируются почти всеми возможными способами и считаются наиболее качественными.

Прессование являются наиболее массовыми и экономичными способами получения стеклянных изделий. Изделия формуются на автоматических и полуавтоматических прессах в специальных пресс-формах, где на них сразу наносится рисунок. Их характеризует большая толщина стенок (более 3 мм), большая масса, меньшая прозрачность и термостойкость, значительная толщина дна, видны следы от формы. Посуда, изготовленная прессованием, имеет простые формы с широким верхом.

Некоторое однообразие прессованных изделий стремятся преодолеть за счет создания легкого рельефного узора на поверхности (фактурный пресс), прессования без верхнего кольца, позволяющего получить разный у каждого изделия свободно сформированный край, сочетания прессования и гнутья (пресс-моллирование).

Прессовыдувание характеризуется тем, что формование изделий проходит в две стадии — сначала их формуют в пресс-форме, а затем — в горячем виде воздухом. Изделия имеют узкую горловину, толстые неровные стенки и следы от формы. Прессовыдуванием производят банки, бутылки, графины, флаконы; Изделия, полученные таким методом, отличаются от прессованных более сложной формой, а от выдувных-толстыми стенками, следами от формы и более грубым рисунком.

Литье

 Стекломассу заливают в специальную форму, где она охлаждается и принимает очертания формы. Данный метод применяют для получения художественно-декоративных изделий.

Центробежное литье осуществляется во вращающихся металлических формах под действием центробежных сил. Изделия, полученные этим способом, имеют большую массу, а изделия крупных размеров дорабатывают вручную. Примером изделий, изготовленных центробежным литьем, могут служить аквариумы.

Другие методы формования менее распространены.

При неправильном формовании возможно возникновение различных дефектов.

5.Отжиг изделий. При формовании ввиду низкой теплопроводности стекла, резкого и неравномерного охлаждения в изделиях возникают остаточные напряжения, способные вызвать их самопроизвольное разрушение. Поэтому обязателен отжиг— термическая обработка, состоящая в нагревании изделий до 530—550 °С, выдерживании при этой температуре и последующем медленном охлаждении. При отжиге остаточные напряжения ослабляются до безопасной величины и равномерно распределяются по сечению изделий. От качества отжига зависит термическая стойкость стекла.

6. Обработка и декорирование. Первичная обработка заключаются в обработке края и дна изделий, притирке пробок к горлу графинов. Декоративная обработка — это нанесение на изделия украшений разного характера. Декор определяет эстетические свойства стеклянных изделий и является одним из главных ценообразующих факторов.

Разделки классифицируют по стадии нанесения (в горячем и холодном состоянии), видам, сложности.

Украшения, наносимые в горячем состоянии:

1. Цветное стекло получают при добавлении красителей в стекломассу.

2. Изделия с нацветом изготавливают из 1 слоя стекла и покрывают его 1 или 2 слоями интенсивно окрашенного стекла.

3. Украшение выдувных изделий в горячем состоянии осуществляют путем нанесения стеклянных налепов, лент, витых и путаных нитей. Разновидность –украшение филигранью или витьем имеет вид 2 или 3-х цветных спиралевидных нитей.

4. Украшение под мрамор или малахит получают в процессе варки молочного стекла с добавкой молотого, неразмешанного цветного стекла.

5. Разделка «кракле» («под мороз», «морозное стекло») — сеть мелких поверхностных трещин, образующихся при быстром охлаждении изделия в воде. Далее полуфабрикат помещают в печь, где трещины оплавляются.

6. Используют разделку «под валик», создающую оптический эффект за счет волнообразной внутренней поверхности, образующейся при выдувании заготовки в ребристой форме.

7. Украшения цветной насыпью. Разогретую заготовку прокатывают по измельченному цветному стеклу, которое приплавляется к поверхности.

8. Радужные пленки (ирризация) на поверхности изделий могут получаться при осаждении на горячем изделии солей хлористого олова, бария и др.; эти соли, разлагаясь, образуют прозрачные, блестящие ирризирующие пленки оксидов металлов (напоминают перламутр).

9. Украшения методом свободного выдувания -изделие приобретает своеобразную и неповторимую форму.

10. Люстры- нанесение на поверхность изделия растворов металлов. Далее изделие подвергают отжигу, растворитель испаряется, а пленка металла закрепляется на поверхности.

11. Прессованные изделия украшают в основном за счет рисунка от пресс- формы.

Украшение изделий в холодном состоянии осуществляют посредством механической обработки, химической обработки (травление) и поверхностным декорированием с использованием силикатных красок, препаратов золота, люстров.

К разделкам, наносимым механическим способом, относят матовую ленту, номерную шлифовку, алмазную грань, плоскую грань, гравировку, пескоструйную обработку.

1. Матовая лента — это полоска шириной 4—5 мм. К поверхности изделия при его вращении прижимают металлическую полоску, под которую подают песок с водой. При этом песчинки царапают стекло.

2. Номерная шлифовка — матовый поверхностный (неглубокий) рисунок из круглых, овальных шлифов или насечек. Наносится с помощью наждачных кругов.

3. Алмазная грань — это рисунок из глубоких двухгранных бороздок, которые, сочетаясь между собой, образуют кусты, сетки, многоугольные камни, простые и многолучевые звезды и другие элементы. Рисунок наносят на ручных или автоматических станках с помощью абразивного круга с различным профилем края. После нарезания рисунка его полируют до полной прозрачности. Алмазная грань особенно эффектна на хрустальных изделиях, где хорошо выявляются блеск и игра света в гранях.

4. Плоская грань — это полированные плоскости различной ширины вдоль контура изделий.

5. Гравировка — поверхностный матовый или реже светлый рисунок преимущественно растительного характера без больших углублений. Получается с помощью вращающихся медных дисков или УЗ.

6. Пескоструйная обработка — матовый рисунок различной формы, образующийся при обработке стекла песком, который под давлением подают в вырезы трафарета.

Разделки, наносимые травлением, подразделяют на травление простое (гелиоширное), сложное (пантографное), глубокое (художественное). Для получения рисунка изделия покрывают слоем защитной мастики, на которой иглами машин или вручную наносят узор, обнажая стекло. Затем посуду погружают в ванну с плавиковой кислотой, которая растворяют стекло по обнаженному узору на различную глубину.

Простое, или гелиоширное, травление — это углубленный прозрачный геометрический рисунок в виде прямых, кривых, ломаных линий.

Сложное, или пантографное, травление представляет собой линейный углубленный рисунок, но более сложного, часто растительного характера.

Глубокое, или художественное, травление — это рельефный рисунок в основном растительного сюжета на 2 или 3- слойном стекле. За счет разной глубины травления цветного стекла образуется узор разной интенсивности окраски.

Поверхностное декорирование может осуществляться силикатными красками, препаратами золота. К таким украшениям относится живопись, декалькомания (представляет собой многокрасочный рисунок без мазков кисти, наносимый с помощью переводных картинок), шелкография (однокрасочный рисунок, полученный трафаретным способом при помощи шелковой сетки) нанесение лент (шириной 4—10 мм), отводок (1—3 мм), усиков (до 1 мм), фотоизображений и др. Разрабатывают новые методы украшений — плазменное напыление металлов, стеклопорошков, фотохимическое гравирование и др.

Производственный процесс завершается приемочным контролем и маркировкой изделий.