Стекло: что такое, виды, технология производства, свойства, назначение

Стекло – это материал, по некоторым свойствам не имеющий аналогов. До сих пор для его производства используются натуральные ингредиенты, повторная переработка испорченного изделия может происходить неоднократно без потери качества и почти без отходов.

Определение

Стекло может находиться в нескольких агрегатных состояниях на разных этапах производства. И все же, стекло – что такое и из чего его делают?

Согласно научному определению, стеклом является всякое аморфное тело, полученное методом расплава, которое при увеличении вязкости приобретает свойства твердого тела. При этом процесс перехода из одного состояния в другое является обратимым.

История материала

В повседневной жизни мы ежедневно используем стекло. Что такое и из чего его делают – это редко задаваемые в современности вопросы, настолько нам привычен материал. Ученые считают, что стекло впервые было получено случайно, проследить зарождение технологии невозможно. Первые изделия датируются примерно 2540 годом до нашей эры. В древней рецептуре присутствовали три компонента – сода, песок и глинозем. В дальнейшем научились улучшать свойства материала, добавляя к основным ингредиентам мел, доломит и другие составляющие. Весь состав, из которого варится стекло, называется шихта.

Цветное стекло начали получать, используя природные пигменты – окиси хрома, оксид никеля, кобальтовые добавки. Первое формованное изделие было получено в 1-м веке нашей эры римскими мастерами. Они же изобрели листовое стекло. Технология производства стекла в листах состояла в выдувании огромного, в человеческий рост цилиндрического пузыря из горячей массы. Пока она не остыла, ее разрезали вдоль длинной части и раскладывали на поддонах для выравнивания. Такая техника была распространена повсеместно до начала 20-го века. В России стекольное производство было открыто в 17-м веке и располагалось в селе Духанине, мастерами в то время были только иностранцы.

Состав

Для множества целей используется стекло. Что такое стекло, мы уяснили, а что представляют собой его основные ингредиенты? Состав исходных ингредиентов за весь период практики изготовления материала практически не изменился. Три основных компонента составляют основу (шихту) – это кремнезем или кварцевый песок, сода (оксид натрия) и оксид кальция, известный под названием известь. Составляющие соединяются в определенных пропорциях и плавятся в печи при температуре от 300 до 2500 °С. В состав шихты, в зависимости от желаемых свойств, добавляются поташ, борный ангидрид, битое стекло предыдущих варок или сырье вторичной переработки.

Технология

Для усиления или ослабления свойств соединений в процесс плавки добавляют усилители, глушители, красители, обесцвечиватели и т. д. После варки массу быстро охлаждают, что позволяет избежать образования кристаллов. Из всех составляющих самый большой процент в рецептуре занимает песок - от 60 до 80%. Песок выступает остовом, вокруг которого формируется стекловидный материал. Технология производства стекла остается неизменной в течение столетий.

Известь является еще одним компонентом, без которого не производится стекло. Что такое оксид кальция в составе ингредиентов? Эта составляющая придает материалу химическую устойчивость и усиливает блеск. Стекло можно выплавить лишь из песка и соды, но без извести оно растворится в воде. Третьим игроком в составе шихты является оксид металла - натрия или калия (до 17%). В смесь вводится в виде кальцинированной соды или поташа. Эти составляющие уменьшают температуру плавления, позволяя отдельным песчинкам полностью расплавиться и соединиться в монолит.

Виды

В зависимости от используемых компонентов в составе шихты, разделяют виды стекла:

• Кварцевое. Изготавливается из одного компонента – кремнезема. Обладает высокими качествами: устойчиво к высокой температуре (до 1000 °С) и термоудару, пропускает видимый и ультрафиолетовый спектр излучения. Производство связано с высокими энергетическими затратами, поскольку кремнезем (силикатное стекло) - тугоплавкое сырье и плохо поддается формовке. Основные сферы применения – химическая и лабораторная посуда, части оптических систем, ртутные лампы и пр.
• Натриево-силикатное. Изготавливается из двух компонентов, состав стекла – силикатный песок и сода (1:3). По своим свойствам имеет широкое применение в промышленности в качестве компонента какого-либо процесса, но не применяется в других сферах, изделия из него не изготавливаются. Основной недостаток – растворяется в воде.
• Известковое. Самый распространенный вид материала, из которого производится большинство изделий – листовое стекло, стеклотара, зеркальное полотно, посуда и многое другое.
• Свинцовое. В классический состав стекла (шихты) пропорционально добавляется оксид свинца. Свинцовое стекло отличается повышенными диэлектрическими свойствами, что позволяет использовать его в качестве лучшего изолирующего состава в телевизионных трубках, осциллографах, конденсаторах и пр. Наличие свинца в стеклянной массе придает материалу дополнительный блеск, сверкание, что часто используется при изготовлении художественных изделий, посуды и т. д. Хрусталь – один из видов свинцового стекла.
• Боросиликатное. Добавка оксида бора в состав материала увеличивает его устойчивость к термическому удару до 5 раз, существенно улучшаются химические свойства. Боросиликатное стекло используется для изготовления труб и лабораторно-химической посуды, изделий для бытовых нужд. Масштабным примером использования служит зеркало, созданное на основе боросиликатного стекла для крупнейшего в мире телескопа.
• Прочие виды стекла – алюмосиликатные, боратные, цветные и др.

Виды оконных стекол

Оконное стекло самый востребованный вид материала. Оно пропускает солнечный свет, осуществляет теплоизоляцию зимой и летом, препятствует проникновению шума, эстетически оформляет оконный проем и выполняет еще множество функций. На сегодняшний день существует широкий выбор видов стекла, каждый из которых отвечает определенным требованиям:

• Энергосберегающее. Вид стекла, тонированного в массе или покрытого специальной пленкой, которая обеспечивает проникновение в помещение коротковолнового солнечного излучения, а длинноволновое излучение отопительных приборов из помещения не выпускается. Второе название – селективное стекло. На сегодняшний день разработано несколько типов покрытий. Наиболее перспективными являются – К-стекло (нанесение окислов металлов на поверхность) и i-стекло (вакуумное многослойное напыление серебра - диэлектрика).
• Солнцезащитное. Снижает пропускание солнечного света в помещение. Разделяют на два вида – отражающее и поглощающее. Эффект достигается либо тонировкой стекла в массе при варке, либо нанесением специальной пленки на поверхность.
• Декоративное. Оконное стекло с дополнительными эстетическими характеристиками – узорчатое, цветное и т. д.

Безопасные стекла

Одним из отрицательных качеств стекла является его хрупкость, существуют технологии упрочнения материала. Самые распространенные виды:

• Армированное. Листовое стекло, при формовке которого в массу внедряется металлическая сетка. Сфера применения – производственные помещения, уличные осветительные приборы, облицовка лифтовых шахт и т. п.
• Ламинированное или триплекс. Два или больше стекол скрепляются между собой специальной пленкой или жидкостью. Этот вид материала существенно снижает уровень шума в помещениях. Также при использовании дополнительных цветофильтров при ламинации способно выполнять солнцезащитные функции. Триплекс обладает повышенной механической устойчивостью, при разбивании полотна осколки остаются прикрепленными к пленке, что делает его максимально безопасным для применения при фасадном, балконном, оконном, дверном остеклении.
• Огнестойкое. Чаще всего производится по технологии ламинации специальными пленками, которые при температуре свыше 120 °С меняют свои физические свойства и, расширяясь, становятся матовыми, придавая стеклу жесткость.
• Защитное. Представляет собой многослойный материал, состоящий из нескольких видов стекла, скрепленного полимерной пленкой. Например, силикатное стекло скрепляется с поликарбонатом и органическим стеклом. Такой светопрозрачный блок устойчив к механическим, химическим, ударным повреждениям. К защитным видам стекла относятся пулестойкое, ударостойкое, устойчивое к пробиванию и другие типы. Технические требования к материалу и классификация защитных стекол регулируются ГОСТом Р 51136.
• Закаленное. Обладает высокими прочностными характеристиками. Эффект обеспечивает технология производства стекла - в специальной тоннельной печи листы краткосрочно подвергаются воздействию высокой температуры и быстро охлаждаются. При разбивании закаленное стекло рассыпается на мелкие осколки, не несущие угрозы жизни и здоровью. Недостатком является невозможность механической обработки закаленного полотна, при малейшем воздействии оно разрушается. Большинство изделий из закаленного стекла сначала формуются, режутся или обрабатываются иным способом и только после этого проходят закалку.

Автостекло

Стекла для автомобилей обладают повышенными прочностными характеристиками, отвечающими требованиям безопасности. На сегодняшний день при производстве используются две технологии – ламинация (триплекс) и закаливание (сталинит):

• Закаленное получают термической обработкой обычного силикатного стекла, разогревая его в печи до температуры +600 °С с последующим быстрым охлаждением. Оно приобретает механическую и термическую прочность, но при сильных ударах разрушается, распадаясь на мелкие безопасные осколки, у которых отсутствуют режущие и колющие кромки. Российская маркировка – буква «З», европейская – «Т» или Tempered.
• Ламинированное – это два тонких листовых стекла, скрепленных полимерной пленкой под действием температуры и вакуума. Свойства стекла таковы, что оно остается целостным при сильных воздействиях, не распадается на осколки, если лопнуло. Части остаются скрепленными пленкой. У триплекса есть дополнительные возможности – тонировка цветофильтрами в процессе ламинации, дополнительная шумоизоляция салона, низкая теплопроводность и пр.

Современные разработки

Двадцатый век можно назвать временем широкого применения стекла. После разработки технологии механических способов получения материала его стали применять в самых разных областях - в качестве тончайшего волокна в сферах телекоммуникаций, с не меньшим успехом используется большими многотонными блоками в строительных технологиях.

Свойства стекла многообразны, их до сих пор продолжают изучать в научных институтах, а умельцы находят новые способы применения и изобретают новые виды. В 1940 году стеклоделы представили миру пеностекло. Его качествами является:

• Легкость - не тонет в воде, имеет ячеистую структуру, удельный вес немного превышает вес пробки.
• Влагоустойчивость, долговечность.
• Экологичность (в классический рецепт шихты добавлен кокс).
• Пожаробезопасен (не горит) и заглушает огонь.
• Материал можно распиливать на куски без ущерба для качества.

Сферой применения стали изоляционные материалы для опасных производств, холодильных камер и пр.

Для солнечных батарей используют стекло с проводящим покрытием из тонкого слоя оксида металлов. Панели с покрытием работают при температурах около 350 °С. Кроме того, такое стекло монтируют в кабины самолетов, чтобы избежать наледи и сохранить тепло внутри кабины.

Важным достижением современности стала возможность производства стеклокерамики. Материал изготавливается по технологии обычного стекла, но на последнем этапе охлаждения процесс замедляется, и происходит кристаллизация в массе материала. Катализаторами служат специальные добавки, которые никак не влияют на внешнее состояние стекла, но образуют мелкие кристаллы. Материал без деформации выдерживает высокие температуры и более устойчив ко всем видам повреждений. Используется в ракетостроении, бытовой технике, лабораториях, частях двигателя и во многих других областях.