Из чего делают стекло: состав, производство на заводе, видео и фото поэтапно

Из чего делают стекло? Из кварцевого песка, соды и извести. Но не каждый человек знает, как из этих веществ получается прозрачные изделия, которые используются практически везде. А ведь это вещество одно из самых древних, оно имеет разнообразие видов и универсально в применении.

Стекло изготавливают при помощи варки шихты (смеси исходных веществ) при температуре от 300 до 2500 °C. Всё зависит от состава стеклообразующих веществ. Отмечу, что прозрачность – это не общее свойство всех производимых искусственных и природных стёкол.

Интересные факты о стекле:

• Для разложения стеклянного предмета необходим 1 млн. лет.
• Самое толстое стекло в мире составляет 26 см – это экран Сиднейского аквариума, где плавают даже акулы.
• Всё производимое стекло можно переработать без потери исходных свойств.

Сотни лет назад стекло считалось предметом роскоши. Только у очень богатых людей можно было увидать на столе стеклянные кубки. Сейчас же стекло – это обычное дело, его используют повсеместно, начиная от бутылок и заканчивая экранами смартфонов.

А вообще стекло похоже на какой-то волшебный предмет, в силу своего физического и химического поведения. Стекло может обеспечить хорошую защиту, но также оно может разлететься на множество осколков. Создают прозрачное стекло из песка, который непрозрачен. А самое странное в стекле это то, что оно с виду похоже на твёрдое тело, но на самом деле это просто застывшая форма необычной жидкости, которую можно выдувать и наливать.

В статье расскажу, как научились его делать и из чего изготавливают стекло, какой у него состав, какие виды бывают. Обещаю, будет интересно!

История стекла

Стеклоделие было открыто в Египте, на это указывают найденные фаянсовые плитки внутренней отделки пирамиды Джосера и украшения из фаянса (подвески, амулеты, бусы) возрастом 5 тыс. лет. А самый древнейший образец стеклоделия – это зеленоватая бусина размером 9 мм, которая была найдена недалеко от Фив. Возраст этой бусины составляет 5,5 тыс. лет. Вообще слово стекло пришло из греческого языка, что в переводе значит «без формы».

При изучении исторических материалов можно сделать вывод, что изготовление стекла одновременно открыли в Африке, Египте, Африке, Финикии примерно около 6000 лет назад. А разница между открытиями в сотни лет не имеет значения, потому что в каждой стране существовал свой способ варки.

Например, в Египте стекло плавили в глиняных мисках, а затем небольшие раскалённые кусочки стекло кидали в воду. В воде эти кусочки (фритты) растрескивались. Затем их растирали в пыль и плавили снова. Такой процесс называется фриттование, который ещё долго применяли в Средние века и позже. А оконное стекло вплоть до начала 20-го века производили «методом цилиндров». Для того чтобы изготовить лист стекла стеклодув вручную выдувал огромный цилиндр, который затем резали и расплавляли. Но в начале 20 века Э. Фурко придумал механический способ изготовления стёкол для окон при помощи вытягивания.

Существует легенда о создании стекла, которую рассказал историк I века Плиний Старший. 2000 лет назад финикийские купцы везли на своём корабле соду. Они причалили на берег из золотого песка и там развели костёр. Рядом лежал мешок африканской содой. Он случайно развязался, и сода попала в огонь. А наутро купцы обнаружили на месте костра слиток из стекла.

Любопытен тот факт, что стекло за всё время своего существования практически не изменилось как материал минерального происхождения.

Научный подход к исследованию варки стекла положил русский учёный М.В. Ломоносов, который провёл первые технологические варки более, чем четырёх тысяч стёкол. Лабораторные испытания, которые он проводил, не особо отличались от современных практик. Вот что он пишет в «Письме о пользе стекла» от 1752 года: «Имеет от стекла часть крепости фарфор». От себя добавлю, что и фарфор, и керамика, и цемент – все они имеют в своём составе какое-либо количество стекла.

Базовый состав стекла

Что такое стекло? Если говорить кратко — это неорганическое вещество, которое имеет одинаковые физические свойства независимо от направления его измерения (изотропия). Также изотропным веществом является металл и вода. Стекло встречается и в природе – это минерал обсидиан (вулканическое стекло). В практических целях стекло — продукт стеклоделия, очень древней технологии, а модификаций этого вещества очень много (по составу и структуре, а также физическим и химическим свойствам).

Самые главные виды стекла по составу:

• Калийно-известковые.
• Содово-известковые.
• Калийно-свинцовые.

Стекло обладает свойствами твёрдого тела и сверхвязкой жидкости, причём оно может переходить из жидкого состояния в стеклообразное без потери своих свойств. Вязкость любого стекла настолько велика, что она при комнатной температуре не проявляется на протяжении многих сотен лет.

Химический состав стекла бывает следующим:

• Оксидный. Такой состав имеют силикатные и фосфатные стёкла, которые мы можем встретить везде, начиная от тарелки и заканчивая окнами. Оксидные стёкла обладают высокой светопропускаемостью и защитой от химического воздействия. Также оксидный химический состав имеют германатные (применяют в оптике) и боросиликатные стёкла (устойчивы к высоким температурам).
  

  

• Фторидный. С таким составом изготавливают половолоконные системы передачи информации, поскольку они обладают расширенным спектральным коэффициентом пропускания, высокой чувствительностью и защитой от радиации. Дополнительно такие стёкла применяют в медицинских лазерах.
• Сульфидный. Используют при изготовлении посуды, сувениров, в декоре. Это цветные стёкла, при производстве в них добавляют сульфид цинка и окись железа.

Элементы, которые входят в состав стекла:

1. Основа. В базовую основу стёкол входит кварцевый песок или по-научному — диоксид кремния. Песок здесь применяют почти идеальный, с максимально допустимыми примесями до 2%. Это влияет на прозрачность изделия.
2. Оксиды щёлочных металлов. Применяют разные оксиды в зависимости от типа изделия. Например, при изготовлении оконных стёкол добавляют оксиды натрия, алюминия или кальция. А при создании оптических предметов – оксиды бора, алюминия и бария.
3. Вещества, придающие особые свойства. Например, добавляют оксиды бария для повышения устойчивости к высоким температурам.
4. Дополнительные вещества. Как правило, это красители, осветители, глушители (рассеиватели света), металлы (вольфрам, молибден, титан, платина, железо) и обесцвечиватели.

Свойства стекла

А какие у стекла физические свойства?

1. Плотность. В зависимости от химического состава малую плотность имеет плавленый кварц (2200 кг/м³), а высокую – хрусталь (до 7500 кг/м³). Плотность бытовых стёкол, например в окнах, составляет 2500 кг/м³.
2. Модуль Юнга. Это величина для измерения упругости стекла. Измеряется в паскалях или ньютонах на квадратный метр.
3. Прочность. Это предел прочности на сжатие. У обычных бытовых стёкол прочность составляет от 500 до 2000 МПа (мегапаскалей). Для увеличения прочности стекло закаливают или обрабатывают его поверхность для удаления всех дефектов. При обработке стекла плавиковой кислотой прочность можно увеличить до 5000 МПа. Отмечу, что теоретически разрывная прочность чистейшего стекла в 25 раз больше прочности стали, но из-за хрупкости этот показатель на практике невысок.
4. Твёрдость. Эта величина зависит от примесей. Твёрдость стекла по шкале Мооса равняется 6-7 единицам. А это соответствует твёрдости между такими минералами, как апатит и кварц. Самое твёрдое стекло – кварцевое, а мягкое – свинцовое.
5. Хрупкость. При температуре стекла ниже его плавления оно может разрушиться при механических ударах. Поэтому стекло является идеально хрупким материалом, в одной группе с кварцем и алмазом. Если в состав стекла добавить бром, то прочность изделия увеличится в 2 раза.
6. Теплопроводность. Это значение в стекле очень мало и составляет от 0,017 до 0,032 кал/(см·с·град). Для сравнения: теплопроводность меди равна 0,923 кал/(см·с·град). Это свойство позволяет использовать стекло для духовок и каминов.
7. Температура плавления. Стекло является термопластичным веществом, поэтому при нагревании оно становится мягким и жидким. Для стандартного стекла температура плавления составляет от 425 до 600˚C. Именно при этих значениях из стекла создают предметы.
   

   

Существует ещё такой показатель, как светопропускаемость. Для примера: оконное стекло пропускает только 85% солнечного света. Поэтому нельзя утверждать, что стекло может 100% пропускать свет.

В настоящее время учёными разработаны такие стёкла, которые обладают дополнительными свойствами:

• с разной степенью прозрачности;
• отражательные;
• стойкие к физическому и химическому воздействию;
• сверхпрочные;
• жаростойкие;
• биоактивные;
• с управляемой электропроводностью ;
• визуально красивые.

Благодаря разнообразию видов стёкол, их применяют во многих сферах деятельности, начиная от оптики и заканчивая космонавтикой. Стекло изучается таким предметом, как физическая химия.

Стёкла в твёрдом состоянии очень устойчивы ко многим реагентам, кроме горячих растворов щелочей, расплавов металлов и плавиковой кислоты. Поэтому эти свойства позволяют применять стекло для создания окон в домах и транспорте, стеклоблоков, различных медицинских приборов.

Удивительно, но строение стекла до конца не установлено, потому что разные типы этих веществ имеют отличия в своём составе. А на структуру этого материала оказывает прямое воздействие технологический процесс.

А почему стекло становится прозрачным? Вот ответ. Основной компонент стекла – кварцевый песок. Он на самом деле абсолютно прозрачен, но из-за преломления света через песчинки мы ничего не увидим. Даже если мы измельчим уже готовое стекло, то через эту крошку тоже ничего не увидим. Только когда кварц становится гладкой смесью, тогда он становится прозрачным.

Из чего делают стекло

Люди очень давно узнали секрет изготовления стекла. Чтобы сделать это вещество, необходимо 3 составляющих компонента:

1. Кварцевый песок. Фактически главным является такой компонент песка, как кварц (синонимы: диоксид кремния, кремнезём). Подойдёт обычный песок, который лежит на берегу рек и морей, но без каких-либо примесей. Кварцевого песка в составе смеси для варки должно быть примерно 75%. Он начинает плавиться при очень высокой температуре – 1700˚C. Чем чище песок, тем прозрачнее стекло. К примеру, в средневековье стеклодувы из Венеции делали муранское стекло, а изделия из него стоят сейчас несколько миллионов долларов. А чтобы изготовить богемское стекло, стеклодувы кусочки кварца измельчают в мелкий песок и из него производят изделия.
2. Сода или поташ. Это вещество нужно, чтобы песок плавился при температуре в 2 раза ниже, чем требуется. Соды в стекле содержится чуть более 15%.
3. Известь или оксид кальция. А вот этот элемент делает стекло нерастворимым, прочным и гладким. Известь в стекло стали добавлять стеклодувы из Богемии в 17 веке, используя для этого мел.

Идеальный состав стекла: 75% кварцевого песка, 15% соды и 10% извести.

В настоящее время для приготовления стекла в шихту дополнительно добавляют таламит, сульфат натрия, фториды, окиси металлов, стеклобой, доломит.

Отмечу, что стекло можно изготовить из одного лишь песка, но здесь потребуется температура плавления свыше 2000 градусов по Цельсию.

Как делают стекло на заводе

Как называется завод на котором делают стекло? Это стекольный завод. Расскажу поэтапно в картинках, как там делают стекло.

1. На завод доставляют необходимые компоненты: кварцевый песок, соду, известь, а также доломит. Эти вещества перед использованием подготавливают следующим способом. Песок очищают от примесей, их не должно быть более 2%, а известь и доломит помещают в дробилку и размалывают в мелкий порошок.
2. Все вещества смешивают, а также туда добавляют разные компоненты для придания стеклу особых свойств. Готовая смесь называется шихта, и именно из неё делают стекло.
3. Затем происходит технологический процесс создания стекла. Определённое количество шихты грузят в бункеры, потом в погрузчик, который помещает эту смесь в печь. Там шихта становится стекломассой. Температура печи составляет более 1500˚C, это значение зависит от вида готового стекла. Отмечу, что такая печь работает несколько лет подряд без остановки. Если её отключить, она начнёт деформироваться, а сам процесс остывания печи длится 6-7 суток.
4. Стекломасса из печи помещается в гомогенизатор, где смесь как следует перемешивается и попадает в студочную камеру. Там стекломасса охлаждается до температуры 1000˚C. Из охладительной камеры смесь кладут во флот-ванну. Этот резервуар содержит жидкое олово температурой 700˚C. Стекломасса плавает во флот-ванне ровным слоем на поверхности, охлаждается и становится очень плоской. Чем меньше масса смеси, тем тоньше стекло на выходе.
5. Стеклянная лента помещается в печь (лер) обжига, которая имеет длину свыше сотни метров. Стекло катится по печи и остывает до температуры 250 градусов по Цельсию.
6. Далее остывшую ленту из стекла необходимо нарезать на листы. Делается это так. Резак двигается с такой же скоростью, что и лента, и он режет её поперёк, а затем возвращается в прежнее положение. В итоге на выходе получаются готовые стеклянные листы. Бракованные листы отправляют на повторную переплавку.
7. Затем необходимо сделать стопки из листов стекла. Для этого на заводе имеется стоплеровочная машина. Листы стекла перемещают при помощи присосок. Как только набирается необходимое количество листов в стопке, её увозят на склады и другие помещения, где из них делают оконные стеклопакеты и другие изделия.

Как делают предметы из стекла

Все изделия из стекла бывают двух разных видов. Это стеклотара, которая применяется в промышленных масштабах (бутылки, банки). А второй вид – это художественные изделия, которые делают стеклодувы вручную (вазы, фигурки, статуэтки). Отмечу, что начальный этап производства схож для обоих типов изделий. Разница только в составе шихты, температуре плавления и обработке готовой стекломассы.

Как делают промышленные стеклянные изделия

Изделия производят полностью автоматизировано. Управление стекловаренной печью и формующей машиной производится при помощи компьютера.

Сначала выполняют чертёж изделия, это довольно трудоёмкий процесс, поскольку клиент хочет свою уникальную форму банок или бутылок. Когда чертёж готов, по нему делают чугунный форму, которая производится в Китае или Италии.

Производство промышленных изделий происходит в цехах стекольного завода. Это опасное производство, поэтому всем надо надевать спецодежду. Там очень шумно, поэтому работники разговаривают друг с другом только в спецпомещениях.

Шихту, в состав которой входит кварцевый песок, мел, сода, доломит и стеклобой (битое стекло), помещают через бункер в стекловаренную печь. Чтобы научиться управлять работой этой печи при помощи компьютера, надо учиться от пяти до десяти лет.

В печи температура примерно 1550˚C, там шихта превращается в горячую массу и попадает в воронку (фидер). Через неё жидкое стекло каплями падает в стеклоформирующую машину. Из каждой капли рождается одно изделие. Регулирует работу воронки фидерщик, который учился на эту профессию 10 лет.

Капли разного размера срезаются в самом тонком месте при помощи стеклянных ножниц. Размер капель зависит от типа изготавливаемого предмета. Например, для 1-литровой банки необходимо 620 гр. стекла, а для баночки детского питания – 76 гр.

Горячие капли попадают в стеклоформующую машину, где отливается заготовка, а затем изделие становится такой формы, которой его планировали сделать.

Вот как происходит рождение изделия из капли стекла. Держатели внутри машины охватывают каплю с краёв и фиксируют её в висячем положении. Капля снизу с обеих сторон закрываются формой, держатели сменяются на устройство выдувки сжатым воздухом. Это устройство надувает каплю и она становится копией нужной формы.

Рядом со стеклоформующей машиной работают операторы, которые убирают бракованные экземпляры. Температура рабочего места, где работает операторы, летом достигает почти +80 градусов по Цельсию, а смена длится 12 часов!

После формирования изделия, оно попадает на конвейер, где оно остывает, обжигается в печи и на неё наносят холодное напыление. Если стеклянное изделие не обжечь, то в ней не уйдёт внутреннее напряжение, и оно со временем лопнет. Холодное напыление необходимо для удаления с изделия различных потёртостей. Интересно, что очень большие литые стеклянные изделия (например, зеркала огромных телескопов) остывают 2-3 месяца подряд.

Дальше изделие проходит через инспекционные машины, где готовое изделие сравнивается с эталоном на предмет размеров, пузырьков и иных недостатков. Машина не может только выявить бракованное изделие на логотипах и других надписях. Если попадается брак, то его отправляют обратно в переработку.

Максимальный процент брака в стеклоделии допускается не более, чем 2%. Дополнительно изделие строго проверяется контролёрами и уходит на упаковочную линию. Мы получили новое стеклянное изделие.

Посмотрите видео , которое поймёт даже ребёнок, из чего делают прозрачное стекло

Видео: Галилео. Из чего делают прозрачное стекло?

Как делают художественные стеклянные изделия

Художественные изделия из стекла создают из такой же стекломассы. Производят её тоже в печах, но при температуре не более 1200˚C. Изделия создают стеклодувы, которые работают как по одному, так и в команде.

Мастер берёт длинную трубку, и с её помощью захватывает из печи нужное количество горячего стекла. Не откладывая ни секунды, он начинает дуть в трубку, придавая изделию нужную форму. Очень маленькие изделия тоже создаются вручную, при помощи специальных методик.

Когда изделие обретает нужный вид, его на 24 часа убирают в печь, для обжигания и остывания. Готовое изделие становится прочным и закалённым.

Что делают из стекла? Бутылки, посуда, очки, бижутерия, окна, витрина, его применяют для производства духовых плит и даже каминов.

Как делают особые виды стекла

В настоящее время производят много разных типов стекла, которые нашли своё применение в самых разных сферах. Какие же это стёкла?

Цветное

Чтобы получить тот или иной цвет стекла, в смесь добавляют разные химические элементы:

• Хром придаёт зелёный оттенок.
• Оксид урана – ярко-жёлтый.
• Оксиды никеля – фиолетовый или коричневый.
• Оксиды железа – оттенки красного цвета.
• Оксид меди – голубой и зелёный в зависимости от типа стекла.
• Оксид кобальта – в зависимости от его количества получают оттенки от голубого до фиолетово-синего.

Плоское стекло

Это листовое стекло, которое устанавливается в обычных окнах, зеркалах, автомобильной технике. Его делают нужной толщины, охлаждают и при необходимости сгибают. А для того, чтобы сделать стеклопакет, несколько стеклянных листов соединяют рядом друг с другом. Бывают 2-х и 3-х камерные стеклопакеты, между которыми находится вакуум или воздух

Стеновые стеклоблоки

Это красивые стекла, которые применяют при изготовлении световых люков, различных архитектурных решениях. Когда через эти стёкла проходит свет, они выглядят очень даже симпатично. Стеновые стеклоблоки делают из 2-х листов стекла, которые спрессовываются и обжигаются.

Бронированное

Это многослойное стекло, которое имеет пуленепробиваемое свойство. Бронированное стекло изготавливают по специальной технологии и применяют при строительстве банков, ювелирных магазинов, в автомобилях и других объектах, требующих высокий уровень безопасности. Впервые бронированное стекло установили в США в 1941 г. на окна Белого дома.

Кварцевое

Это стекло из одного компонента – природного кристалла, который добывается в виде пегматитового кварца или горного хрусталя. Добывают это вещество из земли. Это очень ценное стекло, которое используется для изготовления кварцевых часов и лабораторного оборудования.

Стеклокерамика

Этот вид стекла был придуман на заводе Corning. Стеклокерамика обладает свойствами стекла и поликристаллических веществ. Это стекло применяют в зеркалах, телескопах, проекторах, варочных панелях. Стеклокерамика создаётся путём контролируемой кристаллизации, которая не применяется при производстве стандартных стёкол.

Стеклоэмаль

Применяют такой тип материала для покрытия керамических и металлических изделий (керамическая плитка, посуда, сантехника), кухонных плит, водонагревателей, стиральных машин. Изделия, покрытые стеклоэмалью, прочные, стойкие к внешним повреждениям, имеют отличительный блеск. А горячее эмалирование металлических ванн придаёт им долговечность и прочность.

Светочувствительные стекла

Это стекло имеет очень чистый состав. Его главное свойство – при воздействии электромагнитным излучением через него видно изображение. Применяют фоточувствительные стёкла при изготовлении микросистем.

Стекловолокно

Это очень тонкие нити из стекла, которые применяют в объёмном виде для звуко- и теплоизоляции. Также стекловолокно применяют в бассейнах, дверях, автомобилях, товарах для спорта.

Жидкое стекло

Это стекло тоньше обычного волоса в 500 раз! Жидкое стекло заполняет любые поверхности, заполняя трещины и другие неровности. Этот нанотехнологическое изделие обеспечивают защиту от жидкостей, высоких температур, УФ-излучения, бактерий.

Хрусталь

Это стекло содержит свинец. Хрусталь применяют для изготовления предметов декора. Отражение света от хрусталя происходит резко, что придают вещам красивый блеск.

Богемское

Другое название этого вида стекла – богемский хрусталь. Это очень красивое стекло, которое высоко ценится уже много столетий. Его делают вручную: режут, гравируют, выдувают и окрашивают. Богемское стекло производят в Чехии.

Оптическое

Эти стёкла однородны, имеют свою степень прозрачности для максимальной компенсации искажений. При их производстве в шихту нередко добавляют редкоземельные вещества.

Оптическое стекло имеет свой показатель преломления и коэффициент средней дисперсии, что определяют следующие виды: кроны, кронфлинты, флинты. По ГОСТу существует целых 180 марок оптических стёкол.

Самые лучшие и сложные оптические стёкла применяют в космонавтике, военной промышленности, научных исследованиях.

Фотохромные и атермальные стёкла

Фотохромные стёкла могут менять светопоглощение при изменении освещённости, а термохромные – при смене температуры окружающей среды. Яркий пример – это очки-хамелеоны.

В автомобилях некоторые автовладельцы устанавливают атермальные стёкла, которые предотвращают нагрев салона на солнечном свете сохраняя при этом хорошую светопропускаемость.

Электрохромное стекло

В состав многослойного электрохромного стекла входят прозрачные электроды и плёнка с жидкими кристаллами. Эти вещества располагаются между слоями обычных стёкол. При подаче напряжения на электроды электрохромное стекло может менять свою прозрачность.

Смарт-стекло

Это современные стёкла, которые могут изменять свои свойства (прозрачность, матовость и др.) при изменении яркости света, подаче электронапряжения и температуры.

Облегчённое

Облегчённая стеклотара очень удобна за счёт сниженной массы, которая не меняют свои свойства. К примеру, пустая бутылка 660 мл будет весить всего 360 гр. Облегчённое стекло делают следующим образом. В момент формирования стеклянной капли она распределяется по заготовке более равномерно.

Посмотрите интересное видео, как сделать жидкое стекло из обычного силикагеля (наполнителя для кошачьего туалета).

Видео: как делать стекло в домашних условиях

Подведём итоги.

• Стекло – это удивительное вещество, которое является прозрачным, но производят его из непрозрачного кварцевого песка.
• Из стекла изготавливают огромное количество изделий, начиная от статуэток и заканчивая лабораторным оборудованием.
• Состав стёкол человек может менять в зависимости от типа изделия: его цвет, физические и светопоглощающие свойства.