История стекла уходит в глубокую древность. Известно, что в Египте и Месопотамии его умели делать уже 6000 лет назад. Вероятно, стекло начали изготавливать все же позже, чем первые керамические изделия, так как для его производства требовались более высокие температуры, чем для обжига глины. Если для простейших керамических изделий было достаточно только глины, то в состав стекла необходимо минимум три компонента.
Изделия из стекла так же, как и из керамики, практически не подвергаются атмосферным воздействиям и хорошо сохраняются даже под слоем земли. Эти изделия оказались важнейшими документами далекого прошлого. Они донесли до нас бесценную информацию об уровне культуры и техники древних народов. Благодаря стеклу до нашего времени дошли величайшие художественные произведения различных эпох культуры человечества.
Первый стекольный завод в России был построен в 1636 г. близ г. Воскресенска под Москвой. На нем выдували оконное стекло и стеклянную посуду. Через 30 лет в селе Измайлово, также под Москвой, был построен завод, на котором изготовляли высококачественные стаканы, графины, фляги, рюмки, кувшины и др. Особенно быстро стеклоделие развилось при Петре I. В XVIII в. около Москвы действовало шесть стекольных заводов.
Главный потребитель стекла в настоящее время – строительная индустрия. Больше половины всего вырабатываемого стекла приходится на оконное для остекления зданий и транспортных средств: автомашин, железнодорожных вагонов, трамваев, троллейбусов. Кроме того, стекло используют в качестве стенового и отделочного материала в виде пустотелых кирпичей, блоков из пеностекла, а также облицовочных плиток. Примерно треть производимого стекла идет на изготовление сосудов различного типа и назначения. Это прежде всего стеклянная тара – бутылки и банки. В большом количестве стекло расходуется на изготовление столовой посуды. Стекло пока незаменимо для производства химической посуды. В довольно большом количестве из стекла изготавливают вату, волокно и ткани для тепловой и электрической изоляции.
Относительная дешевизна стеклянных строительных материалов обусловливается широким распространением, а, следовательно, доступностью и дешевизной сырья. Расплавленное стекло является удобным материалом для формования в изделия механизированным способом. Стекло хорошо поддается механической обработке. Это также снижает стоимость стеклянных изделий. Стекло пилят так же, как дерево, но для этого в кромку дисковой пилы зачеканивают алмазный или иной твердый порошок. Его можно сверлить обыкновенными стальными сверлами, применяя специальную смачивающую жидкость. Стекло колют на куски при помощи простого инструмента, напоминающего колун для дров, но действующим не ударом, а постепенно нарастающим усилием. Стекло можно обрабатывать на токарном станке резцами из особо твердой стали, вытачивая фигурные колонки так же, как из дерева или металла. Стекло шлифуют и полируют, применяя обычные абразивные порошки, инструменты и методы, давно известные и широко используемые в металлообрабатывающем производстве. Стекло можно сварить из одного кварцевого песка, химическая формула которого SiO2. Однако для этого нужна очень высокая температура (выше 1700 ° C). Получение таких температур в печах промышленного типа связано с большими трудностями. Обычные печи, в которых используются твердое, жидкое или газообразное топливо, для этого не годятся. Для плавления кварцевого песка применяют электрические печи специального устройства или горелки, в которых сжигается водород в токе кислорода. Расплавленный кварцевый песок представляет собой столь густую и вязкую массу, что из нее трудно удалить воздушные пузырьки и придать изделиям нужную форму.
В стекловарении используют только самые чистые разновидности кварцевого песка, в которых общее количество загрязнений не превышает 2...3%. Особенно нежелательно присутствие железа, которое даже в ничтожных количествах (десятые доли%) окрашивает стекло в зеленоватый цвет. Если к песку добавить соду Na2CO3, то удается сварить стекло при более низкой температуре (на 200...300 ° ). Такой расплав будет иметь менее вязкий (пузырьки легче удаляются при варке, а изделия легче формуются). Но! Такое стекло растворимо в воде, а изделия из него подвергаются разрушению под влиянием атмосферных воздействий. Для придания стеклу нерастворимости в воде в него вводят третий компонент – известь, известняк, мел. Все они характеризуются одной и той же химической формулой – CaCO3.
Стекло, исходными компонентами шихты которого является кварцевый песок, сода и известь, называют натрий-кальциевым. Оно составляет около 90% получаемого в мире стекла. При варке карбонат натрия и карбонат кальция разлагаются в соответствии с уравнениями:
Na2CO3 → Na2O + CO2
CaCO3 → CaО + CO2
В результате в состав стекла входят оксиды SiO2, Na2O и CaО. Они образуют сложные соединения – силикаты, которые являются натриевыми и кальциевыми солями кремниевой кислоты.
В стекло вместо Na2O с успехом можно вводить K2О, а CaО может быть заменен MgO, PbO, ZnO, BaO. Часть кремнезема можно заменить на оксид бора или оксид фосфора (введением соединений борной или фосфорной кислот). В каждом стекле содержится немного глинозема Al2O3, попадающего из стенок стекловаренного сосуда. Иногда его добавляют специально. Каждый из перечисленных оксидов обеспечивает стеклу специфические свойства. Поэтому, варьируя этими оксидами и их количеством, получают стекла с заданными свойствами. Например, оксид борной кислоты B2O3 приводит к понижению коэффициента теплового расширения стекла, а значит, делает его более устойчивым к резким температурным изменениям. Свинец сильно увеличивает показатель преломления стекла. Оксиды щелочных металлов увеличивают растворимость стекла в воде, поэтому для химической посуды используют стекло с малым их содержанием. В табл. 1 приведен состав (в%) некоторых типичных промышленных стекол.
Сода – сырье относительно дорогое и имеющее огромный спрос со стороны различных отраслей народного хозяйства. Поэтому в качестве источника Na2O при варке стекла используют также природный минерал Na2SO4. В России его огромные залежи имеются на месте бывшего залива Кара-Богаз-Гол (рядом с Каспийским морем). Однако в этом случае варка стекла требует более высоких температур. Кроме того, в шихту необходимо вводить уголь для восстановления серы в соответствии с уравнением
2Na2SO4 + С → 2Na2O + 2SO2↑ + CO2↑
При варке стекла первым плавится оксид щелочного металла, после чего в этом расплаве начинают растворяться зерна кварца и известняка, вступая в химическое взаимодействие. Поэтому чем больше в стекле оксидов щелочных металлов, тем при меньших температурах оно плавится. В Древнем Египте, когда техника получения высоких температур была несовершенна, в стеклоделии преобладали рецепты с повышенным содержанием оксидов щелочных металлов (до 30%) и малым содержанием извести (около 3...5%). В эллинистическую эпоху, с усовершенствованием техники получения высоких температур, содержание оксидов щелочных металлов снижается до 16...17%, а извести повышается до 10%. Естественно, что такие стекла стали более стойкими к воде. В настоящее время варка стекла проводится при температуре 1400...1500 ° C в течение нескольких часов. Процесс варки стеклоделы делят на три стадии: провар шихты, осветление (удаление «мошки» и «свилей»), студка – осторожное охлаждение.
Мошкой стеклоделы называют мелкие пузырьки газа, распределенные по всей массе стекла. Ее удаление из жидкой массы производят «бурлением» при помощи деревянной чурки или обыкновенного сырого картофеля. Помещенные в жидкое стекло, они дают обильное выделение газов, которые и очищают от мошки всю массу. Ее наличие в изделиях считается браком. Мошка особенно недопустима в оптических стеклах.
Стекольным свилем называют нитеобразные потоки, подобные тем, которые можно наблюдать в процессе растворения сахара в воде при медленном перемешивании. Свиль – это видимая граница двух соседних участков стекольной массы. Наличие свилей свидетельствует о плохой перемешанности стекольной массы при варке, т.е. о его низком качестве.
Охлаждение стекла, а точнее изделия из него проводят медленно, чтобы избежать в нем напряжений. При быстром охлаждении стекла поверхностные слои тела затвердевают и могут иметь температуру, близкую к комнатной, а внутренние части, вследствие низкой теплопроводности, могут иметь температуру до 1000 ° C. Поскольку внутренние части при охлаждении сжимаются, а наружные уже не уменьшаются в размере, в них возникают высокие поверхностные сжимающие напряжения. Внутренние слои, наоборот, испытывают высокие растягивающие напряжения. Такое стеклянное тело называют «закаленным». Закаленное стекло обладает высокой механической прочностью. Однако у него есть и недостатки. При нарушении поверхностного слоя (например, нанесение царапины), т.е. при нарушении сжимающих и растягивающих сил, закаленное стекло разлетается вдребезги.
При медленном охлаждении стеклянного тела растягивающие и сжимающие напряжения не возникают. Такое стекло называют «отожженным». Мелкие изделия, например столовая посуда, отжигаются (охлаждаются) в течение нескольких часов. Крупные и прецизионные изделия, например линзы астрономических объективов диаметра 1 м и более, отжигаются в течение нескольких месяцев.
Окраску стекла осуществляют введением в него оксидов некоторых металлов или образованием коллоидных частиц определенных элементов. Так, золото и медь при коллоидном распределении окрашивают стекло в красный цвет. Такие стекла называют золотым и медным рубином соответственно. Серебро в коллоидном состоянии окрашивает стекло в желтый цвет. Хорошим красителем является селен. В коллоидном состоянии он окрашивает стекло в розовый цвет, а в виде соединения CdS·3CdSe – в красный. Такое стекло называют селеновым рубином. При окраске оксидами металлов цвет стекла зависит от его состава и от количества оксида-красителя. Например, оксид кобальта (II) в малых количествах дает голубое стекло, а в больших – фиолетово-синее с красноватым оттенком. Оксид меди (II) в натрий-кальциевом стекле дает голубой цвет, а в калиево-цинковом – зеленый. Оксид марганца (П) в натрий-кальциевом стекле дает красно-фиолетовую окраску, а в калиево-цинковом – сине-фиолетовую. Оксид свинца (II) усиливает цвет стекла и придает цвету яркие оттенки.
Бутылочное стекло низкого сорта, как правило, имеет окраску, которая зависит от присутствия в нем ионов Fe2+и Fe3+. Стекольное сырье трудно очищается от железа и поэтому в дешевых сортах оно всегда присутствует. Ионы Fe2+ хорошо поглощают лучи света с длиной волны примерно 600 ммк (желтые и красные) и, следовательно, окрашивают стекло в дополнительный голубой цвет. Ионы Fe3+ поглощают лучи с длиной волны 500 ммк (синие и фиолетовые), окрашивая стекло в желтоватый цвет. Важно отметить, что ионы Fe2+ в области видимого света имеют удельное поглощение, примерно в 10 раз большее, чем ионы Fe3+. Поскольку в стекле одновременно содержатся как ионы Fe2+, так и ионы Fe3+, они и придают стеклу зеленоватую окраску (бутылочный цвет).
Существуют химические и физические способы обесцвечивания стекла. В химическом способе стремятся все содержащееся железо перевести в Fe3+. Для этого в шихту вводят окислители – нитраты щелочных металлов, диоксид церия СеO2, а также оксид мышьяка (III) As2O3 и оксид сурьмы (III) Sb2O3. Химически обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счет ионов Fe3+) в желтовато-зеленоватый цвет, но обладает хорошим светопропусканием. При физическом обесцвечивании в состав стекла вводят «красители», т.е. ионы, которые окрашивают его в дополнительные тона к окраске, создаваемой ионами железа, – это оксиды никеля, кобальта, редкоземельных элементов, а также селен. Диоксид марганца MnO2 обладает свойствами как химического, так и физического обесцвечивания. В результате двойного поглощения света стекло становится бесцветным, но его светопропускание понижается. Таким образом, следует различать светопрозрачные и обесцвеченные стекла, поскольку эти понятия различны.
Следует также отметить, что окрашенное стекло иногда предохраняет содержимое бутылок от нежелательного фотохимического воздействия. Поэтому окраску бутылочного стекла иногда специально усиливают.
Одним из важнейших свойств стекла является прозрачность. Однако в ряде случаев стеклу специально придают непрозрачность путем его «глушения». Это процесс, в результате которого стекло становится непрозрачным. Вещества, способствующие помутнению стекла, называют глушителями. Глушение происходит вследствие распределения по всей массе стекла мельчайших кристаллических частиц. Они представляют нерастворившиеся частицы глушителя или частицы, выделившиеся из жидкой массы при охлаждении стекла. Эти частицы обычно прозрачны, но их показатель преломления отличается от показателя преломления стекла. Поэтому падающий на них луч отклоняется от прямолинейного направления и стекло перестает быть прозрачным. В далеком прошлом в качестве глушителей стекла использовали костяную муку, содержащую фосфат кальция Ca3(PO4)2, а также оксиды олова SnO, мышьяка As2O3 и сурьмы Sb2O3. В настоящее время для этой цели применяют криолит Na3[AlF 6], плавиковый шпат CaF2 и другие фторидные соединения.
Сильно заглушенное стекло (белого цвета) называют молочным. Для его изготовления чаще всего используют криолит. Молочное стекло используют главным образом для изготовления осветительной арматуры.
Несмотря на то что возраст стеклоделия оценивается в 6 тыс. лет, прозрачное и бесцветное стекло люди научились варить лишь на пороге новой эры. До этого производилось непрозрачное окрашенное в различные тона стекло и из него изготавливались главным образом мелкие изделия: бусы, браслеты, пуговицы, кольца, печатки, шахматные фигуры и др. Стеклодувы античной эпохи начали широко применять холодную обработку стекла: рельефную резьбу, гравировку, шлифовку. Как только было получено прозрачное стекло, стеклоделы стали стремиться изготовить из него оконные пластины. Ученые предполагают, что оконное стекло вначале было цветным. Это объясняется тем, что бесцветное стекло получить было весьма непросто, так как сырье обычно содержит различные примеси, которые придают стеклу окраску. Особенно часто в сырье присутствуют соединения железа. Получение пластин для остекления окон оказалось весьма непростым делом. Изготовление полых изделий довольно сложной формы путем выдувания для человека было более простой задачей, чем получение листового стекла. Эта задача была решена лишь к концу средневековья. При раскопках Помпеи, погребенной под пеплом вулкана Везувия в 79 г. н.э., было установлено, что в очень редких случаях в окна были вставлены пластины стекла, которые были довольно толстыми. По-видимому, тонкое листовое стекло итальянские стеклоделы еще не научились делать.
Считают, что метод выдувания, так же как и способ варки прозрачного стекла, был открыт в период смены летоисчисления. Поводов для его открытия было предостаточно. Для получения высоких температур в металлургии был уже известен способ дутья. При варке стекла, требующей также высоких температур, дутье, в частности, проводилось при помощи легких человека. Для этого использовались длинные и полые тростниковые трубки, конец которых обмазывался глиной. Последнее было необходимо для того, чтобы трубка не загоралась. Таким образом, для открытия метода выдувания стеклянных изделий были созданы все предпосылки. Нужен был только случай, когда конец трубки прикоснется к жидкой стекольной массе. Если это произошло, то, продолжая дуть в трубку, человек должен получить что-то похожее на пузырь. Следующим шагом было помещение выдуваемого «пузыря» в деревянную форму, и полое стеклянное изделие почти готово. Как здесь не вспомнить хорошо известное изречение, что «все гениальное просто».
Вероятно, метод выдувания изделий из стекла был изобретен в различных местах, где культивировалось стеклоделие, примерно в одно и то же время. Однако принято считать, что способ выдувания был изобретен в Александрии в I в. до н.э. На первый взгляд, удивительно, что люди научились делать стеклянные изделия сложной полой конфигурации, но не умели делать листовое стекло. Однако для этого были свои весьма основательные технические затруднения.
