Текст книги "Работы по дереву и стеклу"

В конце XIX в. «заморский» плавильщик Фридрих Сименс придумал и ввел в эксплуатацию регенеративную ванную печь для расплавления шихты и изготовления стекла.

Русские мастера ответили на это своим изобретением: в 1897 г. Малышев изобрел первую модель ванной печи с разделенными бассейнами, которая позволила сделать процесс стекловарения непрерывным.

Постепенно развиваясь и все более совершенствуясь, к началу XX в. стекольное производство переходило в фазу машинной индустрии. Это означает, что с помощью больших и мощных машин становится возможным изготавливать самую разнообразную по качеству и размерам продукцию.

В начале века теоретические разработки в области стекловарения осуществляли такие известные ученые, как химик-органик В. Е. Тищенко, химик-технолог И. В. Гребенщиков, химик Г. Ю. Жуковский.

Примерно в то же время в Москве открылся Институт стекла, а в Ленинграде был создан Государственный оптический институт.

В настоящее время существует несколько научно-исследовательских институтов стекла. Кафедры стекловарения и изготовления изделий из стекла можно найти во множестве технических высших учебных заведений.

Всем нам знакома посуда из стекла: различные стаканы, фужеры, рюмки, вазы, тарелки, кувшины. Причем в настоящее время в любом универмаге можно приобрести стеклянную посуду различных оттенков. Ученые считают, что впервые посуда из стекла была изготовлена в Древнем Египте, Финикии и Месопотамии.

А когда же стали использовать стекло для украшения архитектурных сооружений и интерьеров жилых помещений? Оказывается, тоже очень давно.

Археологи доказали, что еще за 3000 лет до н. э. древние египтяне умели выплавлять фаянс, из которого делали разноцветную облицовочную плитку.

Ученые говорят о том, что стеклянную смальту, предназначенную для украшения фасадов зданий, интерьера, а также различных изделий, первыми стали изготавливать греки.

В древние времена особенно большим успехом пользовались изготовленные с применением стеклянной мозаики работы греческого художника Соза.

В ходе археологических раскопок и исторических исследований во многих странах мира была найдена стеклянная смальта, датируемая различными эпохами. Здесь следует упомянуть прежде всего такие памятники архитектуры, как Софийский собор (VI–XI вв.) в Константинополе, собор Святого Марка (XIII–XIV вв.) в Венеции, собор Святой Софии (XI в.) в Киеве, храмы древних русских городов: Новгорода, Переяславля, Полоцка, Чернигова. Стеклянной мозаикой здесь украшен не только фасад зданий, но и внутренняя их часть: пол, потолок, стены.

В этот период развития цивилизации стеклянная смальта производилась в большом количестве и ее широко использовали в архитектуре. Причем этот материал, видимо, оценивали достаточно дорого, так как такой мозаикой украшали не жилища простых горожан, а исключительно церкви, соборы или храмы.

С XV в., кроме стеклянной смальты, стали изготавливать зеркала. Самое первое зеркало было очень маленьким по размеру, но стоило невероятно дорого. Право на его изобретение принадлежит венецианцам.

Массовый выпуск зеркал становится возможным только к XVIII в. Именно в это время разрабатывали технологии и осваивали производство прозрачного листового стекла.

Не забудем и о таком незаменимом украшении интерьера наших квартир, как люстры. Их научились делать очень давно. Еще на рубеже XVII–XVIII вв. венецианские мастера-плавильщики прославились изготовлением разнообразных люстр, на производство которых шло только самое чистое, прозрачное стекло. При этом стекломассе придавали самые причудливые и необычные формы: листочки, виноградные гроздья, капельки воды, сказочные цветы.

К началу XIX в. пальма первенства в изготовлении стеклянных и хрустальных люстр переходит от венецианцев к русским и французам. Во Франции самые красивые люстры, бра, торшеры и подсвечники изготавливали в известной в то время фирме «Баккара». А в России самой большой популярностью пользовались люстры из хрусталя с маркой императорского Петербургского стекольного завода.

Глава 2. Стекло: характеристика, классификация

Все твердые тела делят на кристаллические и аморфные. Последние обладают свойством плавиться при достаточно высокой температуре. В отличие от кристаллических тел они имеют структуру лишь с небольшими участками упорядоченно соединенных ионов, причем эти участки соединены между собой так, что образуют асимметрию.

В химии и физике стеклом принято называть все аморфные тела, которые образуются в результате переохлаждения расплава. Эти тела вследствие постепенного увеличения степени вязкости оказываются наделенными всеми признаками твердых тел. Они также обладают свойством обратного перехода из твердого в жидкое состояние.

Стеклом в обыденной жизни называют прозрачный хрупкий материал. В зависимости от того или иного компонента, входящего в состав исходной стекломассы, в промышленности различают следующие виды стекла: силикатные, боратные, боросиликатные, алюмосиликатные, бороалюмосиликатные, фосфатные и др.

Как и любое другое физическое тело, стекло обладает рядом свойств.

Плотность стекол зависит от компонентов, входящих в их состав. Так, стекломасса, в больших количествах включающая оксид свинца, более плотная по сравнению со стеклом, состоящим, помимо прочих материалов, и из оксидов лития, бериллия или бора. Как правило, средняя плотность стекол (оконное, тарное, сортовое, термостойкое) колеблется от 2,24 x 103 до 2,9 x 103 кг/м³. Плотность хрусталя несколько больше: от 3,5 x 103 до 3,7 x 103 кг/м³.

Под прочностью на сжатие в физике и химии принято понимать способность того или иного материала сопротивляться внутренним напряжениям при воздействии извне каких-либо нагрузок. Предел прочности стекла составляет от 500 до 2000 МПа (хрусталя – 700–800 МПа). Сравним эту величину с величиной прочности чугуна и стали: соответственно 600–1200 и 2000 МПа.

При этом степень прочности того или иного вида стекла зависит от химического вещества, входящего в его состав. Более прочны стекла, включающие в свой состав оксиды кальция или бора. Низкой прочностью отличаются стекла с оксидами свинца и алюминия.

Предел прочности стекла на растяжение составляет всего 35–100 МПа. Степень прочности стекла на растяжение в большей степени зависит от наличия различных дефектов, образующихся на его поверхности.

Различные повреждения (трещины, глубокие царапины) значительно снижают величину прочности материала. Для искусственного увеличения показателя прочности поверхность некоторых стеклоизделий покрывают кремниевоорганической пленкой.

Хрупкость – механическое свойство тел разрушаться под действием внешних сил. Величина хрупкости стекла в основном зависит не от химического состава образующих его компонентов, а в большей степени от однородности стекломассы (входящие в его состав компоненты должны быть беспримесными, чистыми) и толщины стенок стеклоизделия.

Твердостью обозначают механическое свойство одного материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого. Определить степень твердости того или иного материла можно с помощью специальной таблицы-шкалы, отражающей свойства некоторых минералов, которые расположены по возрастающей, начиная с менее твердого, талька, твердость которого взята за 1 единицу, и заканчивая самым твердым – алмазом с твердостью в 10 условно принятых единиц.

При исследовании того или иного материала на твердость, как правило, во время проведения опыта всякий раз надавливают на него одним из минералов, указанных в таблице. Однако данным способом не совсем удобно определять твердость такого достаточно хрупкого материала, как стекло. Поэтому было принято решение определять микротвердость стекла. В среднем она равна от 480 до 10 000 МПа.

Часто твердость стекла определяют с помощью шлифования, используя так называемый метод определения абразивной твердости. В таком случае ее величина устанавливается в зависимости от скорости отслаивания единицы поверхности стеклоизделия при определенных условиях проведения шлифовки.

Степень твердости того или иного вида стекла в основном зависит от химического состава входящих в него компонентов. Так, например, использование при создании стекломассы оксида свинца значительно снижает твердость стекла. И напротив, силикатные стекла достаточно плохо поддаются механической обработке.

Теплоемкостью называют свойство тел принимать и сохранять определенное количество теплоты при каком-либо процессе без изменения состояния.

Теплоемкость стекла прямо зависит от химического состава компонентов, входящих в состав исходной стекломассы. Его удельная теплота при средней температуре равна 0,33–1,05 Дж/(кг x К). Причем чем выше в стекломассе содержание оксидов свинца и бария, тем ниже показатель теплопроводности. Но вот легкие оксиды – такие, например, как оксид лития, способны повысить теплопроводность стекла.

При изготовлении стеклоизделий следует помнить о том, что аморфные тела, обладающие низкой теплоемкостью, остывают значительно медленнее, чем тела с высоким показателем теплоемкости. У таких тел наблюдается также увеличение количества теплоемкости с повышением внешней температуры. Причем в жидком состоянии этот показатель растет несколько быстрее. Это характерно и для стекол различных типов.

Теплопроводность. Таким термином в науке обозначают свойство тел пропускать через себя теплоту от одной поверхности до другой, при условии, что у последних разная температура.

Известно, что стекло плохо проводит тепло (кстати, это свойство широко используется в строительстве зданий). Уровень его теплопроводности в среднем составляет 0,95–0,98 Вт/(м x К). Причем наиболее высокий показатель теплопроводности отмечен у кварцевого стекла. С уменьшением доли оксида кремния в общей массе стекла или при замене его любым другим веществом уровень теплопроводности понижается.

Температура начала размягчения – это такая температура, при которой тело (аморфное) начинает размягчаться и плавиться. Самое твердое – кварцевое – стекло начинает деформироваться только при температуре 1200–1500 °C. Другие типы стекол размягчаются уже при температуре 550–650 °C. Эти показатели важно учитывать при различных работах со стеклом: в процессе выдувания изделий, при обработке краев этих изделий, а также при термической полировке их поверхностей.

Величина температуры начала плавления того или иного сорта и вида стекла определяется химическим составом компонентов. Так, тугоплавкие оксиды кремния или алюминия повышают температурный уровень начала размягчения, а легкоплавкие (оксиды натрия и калия), напротив, понижают.

Тепловое расширение. Этим термином принято обозначать явление расширения размеров того или иного тела под воздействием высоких температур. Эту величину очень важно учитывать при изготовлении стеклоизделий с различными накладками по поверхности. Материалы для отделок следует подбирать так, чтобы величина их теплового расширения соответствовала тому же показателю стекломассы основного изделия.

Коэффициент теплового расширения стекол прямо зависит от химического состава исходной массы. Чем больше в стекломассе щелочных оксидов, тем выше показатель температурного расширения, и наоборот, присутствие в стекле оксидов кремния, алюминия и бора снижает эту величину.

Термостойкостью определяется способность стекла не поддаваться коррозии и разрушению в результате резкой смены внешней температуры. Этот коэффициент зависит не только от химического состава массы, но и от размера изделия, а также от величины теплоотдачи на его поверхности.

Преломление света – так в науке называют изменение направления светового луча при его прохождении через границу двух прозрачных сред. Величина, показывающая преломление света стекла, всегда больше единицы.

Отражение света – это возвращение светового луча при его падении на поверхность двух сред, имеющих различные показатели преломления.

Дисперсия света – разложение светового луча в спектр при его преломлении. Величина дисперсии света стекла прямо зависит от химического состава материала. Наличие в стекломассе тяжелых оксидов увеличивает показатель дисперсии. Именно этим свойством и объясняется явление так называемой игры света в хрустальных изделиях.

Поглощением света определяют способность той или иной среды уменьшать интенсивность прохождения светового луча. Показатель поглощения света стекол невысок. Он увеличивается лишь при изготовлении стекла с применением различных красителей, а также особых способов обработки готовых изделий.

Рассеяние света – это отклонение световых лучей в различных направлениях. Показатель рассеяния света зависит от качества поверхности стекла. Так, проходя сквозь шероховатую поверхность, луч частично рассеивается, и потому такое стекло выглядит полупрозрачным. Это свойство, как правило, используют при изготовлении стеклянных абажуров для ламп и плафонов для светильников.

Среди химических свойств необходимо особо выделить химическую стойкость стекла и изделий из него.

Химической стойкостью в науке называют способность того или иного тела не поддаваться воздействию воды, растворов солей, газов и атмосферной влаги. Показатели химической стойкости зависят от качества стекломассы и воздействующего агента. Так, стекло, не подвергающееся коррозии при действии воды, может деформироваться при воздействии щелочных и солевых растворов.

Как известно, существует огромное многообразие изделий, изготавливаемых из различных видов стекла. По своему назначению они делятся на бытовые, строительные и технические.

Бытовые изделия

К изделиям бытового характера относится посудное, очковое стекло, а также тара для пищевой продукции, зеркала, различные эмали и глазури, предназначенные для украшения и обработки изделий из стекла и других материалов.

Строительное стекло

К этому виду относят различные стеклоизделия, применяющиеся в строительстве. Это стекло для окон, витрин, разнообразные витражи, профильное, армированное, узорчатое, облицовочное стекло, пеностекло, мозаика, стеклопакеты, стеклоблоки, стеклопластики, отделочные стеклоткани, а также всевозможные архитектурные и строительные детали.

Техническое стекло

Этот класс изделий из стекла включает оптическое медицинское, химико-лабораторное оборудование из стекла, электротехническое, транспортное, приборное, защитное, светотехническое, тепло– и электроизоляционное, кусковое стекло, а также фотостекло, трубы, технические зеркала, различные стеклопластики, стеклоткани, детали для автомобилей, производственных машин и установок.

Изделия из стекла делят также и по качеству поверхности. Различают изделия с глянцевой и неглянцевой поверхностью. Глянец создают с помощью нанесения органической или кремнийорганической пленки, проводника или полупроводника, а также металлизацией.

Неглянцевые поверхности бывают матированными, сплошными, узорчатыми, зернистыми или «морозными».

К третьему типу стекол относятся изделия, поверхность которых обработана химическими веществами.

Еще один вид стекол выделяют на основе способа отделки изделия. Здесь можно выделить пять основных подвидов:

– изделия, обработанные с применением высоких температур;

– изделия, поверхность которых обработана холодным (механическим) способом;

– изделия, края которых обработаны холодным способом;

– изделия, поверхность которых обработана химическими веществами;

– изделия с дополнительной обработкой поверхности.

Глава 3. Изготовление и обработка изделий из стекла

По своей структуре стекло является достаточно хрупким материалом, поэтому при работе с ним необходимы осторожность и внимание.

При работе со стеклом следует знать несколько основных правил, без знания и соблюдения которых можно получить травмы или испортить материал.

Одним из основных правил является то, что при резке стекла следует правильно держать стеклорез, а именно: указательный палец должен находиться сверху, а инструмент должен располагаться почти в вертикальном положении (рис. 126).

Рис. 126. Виды резки стекла: а – положение стеклореза при работе со стеклом; б – надлом стекла после резки; в – обкалывания края; г – фигурный надрез стекла; д – надрез стекла по окружности; е – резка стекла угольным карандашом.

При резке стекла стеклорез направляют по линейке или ровной рейке. Если на стекле осталась прозрачная линия, значит, стеклорез острый. Также еще одним доказательством этого будет тихий потрескивающий звук, слышимый во время резки.

Свидетельством того, что стеклорез не был острым или его положение неправильно, будет глубокий след белого цвета, оставшийся после работы. Иногда бывают и такие случаи, что стеклорез острый, но не дает хорошего надреза при нормальном нажиме; в этом случае его нужно окунуть в керосин.

В первый раз лучше начать работу с небольшим куском стекла. Резку стекла начинают с дальнего края листа: в направлении на себя производится движение стеклорезом по поверхности (один раз), при этом давление на стеклорез должно быть равномерным. В том случае, если надрез не получился, следует перевернуть полотно и произвести надрез с обратной стороны.

После надреза стекло нужно отломить. Сделать это будет намного удобнее, если разместить под листом стекла рейку и слегка надавить на него сверху.

При работе со стеклом небольших размеров его можно обломать с помощью стеклореза, у которого специально для этой цели сделаны вырезы, или с помощью плоскогубцев.

Если нужно сделать фигурный надрез, то для этого помещают под стекло лист бумаги с нанесенной на него линией контура.

Для того чтобы вырезать круг, сначала делают фигурный надрез по окружности, затем в противоположном направлении от линии окружности стекло надрезают (надрезы являются радиусами). Оставшееся стекло обламывают.

Бывают такие случаи, когда необходимо вырезать фигуру замысловатой формы, что сделать с помощью стеклореза весьма затруднительно; при подобных работах удобным будет использование паяльника. Для проведения такой операции сначала вычерчивают на листе бумаги или картона ту фигуру, которую предстоит вырезать. После этого на изготовленный шаблон кладут лист стекла. На краю стекла, в том месте, где начинается линия разреза, нацарапывают напильником небольшое углубление на расстоянии 2 мм от края и по образовавшейся бороздке проводят без отрыва заостренным концом нагретого паяльника. За проведенной с помощью паяльника линией потянется трещина в стекле.

Если под руками не оказалось стеклореза, то можно обойтись и без него, заменив этот инструмент угольным карандашом.

Прежде чем начать резку стекла, надпиливают его край с помощью трехгранного напильника, затем карандаш поджигают с одного края и подносят к надпиленному краю стекла. При этом необходимо постепенно передвигать горячий конец карандаша в нужном направлении. В результате этого образуются трещины на стекле, по которым затем стекло легко сломать. Если необходимо разрезать какой-то стеклянный сосуд, то сначала нужно наполнить сосуд водой до определенного уровня. После этого на уровне налитой воды обвязывают сосуд шпагатом, предварительно смоченным бензином или керосином, и зажигают его. В результате данный сосуд лопнет точно по линии шпагата. Для того чтобы сосуд лопнул ровно, шпагат должен плотно прилегать к внешней стенке сосуда.

Резку больших листов стекла производят только при его размещении на абсолютно ровной поверхности. Листы стекла хранят в вертикальном положении (на ребре). Если необходимо перенести лист стекла, его обхватывают с двух сторон обеими руками, широко расставив пальцы. Чтобы избежать порезов, необходимо взять в каждую руку по салфетке.

Этот способ изготовления различных фигурок из стекла заключается в том, что из приготовленных заранее стеклянных трубок или стержней выдувают и лепят мелкие фигурки. Сделать их можно даже в небольшой мастерской, подобрав материал и необходимые инструменты.

Такой вид изготовления стеклоизделий появился задолго до возникновения выдувного гутного производства. Еще в Древнем Египте умели делать разнообразные украшения и небольшие фигурки животных и птиц, используя для этого заранее изготовленные стеклянные трубки, нити и разноцветную стеклянную крошку. При этом нити и трубки либо вытягивали из сваренной стекломассы, наматывая ее в горячем состоянии на металлический прут, либо растягивали предварительно выплавленную стеклянную заготовку, придавая при этом последней форму тонкой палочки.

В XX в. большой популярностью пользовались фигурки, изготовленные Ярославом Брыхтой и его учениками, работавшими в Чехословакии.

В нашей стране созданием миниатюр из стекла стали заниматься с середины XIX в. Первые фигурки изготовил тверской мастер-стеклодув Г. С. Орлов. Затем трубки, специально предназначенные для выдувных работ, производились на Круговском заводе в городе Клине.

Стеклодувное мастерство с течением времени все больше совершенствовалось. И если сначала таким способом производили только украшения (бусы, елочные игрушки), то с развитием ремесла и появлением более совершенной стеклодувной техники стали выпускать медицинский инвентарь и лабораторную посуду для химических исследований. Особенно славился своей продукцией завод на станции Спирово Тверской губернии, где все работы по стеклу велись под руководством М. Г. Орлова, сына известного мастера.