Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Этапы развития стеклоделия.
Естественное стекло известно человеку с древнейших времён. Наконечники стрел, ножи и т. п., изготовленные первобытным человеком из природного вулканического стекло (обсидиана), были найдены в самых различных местах земного шара.
Возникновение стеклоделия связано, по-видимому, с развитием гончарного производства. Получение стекла сперва было, вероятно, случайным. Примером такой возможности является образование стекла в результате расплавления золы при пожаре зернохранилищ. Производство стекла в Древнем Египте началось около 3000 лет до н. э. Из стекла делались различные украшения, амулеты. Цилиндр из светло-голубого стекла прекрасного качества, найденный в Тель-Асмаре, близ Багдада (современный Ирак), сделан в середине 3-го тысячелетия до н. э.; плотность этого стекла 2,463, показатель преломления 1,515, в нём нет неоднородностей и посторонних включений. Найденная при раскопках знаменитая ваза с начертанным на ней именем ассирийского царя Саргопа II (722— 705 до н. э.), находящаяся в Британском музее (Лондон), сделана из полупрозрачного зеленоватого С.
Во времена Птолемеев (4—1 вв. до II. э.) в Египте существовало относительно развитое стекольное производство. Египет оставался центром стеклоделия вплоть до нашей эры; его стеклянные изделия вывозились во многие другие страны. Стеклоделие было развито также в странах Ближнего Востока, в частности в Сирии и Финикии, а также в Причерноморье. Кроме рядовой продукции, здесь изготовлялись богатые уникальные изделия, украшенные эмалью и золотом. С древних времён стекло было известно в Китае, где в 5—3 вв. до н. э. стеклянные изделия появляются уже в довольно большом количестве [в т. ч. бусы с «глазовидным» узором и специфическим химическим составом С. (примесь бария)]. Первые письменные свидетельства об изготовлении стекла в Китае относятся к концу 3 в. В источниках 5 в. говорится об умении китайцев изготовлять С. пяти цветов.
Примерно за 1200 лет до и. э. уже была известна техника прессования стекла в открытых формах. Этим способом изготовлялись вазы, чаши, блюда, кубки, цветные мозаичные украшения. Особенно распространённым было голубое и бирюзовое стекло, окрашенное медью. Зелёное стекло получали окрашиванием медью и железом. Синее стекло, окрашенное кобальтом, появилось в Египте в начале нашей эры.
При некоторых достижениях древнего стеклоделия техника его была примитивна и везде, в том числе в Древнем Египте, на протяжении многих столетий переживала период застоя. Высоких температур получать не умели, плавку стекла вели в небольших глиняных тигельках, стекло получалось не проваренным, часто непрозрачным и в очень малых количествах. Чтобы прикрыть обычно неприглядный вид изделий, изготовленных из такого несовершенного материала, прибегали к красителям и шли по пути подражания природным полудрагоценным камням. Формовка изделий из густой, вязкой раскалённой стекломассы была нелёгкой задачей; она выполнялась простейшими приёмами ручной лепки, для которой использовались плоские камни и примитивные глиняные формы, а при изготовлении изделий в виде небольших сосудов — деревянные палочки, обмазанные смесью песка и глины, обволакивавшиеся стекломассой. Ассортимент изделий ограничивался мелкими туалетными украшениями: бусами, серьгами, браслетами, застёжками, амулетами, флакончиками для ароматических. веществ и т.п.
Переворот в технологии стеклоделия был вызван на рубеже нашей эры изобретением метода выдувания полых стеклянных изделий. Возможность широкого применения нового метода была обеспечена крупными успехами в технике стекловарения. Тогда стали уверенно получать прозрачное стекло, выплавлять его сразу в значительных количествах, научились изготовлять выдуванием красивые сосуды относительно большого размера и самой разнообразной формы. Выдувательная трубка, это простейшее приспособление, оказалась инструментом, при помощи которого человек с художественным чутьём и даром точной координации движений в результате длительных упражнений достигал высокого совершенства в работе.
Открытие способа выдувания стекла положило начало второму большому периоду развития стеклоделия, продолжавшемуся до конца 19—начала 20 вв. и характеризующемуся на всём своём протяжении единством технологических приёмов, не претерпевших за это время принципиальных изменений. В соответствии с технологией и характер продукции оставался в этот период более или менее постоянным, охватывая всевозможные разновидности полых изделий, главным образом всевозможные сосуды «настольного» масштаба, а также отдельные декоративные изделия — кубки, вазы, бокалы, блюда, туалетные флаконы, осветительные приборы и т. п. Само собой разумеется, что эта однообразная по типам и назначению продукция с точки зрения стиля, композиции и исполнения отражала характерные особенности развития искусства и народного творчества в отдельных странах в различные эпохи.
Первыми овладели методом выдувания стеклянных изделий мастера Древнего Рима, где на протяжении нескольких веков искусство стеклоделия находилось на большой высоте и где были созданы стеклянные изделия, относящиеся к выдающимся образцам мирового искусства (например, находящаяся в Британском музее Портландская ваза). В римское время стекло было впервые использовано в качестве оконного материала. После падения Западной Римской империи (конец 5 в.) центр стеклоделия перемещается в Византию, где, в частности, быстро развивается особый вид художественного производства — выплавка цветного непрозрачного стекла (смальты) для смальтовой мозаики, сменившей в раннем средневековье античную каменную мозаику.
На Руси стеклоделие было значительно развито в домонгольский период. В Киеве, в слоях 11—13 вв., раскопками вскрыты большие стекольные мастерские, в частности мастерские стеклянных браслетов, бывших тогда модным женским украшением во всех русских городах. Такая мастерская была обнаружена и при раскопках в Костроме. С 11 в, на Руси развилось производство смальты для монументальных мозаик, Монголо-татарское нашествие прервало стекольное производство на Руси, которое возобновилось только в 17 в. В средние века мозаика из смальты создавалась в ряде центров Грузии (например, знаменитая мозаика 12 в. в Гелати). Высокого уровня развития достигло стеклоделие в средние века в Египте, где его традиции не прерывались с древних времён. Стекло изготовлялось и в других странах Востока, например, в 12—14 вв. производством стеклянных изделий с росписью эмалями славилась Сирия. В странах Западной Европы в средние века развивает-1скусство витража — картин или орнаментальных композиций из цветного стекла. Фигурно вырезанные стекла скреплялись свинцовыми перемычками и вставлялись в оконные проёмы зданий. Появляются первые опыты росписи витражей нами, закрепленными обжигом. Контуры заливались темно-коричневой краской (шварцлотом), преобладавшей и в самой росписи. В 14 в. начнется применяться желтая краска, в состав которой входит серебро. Ею покрывали большие участки стекла и это давало возможность увеличить размеры отдельных частей витража и уменьшить число и длину новых перемычек. Расцвет искусства средневековых витражей приходится на 13—14 вв.
Ведущая роль Византии в развитии стеклоделия сохраняется до 13 в., когда главным центром производства стекла в Европе становится Венеция. Художественное стеклоделие получает здесь интенсивное развитие и достигает подъёма в 15—16 вв.. Венецианские мастера изготовляют разнообразнейшие по форме и технике декоративные сосуды из топкого или окрашенного стекла, туалетные зеркала, ставшие тогда удивительной новостью, бисер, бусы и другие художественные стеклянные изделия, пользовавшиеся широчайшей известностью. Изделия из стекла расписывались эмалями, покрывались позолотой, украшались узором из трещинок (кракле), стеклянными нитями. Особой художественной тонкости достигло венецианское стекло к 16 веку вместе с тем в 16 в., после открытия Америки, (широко развивается промышленность, в частности стекольное производство, в Испании, Португалии, Нидерландах, затем во Франции, Англии и других странах. Здесь строятся стекольные предприятия, ведущую роль в которых составляют беглые венецианские мастера, соблазнившие огромными заработками. Развивается стеклоделие в Германии, где традиции этого производства сохранились, по-видимому, со времён римского властвования. 1612 во Флоренции была издана книга А. Пери, которую можно считать первым научным трудом в области стеклоделия. В ней даны сведения об использовании окисей свинца и бора, а также окиси мышьяка как осветляющего стекло реагента, составы цветных стекол и прочее. Книга эта сделалась надолго руководством по технологии получения стекла.
В 1615 в Англии предлагается способ использования угля в качестве топлива для стекловаренных печей. Это даёт возможность получать при высоких температурах тугоплавкое и термостойкое стекла. В 70-х годах. 17 века в Англии был предложен состав стекла с окисью свинца, что повысило показатель светопреломления. Это стекло, отличающееся блеском и радужной игрой, получило распространение и в других странах. Со второй половины 17 в. первенство по производству художественного стекла в Европе переходит к Чехии, где начали изготовлять толстостенные сосуды из стекла со значительным содержанием кальция. По своей бесцветности и чистоте это стекло напоминало горный хрусталь. Большая толщина стенок изделий позволяла производить особенно глубокую огранку, и в таком виде это стекло, известное под названием богемского хрусталя, получило широчайшую известность.
На Руси новый этап развития стеклоделия начинается с 17 в., когда близ Можайска был построен (1635) шведом Елисеем Коэтом первый в России стекольный завод. В 1668 был построен Измайловский завод под Москвой, в 90-х гг. 17 в.— завод у Тайпицких ворот в Москве; до 1717 — Ямбургские заводы. Важнейшую роль в дальнейшем развитии стеклоделия в России сыграл государственный стекольный завод, заложенный Петром I в первые годы 18 века на Воробьевых горах под Москвой и к середине 18 в. вместе с Ямбургскими заводами переведённый в Петербург. Завод этот стал образцом для всех других стекольных предприятий страны, подлинной школой для русских мастеров стекольного дела и лабораторией освоения новой техники. В его работе принимали в разное время участие видные русские специалисты в области искусства, науки и техники, в их числе М.В. Ломоносов, Т. де Томон, К. И. Росси, А. Н. Воронихин, В.П.Стасов, И. П.Кулибинидр. Русские рабочие—выдающиеся мастера стекольного дела — создавали на этом заводе замечательные произведения искусства, изумлявшие всю Европу и хранящиеся сейчас во дворцах и музеях. Выдающуюся роль в развитии научного стеклоделия в России сыграл М, В. Ломоносов. .В 1748 он организовал при Петербургской академии паук лабораторию, в которой проводил опыты с окрашиванием стекла, лично варил смальту, разработав палитру цветной стеклянной мозаики. В 1753 им была построена для производства цветного стекла Усть-Рудицкая фабрика (близ Петербурга). Из сваренной здесь смальты Ломоносов сам и по его указаниям ученики выполнили ряд мозаичных произведений, в числе которых грандиозная цветная мозаичная картина «Полтавская баталия» (1762—1764). В 1764 был основан А. И. Бахметьевым в Никольской-Пестравке Пензенской губернии крупный потому времени завод для производства хрустальной посуды и зеркального стекла (ныне завод «Красный гигант»). Который дает возможность массового изготовления относительно крупных изделий из стекла, что даёт начало новой отрасли стеклоделия — производству архитектурно-художественного стекла как отделочного материала в строительстве главным образом общественных зданий. К этой категории стеклянных изделий можно отнести художественно исполненные облицовочные плитки, карнизы, наличники, фризы, колонны, капители, вентиляционные решётки, балясины для лестничных перил и балюстрад, витражи, смальту для мозаики, барельефы, скульптуру. По решению правительства в 1939—40 на основе Ленинградской зеркальной фабрики был организован экспериментальный завод художественного стекла, который должен служить базой для изыскания путей дальнейшего усовершенствования советского художественного стеклоделия.
В СССР развернулось строительство крупных механизированных новых стекольных заводов и реконструкция старых заводов. Накануне Великой Отечественной войны стекольная промышленность выдвинулась по объёму производства на 1-е место в Европе (с 11-го, какое занимала Россия в 1913).
Основы современной технологии стекла.
Технология получения стекла состоит из двух производственных циклов. Цикл технологии стекломассы включает операции:
а) подготовки сырых материалов;
б) смешивания их в определённых соотношениях, в соответствии с заданным химическим составом стекла в однородную шихту;
в) варки шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы.
Цикл технологии получения стеклянных изделий складывается из операций:
а) доведения стекломассы до температуры (и вязкости), требуемой условиями формования из неё разнообразных стеклянных изделий;
б) формования изделий;
в) постеленного охлаждения изделий до комнатной температуры с целью ликвидации возникающих в процессе формования напряжений;
г) термической, механической или химической (в отдельности либо во взаимном сочетании) обработки отформованных изделий для придания им заданных свойств.
Сырые материалы, применяемые для стекловарения, делятся на главные и вспомогательные. Послед-ре служат для улучшения качества стекла и получения стекла с особыми свойствами. Главные сырые материалы содержат кремнезём, борный и фосфорный гидриды, амфотерную окись алюминия, оксиды елочных и щёлочноземельных металлов, окись свинца, цинка и др. Кремнезём, являющийся главной частью стекла, вводится в виде молотого кварца. Пригодность песка для стекловарения определяется содержанием в нём примесей и гранулометрическим (зерновым) составом. Вредными примесями являются прежде всего соединение железа и хрома, придающие желтовато-зелёный зеленый цвета. Размер зёрен песка для стекловарения должен находиться в пределах примерно 0,2—0,5 мм. Окись алюминия, применяемая в производстве большинства промышленных стекол., вводится с глиной, каолином, гидратом окиси алюминия или в виде чистого глинозёма. Окись натрия вводится с одной кальцинированной содой либо (частично) с селитрой. Окись калия вводится в виде солей — кислой или азотнокислой (селитра); применяется главным образом в производство посуды, цветных, оптических и некоторых технических стекол. Окись лития используется при выработке опаловых и некоторых специальных стекол и даётся в виде содержащих литий минералов. Окись кальция вводится преимущественно в виде мела или известняка; окись магния — в виде доломита, магнезита или жжёной магнезии. Окись бария применяется в виде углекислого, азотнокислого и (роже) сернокислого бария; используется при производстве оптических стекол и хрусталя. В тех же производствах находит применение окись свинца, которая вводится в виде сурика или глёта. Окись цинка даётся как таковая или в виде цинковых белил; применяется в производство оптических, химико-лабораторных и некоторых других стекол. В стекловарении используются также материалы, содержащие одновременно соответственные горные породы, доменный шлак, стеклянный бой и др.
К вспомогательным сырым материалам относятся осветлители, обесцвечиватели, красители, глушители, а также восстановители (углеродистые вещества). В качество осветлителей, способствующих удалению из стекла пузырей, применяют в небольших количествах сульфаты натрия и аммония, хлористый натрий, трёхокись и пятиокись мышьяка в сочетании с селитрой, плавиковый шпат. Некоторые из этих веществ одновременно являются обесцвечивателями. Химическое действие обесцвечивателей сводится к окислению в стекло соединений железа. При применении физического методов обесцвечивания в шихту вводятся в незначительных количествах вещества, окрашивающие стекломассу в дополнительный к зелёному цвет (селен, соединения кобальта, марганца и др.). В качестве красителей применяют соединения кобальта, никеля, железа, хрома, марганца, селена, меди, урана, кадмия, серу, хлорное золото и др. Рассеивающие свет, т. е. белые, мало прозрачные стекла называются глухими или заглушенными. В зависимости от степени глушения различают молочные (наиболее заглушенные), опаловые и опалесцирующие С. В качестве глушителей применяются различные фтористые соединения, фосфаты, соединения сурьмы, олова и др.
Подготовка сырых материалов заключается в сушке, измельчении в дробилках, бегунах или дезинтеграторах, просеивании и смешивании в. определённых весовых отношениях. Однородная смесь сырых материалов составляет шихту. Однородность шихты, от которой в значительной мере зависит качество стекломассы, определяется гранулометрическим, составом сырых материалов, степенью их увлажнения, постоянством их химического состава, способом и продолжительностью перемешивания шихты и др. На стекольных заводах чаще всего применяют тарельчатые либо конусные барабанные смесители. На крупных заводах шихту хранят в бункерах. Наибольшая однородность шихты достигается при её брикетировании, которое исключает расслоение шихты при хранении и особенно передвижении, а также устраняет загрязнение пылью регенератора и уменьшает износ в печах огнеупоров. Расчёт шихты ведётся обычно на 100 весовых частей С., с учётом частичного улетучивания некоторых составных частей — борной кислоты, щелочей, фтора и др.
Стекловарение ведётся при температурах порядка 1400°—1600°. В нём .различают три стадии. Первая стадия — провар, или варка в собственном смысле слова, когда происходит химическое взаимодействие между составными частями шихты и образование вязкой массы. Так как при нагревании из шихты обильно выделяются газы, то в вязкой массе оказывается огромное количество пузырьков. Во второй стадии, называемой очисткой или осветлением, происходит удаление пузырьков, а также растворение еще оставшихся нерастворёнными зёрен песка; в этой стадии стекло выдерживается в печи в течение нескольких часов при наиболее высокой температуре. Третья, заключительная, стадия — т. и. студка стекломассы, когда она охлаждается до такой температуры (в зависимости от процесса производства и, следовательно, вязкости), при которой становится возможным и наиболее удобным изготовлять из неё те или иные изделия. Варка стекла производится в стекловаренных печах. Выбор того или иного типа печи обусловливается видом применяемого топлива, ассортиментом вырабатываемых изделий, размерами производства и прочее. Управление современной стекловаренной печью строго контролируется и в значительной мере автоматизировано. Контроль доведён до высокой степени точности. Например, давление (разрежение) газов в рабочем пространстве печи измеряется с точностью до 0,02 мм водяного столба, уровень стекломассы — с точностью до 0,1 мм и т. д. Автоматически регулируются: давление (тяга) в печи; соотношение газообразного или жидкого топлива и воздуха; количество подаваемого в печь топлива; уровень стекломассы в ванне и другие параметры. Каждый из них влияет на температуру в печи, поэтому, регулируя их в совокупности, можно обеспечить постоянство температурного режима варки стекломассы и, следовательно, надлежащее её качество.
Процесс варки стекла некоторых видов, например оптического, кварцевого, стеклянного волокна, отличается специфическими особенностями. Так, при производстве оптического стекла, к которому предъявляются особо жёсткие требования в отношении постоянства оптических свойств, однородности, прозрачности и прочее, требуется на всех стадиях варки длительное размешивание массы. В связи с очень большой её вязкостью и применением высоких температур своеобразна техника варки кварцевого стекла. Прозрачное кварцевое стекло изготовляется из горного хрусталя в графитовых тиглях, разогреваемых под вакуумом до 1900°—2000° индукционными токами высокой частоты, либо прямым пропусканием электрического тока (электропроводность стекла значительно возрастает при повышении температуры). В конце варки в печь впускают воздух под атмосферным или повышенным (от компрессора) давлением. Другой способ варки этого стекла— сплавление кварцевого порошка в пламени кислородно-водородной горелки. Непрозрачное кварцевое стекло получается путём оплавления кварцевого песка на угольном или графитовом стержне, разогретом электрическим током до 1800°.
Формование (иначе —выработка) стеклянных изделий из стекломассы на протяжении тысячелетий производилось вручную. Значительно эффективнее ручного машинное формование. В зависимости от вида вырабатываемых изделий на практике используют несколько способов формования. Прессование применяется в производстве некоторых видов посудных изделий (чайные стаканы, пивные кружки, маслёнки, сахарницы и т. п.), стеклянной тары, архитектурных деталей и др. Оно может быть как ручным, так и машинным. Для ручного прессования служат пружинные или эксцентриковые прессы. Как ни разнообразны конструкции ручных и машинных прессов, все они имеют три основные формующие детали: форму (матрицу) с поддоном, пуансон и съёмное формовое кольцо. Первая деталь определяет внешнюю форму изделия, вторая внутреннюю, третья край изделия. Выдувание—специфический метод формования, применяемый в технике только к стеклу. Возможности этого метода весьма широки: производство сортовой (столовой) посуды, узкогорлой тары, электровакуумных изделий и т. д. При производстве немассовых изделий до сих пор применяется ручной способ выдувания. Основным инструментом рабочего выдувальщика является стеклодувная трубка. В течение долгой истории стеклоделия выдувание производилось ртом, ныне сконструированы и применяются «трубки-самодувки». Прессовыдувание применяется в машинном производстве широкогорлой стеклянной тары (банки различных типов). Предварительная заготовка и формование горла изделия производятся при этом способе прессованием (в черновой форме), а остальная часть изделия — выдуванием (в чистовой форме). Вытягивание изделий из стекломассы, как и выдувание, — своеобразный метод формования, применимый только к таким весьма вязким материалам, как стекло, притом с вязкостью, быстро возрастающей при понижении температуры. Методом вытягивания на различных машинах (разными способами) изготовляются: оконное и техническое листовое стекло, стеклянные дроты (трубки малого диаметра), трубы, стержни, стеклянное волокно. Прокатка стекла в её современном виде заключается в том, что струя стекломассы непрерывно поступает из печи в пространство между вращающимися вальцами, где и прокатывается в ленту, убираемую транспортёром. Методом непрерывной прокатки изготовляется листовое сткло, различных видов, преимущественно строительное, толщиной в 3 мм и больше: армированное (стекло с закатанной в него металлической сеткой), узорчатое, волнистое (имеющее форму кровельного шифера) и др. Прокатка применяется также в производстве стеклянных труб: стекломасса непрерывно поступает на вращающийся вал и развальцовывается двумя роликами; внутренний диаметр трубы определяется диаметром формующего вала. Отливка стеклянных изделий в формы встречается на практике редко; так изготовляются, например, крупные диски для астрономических приборов. Ведутся опыты по отливке фасонных труб с раструбами и фланцами в быстро вращающиеся формы (способ центробежного литья). Моллирование— способ образования изделий в формах, при подаче в них стекла в виде твёрдых кусков. В результате постепенного нагревания стекла становится вязким и заполняет форму под действием либо собственного веса, либо внешнего усилия (прессование). Моллированием формуются заготовки из оптического стекла и крупная стеклянная скульптура.
Отжиг отформованных, еще горячих изделий служит для предотвращения возникновения в них внутренних неравномерных напряжении, появляющихся при быстром охлаждении на воздухе и вызывающих самопроизвольное растрескивание стекла. Отжиг сводится к выдерживанию изделий в течение некоторого времени при температуре, близкой к температуре размягчения стекла, и к последующему медленному охлаждению их по определённому режиму. Отжиг производится в отжигательных печах непрерывного или периодич. действия. Длительность отжига определяется толщиной (массивностью) изделий до нескольких месяцев (астрономич, объективы). Не требуют отжига только некоторые тонкостенные изделия, например дроты, колбы (оболочки) для электрич, ламп и т. п.
Закалка стекла— операция, обратная отжигу. Её назначение — создать в изделиях сильные равномерно распределённые напряжения. Закалённые изделия термически и механически гораздо более прочны, чем отожжённые. В результате закалки получается небьющееся стекло, применяемое для остекления окон вагонов, автомобилей, самолётов и т. п. Чтобы закалить листовое стекло, его предварительно разогревают до 600°—650°, затем быстро охлаждают в обдувочной решётке путём равномерного обдувания воздухом.
Обработка (иначе —отделка) отформованных стеклянных изделий может быть разделена на горячую (огневую), холодную (механическую) и химическую, которые применяются в отдельности либо во взаимном сочетании.
Горячая обработка стекла включает отколку, отопку, огневую полировку и другие операции, требующие нагревания изделий. Отколка колпачков («набелей»), образующихся на выдувных изделиях после выработки в форме, производится посредством надреза алмазом и последующего прогрева изделия у надреза узким пламенем горелки; колпачок отскакивает , по линии надреза, после чего острые края шлифуются или подвергаются оплавлению ручную, с помощью горелки, или на машинах периодического либо непрерывного действия. Огневая полировка (оплавление поверхности изделий) обычно производится вручную.
К холодной обработке стекла относятся его резка, (сверление, шлифовка и полировка. Последние две операции придают стеклу ровную и гладкую поверхность. {Шлифовка—сначала грубая (обдирка), затем тонкая (дистировка) — осуществляется с помощью (абразивов и даёт матовую поверхность изделий. Полировка (обычно крокусом) сглаживает микро неровности поверхности, остающиеся после шлифовки, и придаёт стеклу прозрачность и блеск. В производство листового стекла шлифовка и полировка выполняются на одинаковых станках (ручных или конвейерных), только при шлифовке применяется {металлический плоский диск, а при полировке — {мягкий (например, суконный) полировальник. При массовом поточном производстве автоматические шлифовка и полировка осуществляются на конвейерных линиях, производительность которых определяется сотнями тысяч квадратных метров листового стекла в год. Шлифовка применяется также для нанесения матовых узоров на поверхность стеклянных изделий с помощью пескоструйных аппаратов и для образования на изделиях алмазных граней. Химическая обработка применяется для получения при кислотной полировке, клеймении, художественно-декоративной отделке стеклянных изделий. Распространённым методом химической обработки является травление стекла азотобразным фтористым водородом или растворами плавиковой кислоты и её солей. Взаимодейтвие фтористых соединений со стеклом приводит к образованию нерастворимых и малорастворимых химических соединений, и поверхность изделия становится матовой. При травлении слабыми растворами плавиковой кислоты в смеси с концентрированной серной кислотой на поверхности стекла происходит равномерное образование растворимых соединений, и она становится гладкой и блестящей (кислотная полировка). Для нанесения на изделия методом травления рисунков применяют специальные машины — пантографы, резец которых вычерчивает рисунок на предварительно нанесённом на изделие защитном кислотоупорном слое, снимая его; после этого изделие погружают в ванну с раствором кислоты, которая протравливает стекло в местах, где оно обнажено резцом. Обработкой парами хлористого олова в сочетании с другими солями получают ирризирующие стекла, поверхность которых похожа на перламутр; при комбинированном прогреве слабо окрашенного стекла с молочным стеклом и последующем травлении плавиковой кислотой получают атласные стекла и т.д.
Старинным способом украшения посуды является живопись по стеклу путём нанесения на него муфельных красок (смеси легкоплавкой глазури и минеральных красок) с последующим обжигом. Для художественной отделки стекла на него наносят также различными способами тончайшие плёнки золота и серебра. Основой химических способов золочения и серебрения стекла является осаждение на поверхности изделий коллоидно-дисперсных частиц металла при его восстановлении из растворов солей. Серебрение, а также алюминирование широко применяются в производстве зеркал.
Химический состав стекла.
Схема строения стекла.
Карбонат кальция, подобно соде, при сплавлении с пес ком взаимодействует с ним, образуя силикат кальция и двуокись углерода. При сплавлении с избытком песка смеси карбонатов натрия и кальция получают переохлажденный взаимный раствор полисиликатов кальция и натрия; это и есть обыкновенное оконное стекло. Главное свойство всякого стекла заключается в том, что оно переходит из жидкого в твердое состояние не скачком, а загустевает по мере остывания постепенно вплоть до полного затвердевания. Стекло — аморфное вещество. Аморфные вещества отличаются от кристаллических тем, что атомы в них не образуют кристаллической решетки. Однако известная упорядоченность расположения атомов существует и в стеклах. Для плавленого кварца и силикатных стекол остаются в силе общие законы кристаллохимии силикатов; каждый атом кремния в них тетраэдрически окружен четырьмя атомами кислорода, но эти тетраэдры сочетаются друг с другом беспорядочно, образуя непрерывную пространственную сетку, в пустотах которой тоже беспорядочно располагаются ионы металлов (рис). Благодаря этому один «микроучасток» стекольной массы отличен по атомному строению от другого, соседствующего с ним. Этим и объясняется отсутствие у стекла постоянной точки плавления, постепенность перехода его из твердого в жидкое состояние и обратно.
Как материал стекло широко используется в различии областях народного хозяйства, В соответствии с назначением известны разнообразные виды стекла: оконное посудное, тарное, химико-лабораторное, термическое, жаростойкое, строительное, оптическое, электровакуумное и многочисленные другие вид стекла технического. В пределах каждого вид стекла имеются самые разнообразные его сорта. В зависмости от условий службы каждого вида и сорта стеклу предъявляются определённые требования в отношении свойств, сформулированные в соответствующих стандартах и технических условиях. Физико-химические свойства стекла определяются главным образом его составом В таблице приводится примерный химический состав некоторых промышленных стекол.
Примерный химический состав некоторых промышленных стекол (в %)
|
Вид стекла |
||||||||||||
|
Оконное ............ |
||||||||||||
|
Посудное ............. |
||||||||||||
|
Зеркальное ........... |
||||||||||||
|
Парфюмерное .......... |
||||||||||||
|
Бутылочное ........... |
||||||||||||
|
Хрусталь ............ |
||||||||||||
|
Полухрусталь ......... |
||||||||||||
|
Химико-лабораторное ..... |
||||||||||||
|
Термостойкое типа |
||||||||||||
|
Опаловое ............ |
||||||||||||
|
Термометрическое |
||||||||||||
|
Электровакуумное ....... |
||||||||||||
|
Стеклянное волокно...... |
При детальном исследовании стекла изучаются, в зависимости от технических условий, следующие его физико-химические свойства: вязкость, поверхностное натя жение, внутренние напряжения, температура раэмягчения, удельный вес, предел прочности на сжа тие, разрыв и изгиб, твёрдость, модуль упругоси, газопроницаемость, термическое расширение, теплоём кость, теплопроводность, электропроводность, диэлектрические потери, по казатель преломления, спектральные характеристики в видимой и невидимой части спектра, химическая стойкость, кристаллиза ционная способность и другие. Прочность на разрыв зависит от толщины стекла и от термической его обработки. Наибольшей теплопроводностью отличается прозрач ное кварцевое стекло.
СТЕКЛО ОПТИЧЕСКОЕ — прозрачное стекло любого химического состава, обладающее высокой стептнью однородности. Содержат 46,4% РЬО, 47,0% Si0 и другие оксиды; кроны — 72% SiO щелочные и другие оксиды.
Оптическое стекло применяется для изготовления линз, призм, кювет и др. Стекло для оптических приборов изготовлялось уже в 18 веке, однако возникновения собственно производства оптического стекла относится к началу 19 века, когда швейцарским учёным П. Гинаном был изобретён способ механического размешивания стекломас сы во время варки и охлаждения — круговым движе нием глиняного стержня, вертикально погруженного в стекло. Этот приём, сохранившийся до настоящего времени, позволил получить стекло высокой степени однородности. Производство оптического стекла получило дальней шее развитие благодаря совместным работам немецких учёных Э. Аббе и Ф. О. Шотта, в результате которых в 1886 возник известный стекольный завод товарище ства Шотт в Иене (Германия), впервые выпустивший огромное многообразие современных оптическиъх стекол. До 1914 производство оптического стекла существовало только в Англии, Франции и Германии. В России начало производства оптического стекла относится к 1916. Оно достигло большого развития только после Великой Октябрь ской социалистической революции благодаря рабо там советских учёных Д. С. Рождественского, И. В. Гребенщикова, Г. Ю. Жуковского, Н. Н. Качалова и др.
Основное требование, предъявляемое к оптическому стеклу— это высокая степень однородности. Отсутствие одно родности вызывает отклонение лучей света от их правильного пути, что делает стекло негодным для его прямого назначения. Однородность оптического стекла нару шается причинами химического и физического порядка. Хими ческая неоднородность обусловлена местными из менениями химического состава и устраняется размешиванием оптического стекла в процессе варки. Физическая неодно родность вызывается напряжениями, возникающими в процессе охлаждения оптического стекла, и устраняется тщатель ным отжигом. Оптическое стекло должно иметь определённые оптические свойства— точные величины показателей преломления для лучей различных длин волн. Боль шой ассортимент оптического стекла с различными показателями преломления и средней дисперсией имеет огромное значение при расчёте и конструировании оптич. систем для снижения их дефектов, в частности для уничтожения вредного влияния вторичного спектра и исправления качества изображения.
Оптические свойства стекла зависят от его химического состава. Разнообразным сочетанием окислов удаётся получить стекло с требуемыми значениями оптических постоянных. Некоторые сорта оптического стекла, например, не содер жат кремнезёма (основного составляющего любого стекла), другие содержат обычно применяемые окислители, но в чрезвычайно больших количествах. Прозрачность оптического стекла должна быть высокой, порядка 90—97% на 100 мм пути луча в стекле. Оптическое стекло должно быть химически устойчивым по отношению к действию влажной ат мосферы и к действию слабых кислот, характери зующему «пятнимость» их, т. е. чувствительность к прикосновению рук.
Для производства оптического стекла применяются такие же сырьевые материалы, как и для других типов стекол. Однако требования к чистоте сырья весьма высоки. Особенно вредными примесями являются соединения железа и хрома, окрашивающие стекло и увеличивающие его светопоглощепие. Варка оптического стекла производится в одно-, двухгоршковых печах. Важ нейшая операция в производстве оптического стекла— размешивание стекла в процессе варки и особенно в процессе охлаждения. Для разделки оптического стекла применяются три способа:
2) отливка стекло массы в железную форму;
3) прокатка в лист отлитой на стол стекломассы.
Оптические стекла выпускаются стекло варенными заводами в виде прямоугольных кусков различных размеров «плитки» и в виде заготовок — «прессовки» (линзы, призмы).
К оптическим стеклам можно отнести также и специально окра шенные цветные стекла, применяемые для изготов ления точных светофильтров, которые в виде плоско-параллельных пластин часто применяются в оптических приборах и служат для изменения спек трального состава проходящего через них света. Эти цветные стекла изготовляются на заводах оптического стекла теми же приёмами, что и оптическое стекло.
СТЕКЛО СТРОИТЕЛЬНОЕ — изделия из стекла, применяемые в строительстве. Строительное стекло служит для стекления световых проёмов, устройства прозрач ных и полупрозрачных перегородок, облицовки и отделки стен, лестниц и других частей зданий. К строительным стеклам, относят также тепло- и звукоизоляционные материалы из стекла (пеностекло и стеклянная вата), стеклянные трубы для скрытой электропро водки, водопровода, канализации и других целей, архитектурные детали, элементы стекложелезобетонных перекрытий и т. д. Большая часть ассор тимента строительного стекала служит для остекления световых проё мов: листовое оконное стекло, зеркальное, рифлё ное, армированное, узорчатое, двухслойное, пусто телые блоки и др. Тот же ассортимент стекла может быть использован и для устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок.
Листовое оконное стекло, наиболее широко применяемое в строительстве, вырабаты вается из расплавленной стекломассы, главным образом вер тикальным или горизонтальным непрерывным вытя гиванием ленты, от которой по мере её охлаждения и затвердевания отрезаются от одного конца листы требуемых размеров. Существен ным недостатком листового оконного стекла являет ся наличие некоторой волнистости, искажающей пред меты, просматриваемые через него (в особенности под острым углом).
Зеркальное стекло обрабатывается шлифованием и полировкой с обеих сторон, благо даря чему оно обладает минимальными оптическим искажениями. Современный наиболее распростра нённый способ производства зеркального стекла состоит в горизонтальной непрерывной прокатке стекломассы между двумя валами, отжиге отформо ванной ленты в туннельной печи, шлифовке и поли ровке на механизированных и автоматизированных конвейерных установках. Зеркальное стекло изго товляется толщиной от 4 мм и выше (в особых слу чаях — до 40 мм), для варки его применяют высоко качественные материалы, поэтому оно обладает и более высоким светопропусканием, чем обычное оконное стекло; применяется главным образом для остекления окон и дверей в общественных зданиях, витрин и для изготовле ния зеркал; механические свойства мало отличаются от механических свойств оконного стекла.
Прокатное узорчатое стекло имеет узорчатую поверхность, получаемую путём про катки между двумя валками, один из которых рифлё ный; вырабатывается как бесцветное, так и цветное; применяется в тех случаях, когда требуется полу чить рассеянный свет.
Узорчатое стекло с матовыми или «морозным» рисунком применяется для внутренних перегородок, дверных филёнок и осте кления лестничных клеток; изготовляется путём обработки поверхности оконного или зеркального стекла. Матовый рисунок получается обработкой поверхности струей песка под шаблон. Рисунок, напоминающий морозный узор на стекле, получают нанесением на поверхность слоя животного клея, который в процессе сушки отрывается вместе с верх ними слоями стекла.
Армированное стекло содержит в тол ще своей проволочную сетку; оно более прочно, чем обычное; при разбивании ударами или растрескивании во время пожара осколки его рассыпаются, будучи связанными арматурой; поэтому армирован ное стекло применяют для остекления фонарей промышленных и общественных зданий, кабин подъёмников, лестничных клеток, проёмов противопожарных стен. Вырабатывается методом непре рывного проката между валками с закаткой про волочной сетки, сматываемой с отдельного бара бана. Волнистое армированное стекло, по форме напоминающее волнистые асбестоцементные листы, применяется для устройства перегородок, фонарей, перекрытия стеклянных галлерей и пассажей.
Сдвоенные (пакетные) стекла с воз душной или светорасссивающей прослойкой (например, из стеклянного волокна) обладают хорошими теп лоизоляционными свойствами; изготовляются путём склейки 2 оконных стекол с прокладной рамкой. Тол щина сдвоенных стекол с воздушной прослойкой 12—15 мм.
Пустотелые стеклянные блоки изготовляются путём прессования и последующей сварки двух стеклянных полукоробок; применяются для заполнения световых проёмов, главным образом в промышленных зданиях; обеспечивают хорошую осве щённость рабочих мест и обладают высокими тепло изоляционными свойствами. Укладка блоков в проёмы производится на строительном растворе в виде панелей, перевязанных металлич. переплё тами.
Облицовочное стекло (марблит) пред ставляет собой непрозрачное цветное листовое стекло. Изготовляется путём периодической прокатки стекломассы на литейном столе с последующим от жигом в туннельных печах. Применяется для от делки фасадов и интерьеров жилых и общественных зданий. К облицовочному стеклу относится также цветное металлизированное стекло.
СТЕКЛО КВАРЦЕВОЕ — содержит не менее 99% SiO- (кварца). Кварцевое стекло выплав ляют при температуре более 1700° С из самых чистых разновидностей кристал лического кварца, горного хрусталя, жильного кварца или чистых кварцевых песков. Кварцевое стекло пропускает ультрафиолето вые лучи, имеет очень высокую темпера туру плавления, благодаря небольшому коэффициенту расширения выдерживает резкое изменение температур, стойкое по отношению к воде и кислотам. Кварцевое стекло применяют для изготовления лаборатор ной посуды, тиглей, оптических прибо ров, изоляционных материалов, ртутных ламп («горное солнце»), применяемых в медицине и др.
СТЕКЛО ОРГАНИЧЕСКОЕ (плекси глас) — прозрачная бесцветная пласти ческая масса, образующаяся при полиме ризации метилового эфира метакриловой кислоты. Лег ко поддается механической обработке. Применяется как листовое стекло в авиа- и машиностроении, для изготовления бытовых изделий, средств защиты в ла бораториях и др.
СТЕКЛО РАСТВОРИМОЕ — смесь си ликатов натрия и калия (или только натрия), водные растворы которых назы ваются жидким стеклом. Растворимое стекло применяют для изготовления кислотоупорных цемен тов и бетонов, для пропитки тканей, изго товления огнезащитных красок, силика-геля, для укрепления слабых грунтов, канцелярского клея и др.
СТЕКЛО ХИМИКО-ЛАБОРАТОР НОЕ — стекло, обладающее высокой хи мической и термической стойкостью. Для повышения этих свойств в состав стекла вводят оксиды цинка и бора.
СТЕКЛОВОЛОКНО — искусственное волокно строго цилиндрической формы с гладкой поверхностью, получаемое вы тягиванием или расчленением расплав ленного стекла. Широко применяется в химической промышленности для фильтрации горячих кислых и щелочных растворов, очистки горячего воздуха и газов, изготовления сальниковых наби вок в кислотных насосах, армирования стеклопластиков и др.