Текст книги "История стекла. От стеклянного оружия до стекол иллюминаторов космических кораблей"

Использование современного стекла

Достижения науки

Стёкла образуются в результате переохлаждения расплавов со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации.

Присутствие в составе стекла соединений того или иного химического элемента, оксида металла, может влиять на его окраску, степень электропроводности, и другие физические и химические свойства.

К стеклообразующим веществам относятся: некоторые оксиды и фториды. В зависимости от основного используемого стеклообразующего вещества, стёкла бывают оксидными (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные), фторидными.

Базовый метод получения силикатного стекла заключается в плавлении смеси кварцевого песка, соды и карбоната кальция.

В качестве главной составной части в стекле содержится 70–75 % диоксида кремния определенного качества.

Второй компонент – оксид кальция – делает стекло химически стойким и усиливает его блеск.

Следующей составной частью стекла являются оксиды щелочных металлов – натрия или калия, нужные для плавки и выделки стекла. Их доля составляет примерно 16–17 %. На стекло они идут в виде соды или поташа, которые при высокой температуре разлагаются на оксиды. 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.

Стеклом называют аморфное вещество, которое в твердом состоянии не обладает свойствами кристаллов, но вызывает чрезвычайный интерес с декоративной и промышленной точки зрения.

Благодаря современным технологиям появилась возможность проводить различные виды обработки хрупкого материала: сверлить, резать, гнуть, а также склеивать стекла для воплощения в жизнь любых идей и фантазий, а также расширения областей применения.

Современные виды стекол предназначены выполнять определенные функции: беречь тепло, обеспечивать звукоизоляцию и шумопоглощение.

Закаленное стекло производят из обычного листового стекла, которое подвергают специальной термической обработке. Материал имеет высокую термическую и механическую прочность.

Триплекс или ламинированное стекло отличается особой прочностью. Его производство основано на склеивании нескольких стеклянных слоев совместно с поливиниловой пленкой или полимером. Процесс проходит при высоких значениях температуры и давления в специальных автоклавах.

Гнутое или моллированное стекло изготавливается в печах при высоких значениях температуры (60—650 °C) путем размягчения, последующего изгибания при помощи специальных шаблонов и закрепления полученной формы при постепенном охлаждении. К основным областям его использования относят автомобильную промышленность, создание перегородочных и интерьерных конструкций, мебели, остекленение фасадов и крыш.

Эмалит представляет вид закаленных стекол с односторонним эмалевым покрытием из цветных керамических красок. Эмалированное стекло изготавливается путем закалки при термической обработки в печи, относится к одному из самых безопасных видов стекольной продукции и широко используется при проведении облицовочных работ внутренних и наружных поверхностей.

Флоат-стекло представляет собой термополированное стекло, которое изготавливается флоат-методом из листового материала. В основе метода лежит процесс термического формования на металлическом расплаве. После прохождения различных видов обработки флоат-стекло превращается в зеркальные полотна, энергосберегающие и другие виды стекол.

Витражное или фьюзинг стекло производится методом совместного запекания кусочков стекла, которые имеют разные цвета, размеры и формы. Оно создает волшебную игру цвета в окружающем пространстве и улучшает настроение.

Для изготовления стекла может использоваться различное сырье. От него зависят свойства и внешний вид материала. Различают следующие разновидности стекла:

✓ кварцевое

✓ натриево-силикатное

✓ известковое

✓ свинцовое

✓ боросиликатное.

Существуют и другие разновидности стекол, которые однако не нашли промышленной популярности. Они больше подходят для узкоспециализированных задач. К примеру, такой редкой разновидностью является урановое стекло, которое раньше использовалось для изготовления ваз, чаш и прочей посуды.

Материал является самым простым в плане сложности химического состава. По сути это просто сваренный кварцевый песок. Хотя изделие и простое в плане состава, но сложное в изготовлении. Это связано с высокой температурой плавки песка. С расплавленной кварцевой массой сложно работать, формируя необходимые изделия, что делает материал не распространенным.

В частности из него делают химические стаканы, колбы для ртутных ламп. Для менее ответственных изделий его применение нерационально. Важным качеством кварцевого стекла является высокая температурная устойчивость. Оно не меняет свою форму при нагреве до температуры 1000 °C. Материал хорошо переносит резкие перепады температуры. При неравномерном сильном разогреве или охлаждении поверхности он может давать трещины.

Материал получается в результате совместной варки оксида кремния и оксида натрия. Последний компонент это обычная сода, которая действует как флюс. Плавка и варка стекла выполняется при температуре 900 °C. Главная особенность таких стекол в том, что они растворяются в воде. Однако несмотря на это они получили широкое распространение в промышленности.

Это стекло является практически натриево-силикатным, в которое добавлена известь. Включение последнего компонента делает материал устойчивым к растворению в воде. Именно этот тип стекла широко использовали в древности благодаря сравнительной легкости его производства.

Известковые стека производят и в наше время, но немного по усовершенствованной технологии. В него добавляют оксид алюминия, оксид магния и прочие компоненты, позволяющие повысить качество готового изделия. Зачастую оконные стекла сделаны именно из этого материала, как и большинство зеркал. Массовая доля всего производимого в мире стекла является известковым.

Несмотря на название, в состав этого стекла помимо свинца также включены сода, кремнезем и еще несколько оксидов. Этот материал является очень эффективным электрическим изолятором. Благодаря этому его используют при изготовлении микросхем, изоляторов для конденсаторов.

Эта разновидность стекла отличается повышенным блеском. Подавляющее число так называемых хрустальных изделий являются свинцовыми стеклами. Это дорогой материал с высокими декоративными качествами.

В став боросиликатного стекла включен оксид бора. За счет этого материал отличается высокой устойчивостью к температурному воздействию как минимум в 2 раза выше, чем у обычных видов стекла. Его часто называют пирекс. Это его торговое название, которое было присвоено производителем, разработавшим его рецептуру. Высокая стойкость материала к термоудару делают боросиликатное стекло популярным при производстве посуды. Из него делают тарелки, кастрюли, чашки и т. д.

Помимо различия по сырью, также осуществляется классификация стекла на виды и по другим критериям. Они бывают такими:

✓ ламинированные;

✓ закаленные;

✓ армированные;

✓ энергосберегающие;

✓ солнцезащитные;

✓ окрашенные в массе;

✓ окрашенные.

Ламинированное стекло также называют триплекс. Это листовой материал, состоящий из нескольких слоев обычного стекла, между которыми располагается пленка или полимер. Наличие последних делает материал более крепким и безопасным. При разбивании он не разлетается на мелкие осколки. В связи с этим его используют для изготовления лобовых стекол для автомобилей.

В целом материал имеет массу достоинств. Его сложнее разбить, он лучше останавливает ультрафиолет. За счет пленки при взгляде на него с внешней стороны создается эффект поляризации, снижающий просматривание.

Эти стекла поддаются термической или химической обработки. За счет этого они становятся более крепкими и твердыми. Их очень сложно разбить или поцарапать. Их используют для изготовления триплекса, стеклопакетов для окон. В случае разбивания, что бывает редко, закаленное стекло разлетается на мелкие не острые безопасные осколки.

Эти стекла содержат внутри металлическую сетку. Она выступает в качестве армирующего слоя. За счет нее обеспечивается высокая ударопрочность.

В случае разбивания осколки стекла удерживаются на сетке. Это позволяет ему по-прежнему выполнять свою функцию, хотя и менее эффективно.

Стекло считается эффективным для удержания распространения огня и дыма. Его часто используют для остекления хозяйственных построек, СТО, гаражей, автомоек. За счет сетки внутри окна разбиваются с меньшей вероятностью, чем обычные стекла. Армированное изделие хорошо пропускает свет, но искажает изображение. По этой причине оно совершенно непригодно для установки в окна домов, административных и офисных зданий.

Это низкоэмиссионные виды стекла. Они наделены весьма важным качеством – отражают обратно тепловые лучи при воздействии с одной стороны. Их применяют для сборки стеклопакетов для окон. За счет них тепло помещения при попадании на остекление не проходит наружу. При этом свет и тепло от солнечных лучей проникают внутрь помещения без проблем.

Эффект энергосбережения может достигаться напылением на стекла специального состава или путем приклеивания пленки. Нужно отметить, что энергосберегающее остекление может дополнительно работать и в обратную сторону, препятствовать проникать солнечного тепла внутрь помещения.

Изделие этого типа работает на отражение солнечного тепла. Оно используется для изготовления стеклопакетов. Оно размещается отражающей стороной на улицу, за счет чего внешнее тепло не проникает в помещение. Стоимость такого стекла может существенно отличаться. Самые дорогие способны отражать солнечное тепло, при этом пропускать внутрь практически весь свет. За счет этого в помещение поступает нормальное дневное освещение.

Такое стекло является менее прозрачным. За счет этого оно поглощает часть света и тепла. Чаще всего при его изготовлении используются цветные пигменты: зеленые, коричневые, бронзовые, серые.

За счет поглощения тепла поверхность стекла сильно разогревается. Установлено, что у стекол с поглощением света на 50 % температура поверхности днем может дойти до 90 °C. Касание к ним в такие моменты вызывает ожог на коже. Использование таких стекол на окнах также нежелательно и по причине пагубного влияния на человека. Тусклый свет через такое окно приводит к нарушению ориентированию во времени, порчи зрения.

Такие стекла изначально являются прозрачными. Для снижения пропускной способности они могут окрашиваться с одной из сторон. Как следствие сквозь них может проникать меньше света. Кроме этого отдельные виды красок дают возможность сохранить отличную прозрачность с одной стороны и зеркальный эффект с другой.

Ламповое стекло вырабатывают выдуванием в особых формах. Ассортимент ламповых стекол группируется соответственно ассортименту керосиновых ламп, т. е. по фасону и размерам. Различают ламповое стекло для горелок с круглым фитилем (молния, чудо, матадор) и для горелок с плоским фитилем. Размеры ламповых стекол обозначаются соответственно размерам ламповых горелок в линиях (по ширине фитиля). Так, стекла для ламп с плоским фитилем вырабатывают размером в 5, 7 и 10 линий, для ламп молния – 20 и 30 линий, ламп чудо – 15 линий.

К ламповым стеклам условно относят также стекла для керосиновых фонарей.

По качеству ламповые стекла подразделяют на 1-й и 2-й сорта. Сорт стекла определяется по наличию пороков стекломассы (шлира, свили, пузырей и т. д.) и пороков выработки (щербин, косых срезов и т. д.). Ламповые стекла должны быть хорошо отожжены и выдерживать испытание на термическую устойчивость.

Ламповые резервуары. Как и ламповые стекла, ламповые резервуары вырабатываются выдуванием. По форме различают резервуары в лиру (проволочное приспособление для подвешивания ламп) и резервуары в фулярку (жестяная коробка для стенных и настольных ламп).

Стеклянные лампы. По конструкции различают стеклянные лампы цельные, с прессованной ножкой и лампы разборные «с тумбой», состоящие из стеклянной полой подставки и стеклянного резервуара.

Оконное стекло вырабатывается машинным способом. Этот способ состоит в том, что на поверхность расплавленной стеклянной массы помещают особую лодочку из огнеупорного материала, имеющую продольную щель, через которую стекло выдавливается в виде ленты. Лента стеклянной массы захватывается особым приспособлением и тянется вверх. На определенной высоте лента поступает в вальцы, которыми и поднимается далее по шахте машины. Здесь, уже в охлажденном состоянии, лента отрезается алмазом и затем разрезается на листы определенного размера.

Еще в советское время мастерами достигнута самая высокая в мире скорость вытягивания ленты стекла – около 140 погонных метров в час.

На стекольных заводах разработан также технически более совершенный способ безлодочного вытягивания стекла непосредственно с поверхности стекломассы.

Оконное стекло группируют по толщине, по размерам листов и по качеству.

По толщине оконное стекло делится на группы, носящие условные наименования: стекло одинарное утоненное, одинарное нормальное, полуторное, двойное, тройное, утолщенное.

В зависимости от размеров стекло группируется на так называемые ключи, или разряды (от 1 до 16-го), причем ключ стекла обозначает определенную площадь листа стекла. Так, например, к первому ключу относят оконное стекло площадью до 0,1 м², ко второму – до 0,3 м², к девятому – от 2,5 до 3,0 м² и т. д.

По качеству оконное стекло делится на 1-й, 2-й и 3-й сорта. При сортировке учитывается правильность формы листа стекла и наличие общих дефектов стеклянной массы (камней, пузырей, мошек, цветных оттенков и т. п.) и дефектов выработки (полосность, щербины и др.).

Это гибридное название относится к материалам, которые вначале были произведены как стекла, а потом во всей своей массе переведены в кристаллическое состояние. Они выпускаются фирмой «Корнинг гласс уоркс» под зарегистрированными торговыми названиями «пирокерамика» и «фотокерамика».

Сырьевые материалы для изготовления стеклокерамики примерно те же, что и для изготовления стекла, однако включают некоторые дополнительные добавки, играющие роль зародышеобразователей. После формования одним из обычных способов – прессования, выдувания или прокатки – изделие нагревается до температуры образования ядер кристаллизации. В 1 см³ изделия образуются миллиарды таких ядер, которые вырастают до мельчайших кристаллов, хотя никакой видимой кристаллизации не происходит. Затем температура повышается, и во всем объеме стеклообразного изделия начинается кристаллизация вокруг кристаллов-зародышей. Процесс продолжается до тех пор, пока растущие кристаллы не наталкиваются друг на друга и вся масса изделия не становится кристаллической за исключением малых областей  стеклообразной матрицы на границах кристалла. Температуры переработки, зародышеобразования и кристаллизации зависят от состава стекла. В некоторых случаях образование ядер кристаллизации производится воздействием рентгеновского или ультрафиолетового излучения с последующей термообработкой.

В отличие от обычной керамики, стеклокерамика не имеет пор, а ее кристаллы меньше размером и более однородны. По сравнению со стеклом-основой стеклокерамика тверже, не деформируется до более высоких температур и в несколько раз прочнее. Одним из первых ее применений были обтекатели ракет. Теперь широко используется стеклокерамическая посуда, которую можно переставлять из холодильника прямо на плиту. Лабораторная посуда, цилиндры двигателей и даже шарикоподшипники изготавливаются из стеклокерамики. Эти разработки – главное достижение в технологии стекла.

Медицинское стекло

Медицинское стекло предназначено для хранения и упаковки лекарственных средств, инъекционных и бактериологических растворов, а также для изготовления предметов по уходу за больными. Это:

✓ аптекарская посуда;

✓ флаконы для антибиотиков;

✓ ампулы, шприцы и другие предметы ухода за больными;

✓ трубки, являющиеся полуфабрикатами для изготовления различных изделий.

Изделия из медицинского стекла характеризуются разнообразием формы и размеров: вместимость тары изменяется в пределах от 2 до 25000 мл, флаконов от 9 до 25 мл, ампул от 1 до 60 мл, трубок (дрота) от 7 до 50 мм в диаметре.

Преимуществами стеклянной тары перед другими видами тары, обусловившими ее широкое применение, являются гигиеничность, прозрачность, возможность производства разнообразных объемов и массы, герметичность укупорки, доступная цена.

Стеклянные ампулы в медицинской промышленности используются для хранения особо чувствительных к щелочам фармацевтических растворов и веществ для лекарственных инъекций.

Основным требованием, предъявляемым к медицинскому стеклу, является высокая химическая устойчивость к соответствующим реагентам. Стекла не должны взаимодействовать с содержащимися в них лекарствами. Это определяет особенности составов стекол. Щелочи, выделяющиеся из обычного стекла при воздействии на него растворов различных препаратов портят медикаменты, вызывая образование осадка и хлопьев.

При хранении лекарств, разлагающихся при воздействием солнечных лучей, к стеклу предъявляются требования по светозащитным свойствам.

В тех случаях, когда изделия проходят термическую обработку на горелке, выбирают стекла, обладающие малой склонностью к кристаллизации.

Кроме того, растворы в ампулах подвергаются стерилизации при 100–130 °C, следовательно, ампульное стекло должно быть стойким к растворам и при нагревании.

Основным требованием, предъявляемым к медицинскому стеклу, является высокая химическая устойчивость к соответствующим реагентам

Необходимость стерилизации медицинских стекол паром в автоклавах обусловила дополнительное требование к ним по устойчивости к любому виду испытаний. На основании ее стекла всех составов делятся на три класса:

– нейтральное с высокой устойчивостью к стерилизации паром в автоклаве при давлении 0,2 МПа;

– допускающее стерилизацию в автоклаве без образования высокощелочных растворов и хлопьевидных осадков;

– тарное, не допускающее такой обработки в связи с образованием растворов высокой щелочности (МТ, МТО, ОС).

Развитие медицинской промышленности предъявляет повышенные требования к стеклу, в частности увеличение химической стойкости существующих стекол и разработки новых составов стекол для ряда особо чувствительных препаратов.

Для хранения таких препаратов применяют сосуды из «нейтральных» стекол, водная вытяжка из которых имеет почти нейтральную реакцию.

Медицинское стекло получают в результате охлаждения расплавленной смеси силикатов, оксидов металлов, солей и представляет собой твердый раствор.

Основным требованием, предъявляемым к медицинскому стеклу, является высокая химическая устойчивость к соответствующим реагентам. Это определяет особенности составов стекол. Щелочи, выделяющиеся из обычного стекла при воздействии на него растворов различных препаратов, особенно содержащих алкалоиды, портят медикаменты, вызывая образование осадков и хлопьев. Для хранения таких препаратов применяют сосуды из так называемых «нейтральных» стекол, водная вытяжка из которых имеет почти нейтральную реакцию.

Из-за того что медицинское стекло изготавливают из кварцевого стекла, состоящего на 95–98 % из кремния диоксида, оно обладает очень высокой термической и химической устойчивостью. Изготовление и запайка ампул затруднительна из такого стекла из-за чрезвычайно высокой температуры плавления (1550–1800 °C).

В состав стекла для понижения температуры плавления добавляются специальные модификаторы (калия и натрия оксиды). Введение данных веществ может настолько уменьшить химическую устойчивость, что возможно получение жидкого или растворимого стекла (калия или натрия силикатов).

Бытовое стекло получают при сплавлении кварцевого песка, известняка, натрия карбоната (сульфата). Из-за низкой термической и химической стойкости применение такого стекла ограничено изготовлением посуды, бутылок, оконных стекол.

Повысить химическую стойкость возможно введением в состав стекла алюминия и бора оксидов. При этом получают новый состав алюмоборосиликатного стекла, в составе которого имеются сложно диссоциирующие комплексы. Термическая устойчивость повышается благодаря добавлению в раствор магния оксидов. Вариабельность содержания алюминия, бора и магния оксидов позволяет повысить также ударную прочность стекла, снизив его хрупкость.

Основным сырьем для производства стекла являются:

✓ кварцевый песок;

✓ нефелин;

✓ магнезит (магния карбонат);

✓ доломит (магния и кальция карбонат);

✓ натрия тетраборат;

✓ кислота борная;

✓ известняк (кальция карбонат);

✓ поташ (калия карбонат);

✓ сода кальцинированная (натрия карбонат);

✓ натрия сульфат.

Варку медицинского стекла проводят в ванных регенеративных печах непрерывного действия производительностью 12–30 т/сут. Температура варки 1440–1480 °C, выработки 1190–1250 °C.

Тару и дрот вырабатывают обычными методами, применяемыми для этих целей в стекольной технологии: дрот – горизонтальным вытягиванием на машинолиниях АТГ; банки, склянки, флаконы, тару аптечно-медицинскую – на выдувных автоматах с вакуумным питанием (BB-7 и капельным питанием (фидерные секционные автоматы типа АВ-6 и карусельные автоматы типа ВВ-7, полуавтоматы типа ВШМ, ВВ-2); банки вместимостью более 5 л – на полуавтоматах, а также ручным способом.

Требования к стеклу для ампул:

✓ термическая устойчивость (способность не разрушаться при резких колебаниях температуры);

✓ химическая устойчивость (возможность обеспечения сохранности лекарственных растворов);

✓ механическая прочность (для противостояния нагрузке в процессе производства, транспортировке, хранении);

✓ необходимая хрупкость (для легкого вскрытия капилляра ампулы;

✓ прозрачность (для оптического и визуального контроля раствора на отсутствие механических включений);

✓ легкоплавкость (для запайки ампул, заполненных раствором, при низкой температуре);

✓ бесцветность (для обнаружения изменения цвета раствора).

Основные показатели качества стекла для ампул и флаконов:

✓ химическая устойчивость (водостойкость, щелочестойкость);

✓ термическая устойчивость;

✓ светозащитные свойства.

В 1980 году сотрудниками ленинградского опытного конструкторско-технологического бюро «Кристалл» было зарегистрировано изобретение нового состава медицинского стекла. Цель изобретения – повышение химической устойчивости к щелочным средам и интерстициальной жидкости организма.

Изобретение относится к медицинскому материаловедению (медицинское стеклоделие). Оно может быть использовано для изготовления медицинских измерительных кювет, флаконов Эрла, конструкционных элементов культиваторов, матрацев Ру-изделий из стекла, используемых в технологических схемах и контролирующих аппаратах культивационных производств, а так же как материал для медицинского протезирования, например глазных протезов и эндопротезов, и может длительно противостоять действию интерстициальной жидкости организма.

Материал, находящийся в контакте со средой культивационного пространства и средами организма наряду с требованиями биорезистентности должен отвечать ряду технических требований: высокой стабильностью физико-химических свойств (оптических термомеханических), химической устойчивостью к моющим и стерилизующим растворам.

В 1982 году на «Кристалле» был запатентован новый состав медицинского стекла. Цель изобретения – повышение кислотостойкости, термостойкости и биологической совместимости. Оно отличается тем, что с целью повышения кислотостойкости, термостойкости и биологической совместимости, дополнительно содержит СаО и MgO.

Стекло не содержит токсичных, дорогих дефицитных компонентов. Технология варки стекла несложна. Стекло устойчиво в кристаллизации, хорошо вырабатывается и можно производить на заводах медицинского приборостроения на существующем оборудовании без перестройки техпроцесса. Температура варки в пределах 1500–1550 °C. Синтез не выдвигает особых требований к защите огнеупорных сосудов и варочных пространств печей. Выработка стекла возможна всеми видами: выдуванием, прессованием, прокатом. В интервале выработки и отжига явлений кристаллизации не отмечается.