Стекло

С   т   е   к   л   о

Стекло — прозрачный для видимого человеком спектра электромагнитных волн материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, — универсальный в практике человека. Физико-химически — неорганическое вещество, твёрдое тело, структурно — аморфно.

Методы исследования

Строго говоря, экспериментальные методы исследования строения стёкол насчитывают менее  ста лет, поскольку к таковым  во всей полноте представления о  структуре стекла можно отнести  только методику рентгенографического анализа, действительно, дающую реальную картину строения вещества.                                                В числе первых, кто начал использовать рассеяние рентгеновского излучения для анализа строения стёкол, были ученики академика А. А. Лебедева, который ещё в 1921 году выдвинул так называемую «кристаллитную» гипотезу строения стекла, а в начале 1930-х годов с целью исследования названным методом — первым же в СССР организовал в своей лаборатории группу — во главе с Е. А. Порай-Кошицем и Н. Н. Валенковым.

Свойства  стекла

Существует  и в природной форме, в виде минералов (обсидиан — вулканическое  стекло), но в практике — чаще всего, как продукт стеклоделия —  одной из древнейших технологий в  материальной культуре. Структурно —  аморфное вещество, агрегатно относящееся к разряду — твёрдое тело.

Независимо от их химического  состава и температурной области  затвердевания, стекло обладает физико-механическими  свойствами твёрдого тела, сохраняя способность  обратимого перехода из жидкого состояния  в стеклообразное.

Стёкла образуются в результате переохлаждения расплавов со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации. Благодаря этому  стёкла обычно длительное время сохраняют  аморфное состояние. Неорганические расплавы, способные образовать стеклофазу, переходят в стеклообразное состояние при температурах ниже температуры стеклования.                                                                       В настоящее время разработаны материалы широкого диапазона применения, чему служат и присущие изначально (например, прозрачность, отражательная способность, стойкость к агрессивным средам, красота и многие другие) и не свойственные ранее стеклу — синтезированные его качества (например — жаростойкость, прочность, биоактивность, управляемая электропроводность и т. д.).   Различные виды стёкол используется во всех сферах человеческой деятельности: от строительства, изобразительного искусства, оптики, медицины — до измерительной техники, высоких технологий и космонавтики, авиации и военной техники. Изучается физической химией и другими смежными и самостоятельными дисциплинами.   Стекло может быть получено путём охлаждения расплавов без кристаллизации.  Практически любое вещество из расплавленного состояния может быть переведено в стеклообразное состояние. Некоторые расплавы (как то — отдельных стеклообразующих веществ) не требуют для этого быстрого охлаждения. Однако некоторые вещества (такие как металлосодержащие расплавы) требуют очень быстрого охлаждения, чтобы избежать кристаллизации. Так, для получения металлических стёкол необходимы скорости охлаждения 100000—1000000 К/с. Стекло может быть получено также путём аморфизации кристаллических веществ, например бомбардировкой пучком ионов, или при осаждении паров на охлаждаемые подложки. Вязкость аморфных веществ — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества. Обычно расплавы стеклообразующих веществ имеют высокую вязкость по сравнению с расплавами не стеклообразующих веществ.                                                                                                          Присутствие в составе стекла соединений того или иного химического элемента, например оксида металла, может влиять на его окраску, степень электропроводности, и другие физические и химические свойства.

В твёрдом состоянии силикатные стёкла весьма устойчивы к обычным  реагентам (за исключением плавиковой кислоты), и к действию атмосферных  факторов. На этом свойстве основано их широчайшее применение: для изготовления предметов быта, оконных стёкол, стёкол для транспорта, стеклоблоков и многих других строительных материалов, предметов медицинского, лабораторного, научно-исследовательского назначения.

Для специальных целей  выпускают химически-стойкое стекло, а также стекло, стойкое к тем  или иным видам агрессивных воздействий.

Улучшение свойств стекла

Основной недостаток обычных стёкол — хрупкость. Для  того, чтобы расширить сферу применения стекла, его подвергают закалке (закалённое стекло), армированию, создают многослойные композиты (триплекс).

Стеклообразующие вещества

К стеклообразующим веществам относятся:                                          

Оксиды:

SiO2

B2O3

P2O5

GeO2                                                                                                                                                 

Фториды:                    

AlF3

Виды стекол

В зависимости от основного  используемого стеклообразующего  вещества, стекла бывают оксидными (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные),   фторидными, сульфидными и т. д.

Базовый метод  получения силикатного стекла заключается  в плавлении смеси кварцевого песка (SiO2), соды (Na2CO3) и извести (CaO). В  результате получается химический комплекс с составом Na2O*CaO*6SiO2. Кварцевое стекло получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты (обычно кварцит, горный хрусталь), его химическая формула — SiO2. Кварцевое стекло может быть также природного происхождения, образующееся при попадании молнии в залежи кварцевого песка.

Кварцевое стекло характеризуется весьма малым коэффициентом температурного расширения и потому его иногда используют в качестве материала для деталей точной механики, размеры которых не должны меняться при изменении температуры. Примером служит использование кварцевого стекла в точных маятниковых часах.

Оптическое стекло — применяют для изготовления линз, призм, кювет и др.

Химико-лабораторное стекло — стекло, обладающее высокой химической и термической устойчивостью.

Основные  промышленные виды стекла

В качестве главной  составной части в стекле содержится 70—75 % двуокиси кремния (SiO2), получаемой из кварцевого песка при условии соответствующей грануляции и свободы от всяких загрязнений. Венецианцы для этого применяли чистый песок из реки По или даже завозили его из Истрии, тогда как богемские стеклоделы получали песок из чистого кварца.                                                                                                                  Второй компонент — окись кальция (CaO) — делает стекло химически стойким и усиливает его блеск. На стекло она идёт в виде извести. Древние египтяне получали её из щебня морских раковин, а в средние века она приготовлялась из золы деревьев или морских водорослей, так как известняк в качестве сырья для приготовления стекла был ещё не известен. Первым подмешивать к стеклянной массе мел, как тогда назывался известняк, стали богемские стеклоделы в XVII веке.                                        Следующей составной частью стекла являются оксиды щелочных металлов — натрия (Na2O) или калия (K2O), нужные для плавки и выделки стекла. Их доля составляет примерно 16—17 %. На стекло они идут в виде соды (Na2CO3) или поташа (K2CO3), которые при температуре легко разлагаются на окиси. Соду сначала получали выщелачиванием золы морских водорослей, а в местности, удалённой от моря, применяли содержащий калий поташ, получая его выщелачиванием золы буковых или хвойных деревьев.

Различаются три  главных вида стекла:

1. Содово-известковое стекло (Na2O: CaO: 6SiO2)

2. Калийно-известковое стекло (K2O: CaO: 6SiO2)

3. Калийно-свинцовое стекло (K2O: PbO: 6SiO2)

Кальциево-натриевое стекло

«Содовое стекло»  можно с лёгкостью плавить, оно  мягкое и потому легко поддаётся  обработке, а кроме того, чистое и  светлое.

Кальциево-кальциевое стекло

«Поташное стекло», в отличие от калиевого, более  тугоплавкое, твёрдое и не такое  пластичное и способное к формовке, но обладает сильным блеском. Оттого что раньше его получали непосредственно из золы, в которой много железа, стекло было зеленоватого цвета, и в XVI веке для его обесцвечивания начали применять перекись марганца. А так как именно лес давал сырьё для изготовления этого стекла, его называли ещё лесным стеклом. На килограмм поташа шла тонна древесины.

Свинцовое стекло

Свинцовое стекло (или «хрусталь»), получается заменой  окиси кальция окисью свинца. Оно  довольно мягкое и плавкое, но весьма тяжёлое, отличается сильным блеском и высоким коэффициентом светопреломления, разлагая световые лучи на все цвета радуги и вызывая игру света.

Боросиликатное стекло

Включение оксида бора вместо щелочных составляющих шихты  придаёт этому стеклу свойства тугоплавкости, стойкости к резким температурным скачкам и агрессивным средам. Изменение состава и ряд технологических особенностей, в свою очередь, сказывается на себестоимости — оно дороже обычного силикатного.

Прозрачное стекло

Рецептура прозрачного стекла была известна ещё в древности, о чём свидетельствуют античные флаконы и бальзамарии, в том числе и цветные,— на помпейских фресках мы видим совершенно прозрачную посуду с фруктами. Но вплоть до средневековья, когда огромное распространение получают витражи, не приходится встречать образцов стеклоделия, выражено обладающих этими свойствами.

Оптическое стекло

К оптическому  стеклу предъявляют особые технические  требования, первое из которых —  однородность, оцениваемая до сих  пор на основании экспертного анализа по степени и количеству находящихся в нём свилей и прозрачности в заданном диапазоне спектра. Наличие у государства собственного производства оптического стекла является показателем уровня его научно-технического развития.

Цветное стекло

Обычная стеклянная масса после остывания имеет желтовато-зелёный или голубовато-зелёный оттенок. Стеклу можно придать окраску, если в состав шихты произвести включение, например, тех или иных оксидов металлов, которые в процессе варки изменят его структуру, что после остывания, в свою очередь, заставляет стёкла выделять определённые цвета из спектра проходящего сквозь них света.

Железистые соединения окрашивают стекло в цвета — от голубовато-зелёных  и жёлтых до красно-бурых, окись марганца — от жёлтых и коричневых до фиолетовых, окись хрома — в травянисто-зелёный, окись урана — в желтовато-зелёный (урановое стекло), окись кобальта — в синий (кобальтовое стекло), окись никеля — от фиолетового до серо-коричневого, окись сурьмы или сульфид натрия — в жёлтый (в самый же красивый жёлтый окрашивает, однако, коллоидное серебро), окись меди — в красный (так называемый медный рубин в отличие от золотого рубина, получаемого прибавкой коллоидного золота).

Костяное стекло получается замутнением стекломассы  пережжённой костью, а молочное — прибавкой смеси полевого и плавикового шпата. Теми же прибавками, замутив стекломассу в очень слабой степени, получают опаловое стекло. Окрашенные стёкла, помимо других областей применения, используют в качестве цветных светофильтров.

Художественное стекло

И в силу разнообразия своих декоративных возможностей, и  благодаря уникальным свойствам, в  том числе — подобию красивейшим  самоцветам, а порой в чём-то и  превосходя их, именно через изобразительное  творчество, с момента, когда слиток впервые оказался на ладони мастера, — радует и, вероятно, всегда, чаруя, будет присутствовать в жизни способного ценить его красоту.                                             Нелишним будет напомнить и то, что некогда ценой своей с золотом могло соперничать только стекло. Действительно, самые ранние его рукотворные образцы — украшения. Выдувание стекла — операция, позволяющая из вязкого расплава получить различные формы — шары, вазы, бокалы.                                                                          С точки зрения стеклодува стёкла делятся на «короткие» (тугоплавкие и термостойкие, например — «пирекс»), пластичные в весьма узком диапазоне температур и «длинные» (легкоплавкие, например — молибденовое) — имеющие этот интервал значительно более широким.

Стеклодув за работой

Важнейший рабочий  инструмент стеклодува, его выдувальная  трубка, это полая металлическая  трубка длиной 1—1,5 м, на одну треть  обшитая деревом и снабжённая на конце латунным мундштуком. Пользуясь  трубкой, стеклодув набирает из печи расплавленное стекло, выдувает его в форме шара и формует.                                                  Для этого ему нужны металлические ножницы для отрезания стеклянной массы и прикрепления её к трубке, длинные пинцетообразные клещи из металла для вытягивания и формования стеклянной массы, для образования тиснёных украшений и т. д., сечка для отсекания всего изделия от трубки и деревянная ложка (скалка, долок — в форме коклюшки) для разравнивания набранной стекломассы.

Предварительно отформованное  с помощью этих инструментов стекло («баночку») стеклодув вкладывает в форму из дерева или железа. Оставшийся от отшибания след (насадок, колпачок) приходится удалять шлифовкой.

Готовое изделие отшибают от трубки на вилы и несут в отжигательную  печь. Отжиг изделия производится несколько часов при температуре около 500°С с тем, чтобы снять возникшие в нём напряжения. Необожженное изделие может из-за них рассыпаться при малейшем прикосновении, а иногда и самопроизвольно. В демонстрационных целях это явление издавна эффектно показывается на батавских слёзках - застывших каплях из стекла.

Смарт-стекло

Представляет  собой композит из слоев стекла и  различных химических материалов, используемый в архитектуре и производстве для изготовления светопрозрачных  конструкций (окон, перегородок, дверей и т.п.), изменяющий свои оптические свойства (матовость, коэффициент пропускания, коэффициент поглощения тепла и т.д.) при изменении внешних условий, например, освещенности или температуры или при подаче электрического напряжения.

Стекловолокно и стеклоткань

Из обычного стекла можно получить тонкие весьма гибкие нити, пригодные для изготовления ткани. В современной технике  стекловолокно из специальных марок  стекла наиболее широко используется в волоконной оптике, для изготовления композиционных (фиберглас) и изолирующих материалов (напр., стеклолента, стеклотекстолит). 

 

После всего прочитанного невольно задумаешься - сколько всего  интересного и не понятного таит в себе такой казалось бы привычный  материал, как стекло.