История стекла. От стеклянного оружия до стекол иллюминаторов космических кораблей

Способы изготовления стекла

История стекла превышает четыре тысячи лет, что подтверждают и изображения, и артефакты, найденные при раскопках. Все они позволяют создать представление и о том, как было организовано производство, и о вкусах изготовителей. К примеру, стекло изначально использовалось для покрытия глиняной посуды. Кроме того, из него делали приятные мелочи – бусины, флаконы, украшения.

При этом египтяне отдавали предпочтение непрозрачному стеклу и этим отличались от жителей Двуречья. Окрашивалось оно в синий, желтый, фиолетовый и другие цвета окислами металлов. Изделия из стекла были достаточно дорогими и позволить их себе могли только важные чиновники и монархи.

Некрупные предметы изготавливались так: на металлическом пруте размещался сердечник из глины и песка. На него и наматывалось горячее стекло. После остывания стекла металлический прут проворачивался вокруг своей оси, сердечник из глины и песка рассыпался, оставалась полая стеклянная форма, которая могла быть предметом украшений или ёмкостью для жидкостей.

Большие изделия производились следующим образом: в стеклянную массу помещали форму и там проворачивали. При этом стекло тонким слоем покрывало стенки, после чего форма удалялась и оставалось полое изделие из стекла.

Данная техника была перенята римлянами и отточена.

Порой умельцами использовался целый арсенал – из заготовок различных форм комплектовалось изделие. Это позволяло создавать непростые конструкции из стекла.

Римляне даже застекляли окна. Правда, такое стекло было мутноватым и крайне тонким.

Развитию европейского стеклоделия способствовали достижения римлян. Правда, изделия Старого Света (можно выделить, к примеру, мастеров из Кёльна) сильно уступали восточным. Мастера из Венеции пошли еще дальше – история стекла была бы другой без огромного вклада в нее венецианцев. Они много и кропотливо работали над улучшением свойств стекла, добившись его прозрачности. Венецианский хрусталь был дорогим и ценился среди обеспеченных европейцев.

Помимо посуды и стеклянных листов, мастера из Венеции создавали линзы для очков, а также зеркала. Стекловарение было крайне популярной отраслью – почти половина жителей города, так или иначе, участвовали в этом процессе.

В целях монополизации стекловарения производство было перенесено на остров Мурано.

Само собой, были у венецианских мастеров и конкуренты. В первую очередь – генуэзские ремесленники.

Стекло – это аморфное тело (твердое тело, не имеющее кристаллической структуры), состоящее из соды, кварцевого песка, доломита, известняка и различных добавок. Оно получается методом расплава и в твердом состоянии теряет свойства кристаллического вещества.

Классический способ базируется на плавке исходного сырья с добавлением усилителей, красителей, глушителей и обесцвечивателей.

Стеклодувная трубка

Изобретение стеклодувной трубки относится к числу великих открытий человечества. Это открытие превратило стекло из предмета роскоши в предмет широкого потребления и позволило создавать множество различных стеклянных изделий.

Стеклодувная трубка представляла собой пустотелую железную трубку, снабженную с одной стороны головкой. В процессе выдувания того или иного изделия рабочий погружал в расплавленную массу стекла головку трубки, на которую прилипало некоторое количество расплавленного стекла, обладающего высокой вязкостью. Вдуванием через мундштук воздуха образовывалась стеклянная колба, которая постепенно путем встряхивания и вращения, а также при помощи простых инструментов и подогревания остывающей массы стекла, превращалась в полый сосуд почти строго симметричной формы. Этим способом, который применялся в течение многих столетий, изготовлялись и изящные стеклянные изделия.

Стеклодувная трубка представляла собой пустотелую железную трубку, снабженную с одной стороны головкой

С помощью стеклодувной трубки человек научился выдувать стекло и придавать стеклянным предметам желаемую форму и размер.

Метод выдувания составил основу не только древнего, но и современного методов изготовления стеклянной посуды, а впоследствии и оконного стекла.

Ранее метод выдувания являлся вспомогательным, но в этот период стал самостоятельным приемом и породил не одну сотню предметов искусства.

В то время Сирия находилась под протекторатом Римской Империи, что поспособствовало расцвету стеклодувного дела и распространению его по всем провинциям.

Примерно в это же время в Древнем Риме начали применять оконное литое стекло и стеклянные пластинки для облицовки стен.

Оконное стекло

Первое оконное по-настоящему плоское стекло впервые появилось в Древнем Риме. Оно было обнаружено при раскопках Помпеи и датируется годом извержения вулкана Везувий, 79 годом. Его размер составлял метр на полтора метра. Тогда же впервые начали применять оконную раму.

Оконное стекло получали методом литья на плоскую каменную поверхность. Конечно, качество стекла при этом сильно отличалось от современного.

Это стекло было окрашенным в зеленоватые тона и было матовым (бесцветное стекло в то время изготавливать еще не умели), содержало большое количество пузырей, что говорило о низкой температуре варки, и было довольно толстым (около 8—10 мм). Тем не менее это был первый случай применения стекла в архитектуре, что дало значительный толчок к дальнейшему развитию стекловарения и распространению стекла по всей Европе.

В те далёкие времена листовое оконное стекло было настоящей роскошью и применялось лишь для церквей. Даже жилища богатых римлян имели слюдяные окна.

Появление листового стекла подтолкнуло мастеров Византии к разработке технологии производства смальты – цветного стекла с добавлением в сырьевую стекломассу металлов (золото, медь, ртуть) в различных соотношениях. В Византии научились изготавливать несколько сотен различных цветов смальты, что существенно расширило возможности искусства мозаики.

Смальту отливали в листы или блины, кололи на относительно одинаковые кусочки и из них составляли мозаику непередаваемой красоты.

Наиболее древние сохранившиеся образцы византийских мозаик относятся к III–IV векам.

Такие композиции из аккуратно выложенных мелких и более-менее одинаковых по размеру кубиков создали славу византийским мозаикам, которые пришли на смену римским, выполненным из мелких кубиков камня.

Как мы видим, прежде чем стать предметом ежедневного обихода, стекло прошло долгий путь. Важной вехой в его истории стал XVIII век, когда, наконец, оно окончательно вытеснило бумажные и матерчатые пластины в окнах домов.

Дальнейшему распространению стекла способствовало изобретение американцем Колбурном нового, дешевого метода изготовления оконных стекол. Его метод состоял в том, что стекло «разглаживалось» при помощи металлических рам, которые погружали в расплавленную стекломассу и получали, таким образом, заготовки для окон.

Уильям Кларк из Питтсбурга первый предложил способ производства листового стекла вытягиванием со свободной поверхности расплава. В 1857 году он представил английский патент, согласно которому, формование плоского листа осуществляется медленным вертикальным вытягиванием затравки с поверхности расплава. В течение последующих 50 лет старались решить основную проблему – сужение ленты стекла при вытягивании, но все попытки были неудачными.

В 1871 году бельгийский изобретатель Ф. Вэллин (F. Vallin) получил французский патент – № 91787 – на производство оконного стекла механическим вытягиванием стекла. Для непрерывной подачи расплава он предложил систему горшков, которые связаны между собой трубкой, так что стекломасса из одного горшка поступала в другой. В последний большой овальный горшок, который был заключен в трубу, опускалась металлическая пластина (затравка).

Формование плоского листа происходило при движении этой пластины вверх. В трубе также располагались по бокам стекла воздушные трубки с отверстиями для охлаждения стекла. Лист стекла поддерживался роликами, покрытыми асбестовой тканью. Вытягивание стекла может происходить в двух направлениях: вертикальном и горизонтальном. В последнем случае предусматривался специальный металлический валок. Вэллин был гениальным изобретателем и предложил практически все основные элементы механического вытягивания, которые в XX столетии будут применяться во всех способах вытягивания стекла.

В то время, когда ванные печи были неизвестны, он представил систему стекловаренных горшков, в которых осветленная стекломасса поступала снизу по трубкам из одного горшка в другой, до основного, из которого происходило вытягивание стекла. Эта система непрерывной подачи расплава стала основой появления ванных стекловаренных печей. В 1890 году Вэллин основал в Гифорсе компанию по производству оконного стекла механическим вытягиванием.

В 1905 году бельгийский инженер Эмиль Фурко (Emile Fourcault) предложил свой способ вертикального вытягивания стекла. При этом старейшем способе используется шамотная лодочка, из щели которой под действием гидростатического давления вытекает постоянный поток стекла. Скорость вытягивания можно регулировать глубиной погружения лодочки. Лента стекла из лодочки поступала в шахтную камеру, где с двух сторон находятся водоохлаждаемые трубки, и далее по роликам поступала в печь отжига.

Для предотвращения сужения ленты по краям ленты были установлены бортоформующие ролики и охлаждаемые трубки. Толщина ленты стекла определялась скоростью вытягивания и температурой в зоне вытяжки («луковицы»). Первые машины Фурко для вытягивания листового стекла были установлены в Бельгии и Чехии в 1913 году. Производительность 11 машин, установленных на одной ванной печи, составляла 250 тонн стекла в день.

Процесс вытягивания стекла позволил производить дешевое оконное стекло с огненно-полированными поверхностями. Основной дефект тянутого стекла появляется при формовании (вытягивании) и связан с нарушением плоскостности стекла. Такие нарушения приводят к оптическому эффекту линзы и искажению изображения. Тянутое (машинной выработки) оконное стекло широко применялось в строительстве для остекления окон и теплиц.

Промышленная революция XVIII–XIX веков стала важным этапом и в истории стекла. Разрабатывались печи нового типа, изменялись технологии. Появилось множество новых заводов, продукция которых создавалась уже для широких масс, а не для титулованных особ. Стекло стало доступным для всех. В начале прошлого века в России работала масса предприятий, производивших как посуду, так и листовое стекло. Но оставался немалым и объем импорта.

С тех пор многое изменилось, усовершенствовалась технология производства стекла, расширился диапазон его применения, постоянно улучшается его качество. Важным событием стало изобретение термостойкого и небьющегося стекла. Оно широко используется не только в научных лабораториях, но и в повседневной жизни: хорошо известна посуда, изготовленная из него.

До конца XIX века стекольное производство было основано на ручном труде.

Только в 1900 году была сделана попытка механизировать изготовление листового стекла: с помощью сжатого воздуха выдувались стеклянные цилиндры длиной до 12 м диаметром около 0,75 м, которые разрезались по образующей. Дальнейшая обработка листового стекла оставалась такой же, как и при цилиндрическом способе.

Подлинной революцией в стеклоделии явилось изобретение в начале XX века непрерывного процесса варки и формования листового стекла. Механизация производства всех видов стекла была осуществлена только во второй половине XX века. На этот период приходится и появление новых видов стекла и изделий из него.

Вплоть дo 50-х годов XX века практика стеклоделия опережала теоретические знания в этой области. Однако научно-техническая революция в стеклоделии привела к разработке технологии принципиально новых видов продукции из стекла: фото-хромных, солнцезащитных, теплозащитных, сверхпрочных и закаленных видов.

В 1959 году в CCCP впервые был синтезирован шлакоситалл – одна из разновидностей непрозрачного «стеклофарфорa», прочного и экономичного вида стекла, который можно окрашивать керамическими красками в любой цвет и широко применять в воплощении архитектурных замыслов.

Появилась технология изготовления триплекса – стекла, состоящего из отдельных листов, склеенных прозрачными синтетическими пленками в единый пласт. Для звукоизоляционного остекления стали применять листы стекла с нанесенными нa одну из поверхностей прозрачными пластмассовыми пленками для изменения частоты собственных колебаний.

Электрохимическая обработка стекла, напыление пленок, изготовление стекловолокна – все это примеры сложной технологии стеклоделия середины XX века.

Современное стекло представляет собой аморфный материал, получаемый из расплавов силикатов, алюминатов или боратов натрия, калия, кальция и ряда других элементов.

Характерной чертой неорганических стекол является способность при нагревании до определенной температуры размягчаться, не плавясь. При определенных температурных условиях стекло может кристаллизоваться.

Производство стекла слагается из следующих процессов: подготовка сырьевых компонентов, получение шихты, варка стекломассы, ее охлаждение, формование изделий и их отжиг и, в случае необходимости, – обработка (термическая, химическая, теханическая).

Компоненты, входящие в состав стекла, определяют его физико-механические свойства.

Так, окись алюминия повышает химическую и термическую стойкость стекла, механическую прочность.

Углекислый калий придаёт стеклу чистоту, блеск, прозрачность и применяется для производства лучших сортов стекла.

Введение окислов кальция, магния, цинка и свинца повышает теханическую прочность и химическую устойчивость стекла, увеличивает показатель светопреломления и улучшает внешний вид изделий.

Краун-процесс

Во II веке сирийские ремесленники научились изготавливать плоское стекло. Для этого на конце стеклодувной трубки выдувался большой пузырь, который затем интенсивно вращался и под действием центробежной силы становился плоским диском.

Сегодня такой метод носит название краун-процесса. С его помощью современные стеклодувы острова Мурано изготавливают цветные диски для декорирования интерьеров на территории всего мира.

Метод Эмиля Фурко

Предполагает вертикальную машинную вытяжку материала. Стекло подвергается плавлению в стекловаренной печи, затем полученная жидкая стекломасса вытягивается с помощью прокатных валов, перемещается в шахту охлаждения и режется на куски. На заключительном этапе лист шлифуется и полируется. Толщина изделия зависит от скорости вытягивания. Этот способ получил название – «вытянутое стекло».

Флоат-метод

Наступило время перехода на новые способы производства оконного стекла. Переворот в технологии производства стекла произвёл флоат-процесс.

Заслуга создания революционного способа производства полированного стекла (флоат-процесс) принадлежит Сэру Аластару Пилкингтону.

Лайонел Александр Бетин (Аластар) Пилкингтон родился в 1920 году, после окончания школы в Шерборне поступил в Тринити Колледж в Кембридже, где получил свою первую научную степень в области механики. Во время войны он покинул университет и поступил на службу в Королевскую артиллерию. Участвовал в военных действиях в Греции и на Крите. После освобождения из плена в конце войны, он вернулся в Кембридж для продолжения учебы и решил продолжить карьеру как гражданский инженер.

В марте 1947 году он был назначен техническим помощником на фабрике листового стекла, а через два года выполняет обязанности производственного менеджера на фабрике в Донкастере. В 1952 году Аластар возвращается в Сент-Хеленс, и под его руководством начинаются экспериментальные работы над разработкой флоат-процесса. В результате первых экспериментов, он предложил для формования и транспортировки ленты стекла использовать расплав металла.

В переводе с английского языка означает «плавать, держаться на водной глади». Идея изготовления изделий из стекла таким способом господствовала еще в начале XX века. Однако развитие она получила в середине прошлого столетия, когда английская компания «Пилкингтон» решила применить промышленный процесс на практике.

Флоат-метод заключается в том, что вязкая стеклянная масса после печи принимает горизонтальное положение. На плоском оборудовании она подается во флоат-ванную с расплавленным оловом и газовоздушной атмосферой. Материал плывет по поверхности, обретает форму и вбирает в себя микроскопические частицы олова. После чего стекломасса охлаждается и подвергается отжигу.

В 1953 году на первой опытной установке был изготовлен образец флоат-стекла (float-glass) шириной 300 мм.

В 1955 году на новой экспериментальной установке было получено флоат-стекло шириной 760 мм, и правление принимает смелое и рискованное решение о строительстве производственной флоат-линии (float-line) шириной 2540 мм. Компания надеялась на успех, но в тоже время понимала, что в случае неудачи финансовые потери будут составлять миллионы фунтов. С другой стороны, успешный запуск линии гарантировал значительный и революционный скачок в технологии листового стекла за всю длительную историю производства стекла.

Производственная линия, работающая по флоат-методу, была введена в Коулей Хилле (Великобритания) 6 мая 1957 года. Многие в то время не верили в новый процесс, и говорили, что эта линия не произведет даже 1 м² стекла. Только через 14 месяцев было получено первое качественное флоат-стекло (float-glass) толщиной 6,5 мм, и 20 января 1959 года компания Пилкингтон официально опубликовала пресс-релиз, в котором представила флоат-процесс следующими словами: «Флоат-процесс является наиболее фундаментальным, революционным и важным достижением в производстве стекла в 20 столетии».

Сэр Аластер Пилкингтон вместе со своим партнером Кеннетом Бикерстаффом потратил семь лет на усовершенствование и патентование его коммерчески успешного производства. Американские изобретатели несколько раз пытались создать улучшенный и более дешевый способ замены дорогостоящего листового стекла, но безуспешно. Его прорыв позволил компании Pilkingtons долгие годы доминировать на мировом рынке высококачественного листового стекла. Начиная с начала 1960-х годов все ведущие мировые производители плоского стекла получили лицензии на использование процесса флоат-стекла.

В соответствии с разработанной компанией Пилкингтон (Pilkington) флоат-способом стекломасса из студочного бассейна при температуре 1100 °C непрерывной лентой поступает из стекловаренной печи на поверхность расплавленного олова. Лента выдерживается при достаточно высокой температуре для удаления всех дефектов и неровностей на поверхности стекла. Так как поверхность расплавленного металла является идеально ровной поверхностью, то стекло приобретает «огненно-полированную» блестящую поверхность, которая не нуждается в дальнейшей шлифовке и полировке.

При проведении экспериментов установлено, что расплавленная стекломасса не растекается бесконечно на поверхности расплавленного олова. Когда силы тяжести и поверхностного натяжения уравновешиваются, лента приобретает равновесную толщину около чуть меньше 7 мм. Для получения ленты стекла различной толщины были созданы методы, основанные на регулировании вязкости стекла в зоне формования и величины растягивающего усилия. Если необходимо получить толщину ленты стекла больше 7 мм, то ее сжимают несмачивающими бортовыми ограничителями.

В начале работы возникла проблема выбора расплавленного металла, который должен находиться в жидком состоянии в пределах температурного интервала от 600 до 1050 °C, иметь низкие значения давления паров, а величина плотности должна быть выше, чем стекла.

Исследования показали, что всем этим требованиям соответствует олово, которое почти не взаимодействует со стеклом, и является вполне доступным и дешевым продуктом. Но олово при высоких температурах окисляется кислородом с образованием оксидных соединений. Поэтому, чтобы исключить окисление поверхности расплава олова, во флоат-ванне необходимо создавать инертную атмосферу азота с малой добавкой водорода. После формования лента стекла охлаждается до 620 °C и транспортируется в печь отжига.

Полотно обретает гладкую поверхность. Его не нужно обрабатывать, полировать или шлифовать.

В настоящий момент, пройдя модернизацию, эта технология продолжает массово использоваться.

Предметы, сделанные по флоат-методу, широко применяются в быту и в строительстве, используются для оконных, облицовочных конструкций, витрин, зеркал, мебели, техники.

Ассортимент товаров настолько велик, что неопытный потребитель может прийти в замешательство. На основе листового полотна делают армированное стекло с фигурными ячейками.

Дополнительная обработка стекла предполагает нанесение лакокрасочного покрытия на ту сторону, которая не взаимодействовала с расплавленным оловом и не приобрела микроскопический оловянный слой. Определить качество поверхности стекла помогают специальное оборудование – оптический фильтр, ультрафиолетовая лампа. Способ определения оловянной стороны помогает окрашивать полотно полиуретановой эмалью, наносить определенные рисунки. Это открывает перспективы для нестандартных дизайнерских решений.

Современные технологии, основанные на применении новейшего оборудования, позволяют получать из стекла разнообразную декоративную продукцию с необычными эксплуатационными качествами.

Изготовление стекла основано на использовании специального оборудования. Необязательно, чтобы оно было зарубежное. Отечественные агрегаты ничуть не уступают иностранным аналогам. Производственные линии имеют идентичные системы, состоящие из таких видов устройств:

✓ оборудование для подготовки сырья; установки для смешивания шихты;

✓ стекловарительное оборудование;

✓ при расширенном производстве может применяться линия пескоструйной обработки и приборы для упаковки изделий.

На первом технологическом этапе подготовки сырья, наравне с простыми установками, используются высокотехнологичные агрегаты.

Транспортировку ингредиентов осуществляют конвейеры.

Очистку от вредных примесей производят сложные станки, среди которых есть магнитные сепараторы. Они извлекают из песка металлы, способные испортить свойства готовой продукции.

Чтобы измельчить вещество, применяют мощные дробилки.

Второй этап производства связан с подготовкой шихты. Выбор компонентов зависит от свойств готового продукта. В этом случае используют специальное оборудование.

Высокоточные весы помогают правильно рассчитать дозировку. С их помощью отмеряют нужное количество кварцевого песка, соды, извести. При необходимости добавляют второстепенные материалы, определяющие прочность, цвет, светопропускную способность стеклянного изделия.

Подготовленные компоненты поступают в ших-тосмеситель, который равномерно распределяет материалы по массе.

Третий, основной этап, предполагает плавление стекла в специальных печах с индивидуальными тепловыми и технологическими режимами.