Получить стекло из песка. Как делают стекло: особенности производства

15.09.2023

Такая вещь, как стекло, окружает нас повсюду: окна в доме или авто, аквариумы, посуда, предметы декора, реторты и мензурки в промышленности и медицине, даже в часах оно есть. Интересные факты:

Для разложения стекла должно пройти миллион лет.
При переработке стекло сохраняет все свои качества.
Самый толстый лист стекла – экран аквариумы в Сиднее. Его толщина составляет 26 см.

Современные технологии производства позволяют получить стекло с самыми различными характеристиками и качествами:

Бытовое. Его используют в повседневной жизни: посуда, очки, декоративные изделия.
Техническое. Это очень плотное стекло, используемое в тяжелой промышленности.
Строительное. Из него делают витрины, витражи, окна.
Пуленепробиваемое. Применяется в целях повышения безопасности зданий, автомобилей и т.д.

Сегодня, глядя на крошечный часовой циферблат, мы можем поразмышлять: какое стекло лучше сапфировое или минеральное . Можем выбрать для отделки своих окон материал различных оттенков: синего, красного, зеленого или вообще без цвета. Купить матово-белую строгую вазу или разноцветное яркое изделие фриформ от профессиональных стеклодувов. Даже странно для такой популярности, что очень немногим приходит в голову вопрос, как изготавливают стекло? Что для этого нужно?

Из чего делают стекло

Любопытен не только сам процесс изготовления, а и то, из чего делают стекло. В основе обычно лежат всего три ингредиента, и у каждого из них своя роль в процессе создания:

Кварцевый песок – основа. Температура его плавления 1700⁰С.
Сода. Она помогает снизить температуру плавления песка вдвое и существенно упростить процесс изготовления.
Известь. Этот компонент необходим для водонепроницаемости. Если бы ее не было, то в вазу мы бы не смогли поставить цветы, из стакана не выпили бы чай, поскольку вода просто растворила бы такой сплав.

Изготовление стекла – процесс достаточно жаркий, трудоемкий и опасный. Сначала все компоненты смешивают и плавят в специальной печи. После того, как песчинки соединятся между собой, превратившись в однородную массу, ее отправляют в ванну с расплавленным оловом (его температура выше 1000⁰С). Стеклянная смесь будет плавать на поверхности из-за разницы в плотности материалов. Чем меньше массы будет в оловянной емкости, тем тоньше получится образец. После этого происходит охлаждение заготовок на специальном конвейере.

Любопытное в истории:

Одна из самых древних стеклянных частиц датируется XXI в. до н.э. Синее прозрачное сырое стекло было найдено в южной Месопотамии. Стеклоделием занимались также в Сирии, Египте и Финикии.
Многие века самым дорогим считалось стекло из Венеции. У мастеров получались необычайно тонкие и красивые изделия: посуда, украшения, зеркала, стоящие баснословных денег. Очень долго Венеция была стеклянным монополистом, а секреты мастерства ревностно хранились. В ХІІІ веке производство даже перенесли на остров Мурано, и запретили мастерам покидать его под страхом смертной казни. Несмотря на это, стеклоделы были особой, богатой и привилегированной кастой. Неслыханное для того времени дело: женившись на дочери такого мастера, парень переезжал в семью жены!
Один из мировых лидеров производства на сегодня – Китай, он контролирует третью часть мирового рынка. А в период с XIV по XIX век страна не производила стекла вообще.

Столько сколько существует стекло, существуют и его разновидности, различающиеся по цветам. Из чего делают стекло синего, зеленого или красного цвета? Что позволяет изменить оттенок материала для создания красивого витража, вазы или скульптуры? Все дело в добавлении различных химических соединений, чаще всего оксидов:

Красный цвет придает добавление оксида железа.
Фиолетовый и коричневый оттенки (все зависит от количества) – никель.
Ярко-желтый цвет – уран.
Оттенки зеленого – хром и медь.
Насыщенный синий – кобальт.

Кстати еще один оксид – на этот раз оксид алюминия используют для производства сапфирового стекла для часов. Оно очень твердое, оставить на нем царапину можно только алмазом!

Стекло – интересный и удивительный материал, который необходим во многих аспектах жизни.

По традиции, прелагаем посмотреть захватывающее видео о том, как делают стекло

Мы наконец-то ответим на вопрос, который многим не дает покоя: «Как из непрозрачного песка, делают прозрачное стекло?».
Начнем с того, что некоторое время назад стекла не существовало в принципе, и люди жили в пещерах. А с появлением этого хрупкого и прозрачного материала жизнь изменилась в корне. Сами подумайте, как много стеклянных вещей нас окружает сегодня: витрины, телескопы, экраны компьютеров, очки, различные емкости, даже дома научились строить из стекла.

Вообразите себе, сколько стекла производит человек, и сколько использует при этом песка. Как и для любого производства, сперва на завод поступает сырье — песок. И песок этот, не какой-нибудь, а специальный – кварцевый. Если сравнивать с морским, то кварцевый значительно мельче и белее.

Первый этап изготовления – печь. За раз в эту печь помещают до 170 тонн песка, и доводят температуру до 1500 градусов. Формула стекла – это не только песок (хоть его и большинство), но еще и некоторые вещества усиливающие его прочность. Заметьте, — прочность, но не прозрачность. Вот названия некоторых компонентов: сульфат, полевой шпагат, сода, селитра, доломит. Сода, к примеру, нужна только лишь для того, чтобы песок быстрее расплавился.

Уже в печи, вся эта смесь превращается в стекло. Вот только оно еще жидкое. Далее, пока стекло не остыло и не застыло, его заливают в формы (например для изготовления бутылок). Специальная автоматизированная установка режет на равные куски пластичную стекольную массу, выливающуюся из печи, и направляет эти куски в формовочный станок. Так как основными функциями производства занимаются машины, быстро приобретает нужную форму, не успевая затвердеть прежде.

Получается, секрет в самой печи? Неужели высокая температура позволяет сделать непрозрачную вещь прозрачной? Нет!

Вы удивитесь, но песок на самом деле был прозрачным еще до приезда на завод. Чтобы в этом убедиться, нам понадобиться микроскоп.

Из чего состоит песок? Верно, из песчинок. Вот на них и нужно смотреть под микроскопом. По факту, каждая песчинка кварцевого песка прозрачная! «Почему же тогда набрав песок в ладони, он не просвечивает как вода?».

А тут вступают в силу законы физики. Дело в том, что песчинки являются отдельными элементами с несколькими гранями. Вот эти самые грани и преломляют луч света, попадающий на них. Так и создается ощущение «непрозрачности».

Для еще большего понимания, проведем эксперимент. Возьмем прозрачную бутылку и разобьем ее молотком. Осколки дополнительно измельчим в ступке. Теперь высыпаем их на стол, и что мы видим? А видим мы непрозрачную кучу стекла.

В печи все происходит с точностью, да наоборот, нежели в нашем эксперименте. Печь объединяет «расколотые» песчинки в одно целое. Тут уже не важны геометрические параметры каждой отдельной песчинки, так как все они расплавятся и сольются в одно целое. Получится одна большая песчинка, которая с легкостью будет пропускать свет, т.е. получается стекло на заказ.

Как только люди научились делать прозрачное стекло и применять его в жизни, то возникла потребность в стекле непрозрачном. Были изобретены специальные порошки, которые не только могут затемнить прозрачный материал, но и придать ему нужный цвет. Вот таким вот, с виду не сложным образом создается стекло на заказ.

Вконтакте

Имён и лиц тех достойных людей, кто подарил миру стекло, история, как водится, сохранить не потрудилась. Собственно, ничего удивительного в этом нет: как утверждает римский историк Плиний Старший, первооткрывателями были финикийские моряки. Причём открытие, как и большинство ему подобных, было сделано случайно.

Если отвлечься от высокого слога и древней латыни, которой написана "Естественная история" Плиния, рассказ получается следующим. Однажды финикийский торговый корабль, застигнутый сильной бурей, вынужден был бросить якорь в небольшой бухте. Усталые и озябшие моряки вышли на берег. Они стали искать, где бы развести костер, чтобы сварить себе похлебку и согреться. Берег был песчаный, и нигде не видно было камней, на которые можно было бы поставить котел. Тогда одному из моряков пришло в голову вытащить из трюма корабля глыбы соды, которую везли на продажу, и на эти глыбы поставить котел.

Так вот, на эти-то содовые глыбы и поставили финикийские моряки котел с водой. Костер получился на редкость удачный. Моряки сытно поели и легли спать. Утром, собираясь в путь, один из них разбросал тлеющие остатки костра. Вдруг он заметил в золе какие-то блестящие кусочки. Они не были похожи ни на дерево, ни на металл, ни на глину, ни на камень. Таких странных светлых кусочков не видел до тех пор ни один финикиянин. Это новое загадочное вещество - по утверждению Плиния - и было стеклом: сплавом берегового песка с содой.

Этот рассказ, скорее всего, вспомнят все, кто в школе читал учебник истории. Отчего-то эта версия любима многими и по сей день. Но вот насколько она правдоподобна? Увы, современные стекловары вполне убедительно доказали: древний историк ошибся. Или что-то пересказал неверно. Но факт остаётся фактом: сварить стекло из соды и песка в пламени костра нельзя.

Более реальным кажется предположение о том, что по случайности смесь песка и соды попала на глиняный горшок перед обжигом. А гончар, вынувший готовое изделие из печи заметил тонкую блестящую плёночку, покрывшую бока сосуда.

В общем, по поводу того, кому повезло с открытием стекла остаётся только гадать и верить либо истории про финикийских моряков, которые вообще были замечательными ребятами, либо поддерживать версию о везучем и внимательном гончаре. Изучающие историю происхождения этого материала когда-нибудь придут к единому мнению и относительно места - Египет , Финикия или Месопотамия, Африка или Восточное Средиземноморье и т.д., - и относительно времени - «около 6 тысяч лет назад», но характерную «синхронность открытий» можно наблюдать, причём не имеет большого значения разница даже в сотни лет, в особенности, когда в реконструируемом способе варки стекла прослеживаются существенные различия.

Технология изготовления стекла

Как вы думаете, кто впереди планеты всей в области древнего стекловарения? Правильно - древние египтяне. Примерно до 4 тыс. до н.э. древние египтяне варили так называемый "египетский фаянс" из стеатита, мягкой кварцевой муки или цельного природного кварца.

Существует мнение, что наиболее ранние образцы изготовлены из стеатита. Минерал этот по составу представляет собой силикат магния, он присутствует в природе в больших количествах. Изделия, вырезанные из куска стеатита, для получения глазури покрывались порошкообразной смесью из сырых материалов, входящих в её состав, и обжигались. Глазурь эта, по химическому составу представляющая собой силикат натрия с небольшой примесью кальция - не что иное как легкоплавкое стекло, окрашенное в голубые и зеленовато-голубые тона медью, иногда с изрядной примесью железа.

Египетские стекловары плавили стекло на открытых очагах в глиняных мисках. Спёкшиеся куски бросали раскалёнными в воду, где они растрескивались. Получившиеся обломки, так называемые фритты, растирали в пыль жерновами и снова плавили.

Фриттование использовалось в качестве основной технологии изготовления стекла даже по окончании Средневековья, поэтому на старых гравюрах и при археологических раскопках мы всегда находим две печи - одну для предварительной плавки и другую для плавки фритт.

Необходимая температура проплавления составляет 1450 °C, а рабочая температура - 1100-1200 °C. Средневековая плавильная печь («гуть» - по чешски) представляла собой низкий, топящийся дровами свод, где в глиняных горшках плавилось стекло. Выложенная только из камней и глинозёма, долго она не выдерживала, но надолго не хватало и запаса дров. Поэтому, когда лес вокруг гуты вырубали, её переводили на новое место, где леса было ещё в достатке.

Ещё одной печью, обычно соединяемой с плавильной, была отжигательная печь - для закалки, где готовое изделие нагревалось почти до точки размягчения стекла, а затем - быстро охлаждалось, чтобы тем самым компенсировать напряжения в стекле (предотвратить кристаллизацию).

В виде такой конструкции стеклоплавильная печь продержалась до конца XVII века, однако нехватка дров вынуждала некоторые гуты, особенно в Англии, уже в XVII веке переходить на уголь. Со сменой топлива возникли очередные неудобства: улетучивающаяся из угля двуокись серы окрашивала стекло в жёлтый цвет. Чтобы избежать этого, англичане начали плавить стекло в так называемых крытых горшках.

Интересны сведения о том, что стекло, в общем смысле, за время своего существования не претерпело практически никаких изменений (самые ранние образцы того, что стали называть стеклом, ничем не отличаются от известного всем - бутылочного), однако в данном случае речь идёт о веществе и материале минерального происхождения, нашедшем применение в современной практике.

Состав стекла

Чистый кремнезем (SiO2) имеет точку плавления примерно 2000 градусов, и в основном используется для получения стекла для специальных приборов. Обычно в состав смеси добавляют еще два вещества, чтобы упростить процесс производства. Во первых – это углекислый натрий (Na2CO3), или углекислый калий, который понижает точку плавления смеси до 1000 градусов. Однако, эти компоненты способствуют растворению стекла в воде, что является крайне нежелательным. Поэтому в состав смеси добавляют еще один компонент – известь (окись кальция, CaO), чтобы придать составу нерастворимость. Такое стекло содержит примерно 70%-ый кремнезем и называется известково-натриевым стеклом. Доля такого стекла в общем объеме производства составляет примерно 90%.

Так же как известь и углекислый натрий, к обычному стеклу добавляют и другие компоненты, чтобы изменить его физические свойства. Добавление в стекло свинца – увеличивает показатель преломления света, заметно увеличивает блеск, а добавка в состав смеси бора – изменяет тепловые и электрические свойства стекла. Оксид тория придавал стеклу высокий показатель преломления и низкую дисперсию, что необходимо в производстве высококачественных линз, но из-за его радиоактивности был заменен на оксид лантана в современной продукции. Добавки железа в стекло, используются для поглощения инфракрасного излучения (тепла).

Металлы и их оксиды добавляют в состав стекла, чтобы изменить его цвет. Например, марганец добавляют в малых количествах, чтобы придать стеклу зеленый оттенок, или при более высоких концентрациях – цвет аметиста. Так же как и марганец, селен используют в малых дозах, чтобы обесцветить стекло, или в больших концентрациях – чтобы придать красноватый цвет. Малые концентрации кобальта придают стеклу синеватый оттенок. Оксид меди придает бирюзовый свет. Никель, в зависимости от концентрации.

Помимо стекла обычного существует несколько разновидностей, представляющих собою историческую, культурную и художественную ценность. Например, чешское и муранское стекло. Но о них - в следующих материалах. Следите за новостями.

Стеклянная посуда, окна в домах и многое другое – для нас сегодня это привычные предметы обстановки. Однако много веков назад стеклянные кубки стоили баснословно дорого, и их можно было встретить только на столах у наиболее богатых и знатных вельмож.

Из чего же делают стекло, и как люди научились его изготавливать?

История изобретения стекла

Стекло было известно, по крайней мере, две тысячи лет назад. Древнеримский историк Плиний описал случай, в результате которого оно было изобретено. По его версии, однажды моряки, везшие на своем корабле соду, высадились заночевать на берегу, покрытом чистым золотым песком.

Они разожгли костер, чтобы приготовить ужин и согреться. Случайно один мешок из их груза прорвался, и сода высыпалась в костер. Ночью пошел дождь, смыл золу и головешки, и моряки увидели на месте костра сияющую стеклянную поверхность.

Компоненты для изготовления стекла

Так ли на самом деле было изобретено стекло, или, как гласит другая версия, оно получилось в ходе экспериментов с обжигом глиняных горшков – но люди овладели секретом его приготовления довольно давно.

Для того, чтобы изготовить стекло, требуется три основных компонента.

Кварцевый песок – это чистый речной песок, состоящий из оксида кремния. Доля песка в смеси для варки стекла составляет около 75%. Он плавится при очень высокой температуре: его нужно нагревать до 1700 градусов Цельсия. От качества песка во многом зависит прозрачность и качество будущих стеклянных изделий. Венецианские стеклодувы, изготавливавшие наиболее знаменитое в средневековой Европе муранское стекло, специально привозили песок из провинции Истрия, а для богемского стекла мастера измельчали в мелкий песок куски кварца.

Сода (или поташ) необходима для того, чтобы расплавить песок при более низкой температуре. Добавив в песок соду в нужной пропорции, температуру нагрева стеклянной смеси снижают практически вдвое.

В процессе нагрева сода разлагается до оксида натрия или калия, который и служит катализатором плавления. В древности ее получали путем выщелачивания золы после сжигания водорослей или хвойных пород дерева. Доля соды в смеси для стекла составляет около 16-17%.

Известь, или окись кальция , делает стекло нерастворимым большинством химических веществ, крепким и блестящим. Впервые добавлять ее в стекло начали богемские стеклодувы в семнадцатом столетии, применяя для этого известняк или мел.

Кроме того, сегодня в массу для приготовления стекла добавляют сульфат натрия, таламит и нефелиновый сиенит. Для получения разноцветного стекла в качестве добавок используют окиси различных металлов: меди, железа, серебра и т.д.

Этапы производства листового стекла

Все ингредиенты, из которых производится стекло, загружают в печь и нагревают до образования жидкой однородной массы.

Расплавленную массу загружают в гомогенизатор и перемешивают до полной однородности.

Стеклянную массу выливают в длинную емкость, где находится расплавленное олово. На его поверхности стекло разливается ровным слоем одинаковой толщины, постепенно остывая.

Застывшая стеклянная лента поступает на конвейер, где производится контроль толщины и нарезка на стандартные куски стекла. Обрезанные неровные края и брак, не прошедший контроль качества, поступает на переплавку.

Готовое листовое стекло проходит последнюю проверку качества и отправляется на склад готовой продукции.

Аналогичным образом изготавливается стекло для производства посуды, измерительных приборов, елочных игрушек и другой продукции. Состав стекла может изменяться в зависимости от свойств, которые оно должно иметь.

Кроме того, для повышения прочности оно может подвергаться процедуре закаливания, приобретая способность выдерживать сильные удары по поверхности.

Популярны сегодня дуплексные и триплексные стекла, склеенные специальными составами из двух или трех слоев тонкого стекла. Однако основу каждого из них составляют золотой кварцевый песок, питьевая сода и обычная известь.

Человек ежедневно сталкивается со стеклянными изделиями. Стекло почти волшебный предмет – с одной стороны прозрачное, с другой материальный объект. Вещество будет прозрачным, когда фотоны (кванты света) проходят сквозь него, не поглощаясь. Но почему-то далеко не каждому приходит в голову мысль – как и из чего делают стекло? Как происходит процесс?

Интересные факты:

Чтобы стекло разложилось, понадобится миллион лет.
Стекло перерабатывается без потери качества.
Самое толстое стекло в мире – это 26 см экран сиднейского аквариума.

Из чего делают стекло?

Для изготовления стекла мастера берут: кварцевый песок (основная составляющая); известь; сода;

Вначале кварцевый песок, соду и известь нагревают в специальной печи до температуры 1700 градусов выше нуля. Песчинки соединяются между собой, после гомогенизируются (превращается в однородную субстанцию), газ удаляется. Масса «окунается» в расплавленное олово с температурой выше 1000 градусов, которая плавает на поверхности из-за более низкой плотности. Чем меньше масса, попадающая в ванну с оловом, тем тоньше будет стекло на выходе.

Интересные факты:

Самое дорогим в мире считается Муранское стекло. Изделия из него стоят миллионы долларов. Венеция с древних времен славилась изготовлением качественного стекла. Достоверно известно, что в XIII веке правительство государства перенесло производство на крупный остров Мурано, и мастерам было категорически запрещено покидать его. Наказание – смертельный приговор. Кроме того, для туристов или других жителей Венеции также вход на остров был закрыт. Такие жесткие меры позволили сохранить тайну производства.
Одним из самых интересных психических заболеваний Средневековья является «стеклянная болезнь». Человек при таком расстройстве думал, что сделан из стекла, и боялся разбиться. Таким недугом страдал французский король Шарль VI. Монарх носил всегда несколько слоев одежды и запрещал к себе прикасаться.

Какие функции выполняют сода и известь в процессе производства?

Сода помогает уменьшить температуру плавления в 2 раза. Если ее не добавить, песок будет очень сложно расплавить, и соответственно – соединить отдельные песчинки между собой. Известь нужна, что бы масса стойко переносила воду. Если бы ее не было в составе, окно, например, растворилось бы сразу после первого дождя, а стакан лопнул после соприкосновения с водой.

Материалы по теме:

Что такое венецианское стекло и зачем художники покупали яйца?

Интересные факты:

Китай не производил стекло более 500 лет – с XIV по XIX века. Сейчас государство – один из лидеров производства, и контролирует треть мирового стеклянного рынка.
1994 год стал крайне активным в плане переработки стекла в США. Если выложить в одну линию все переработанные за тот год стеклянные изделия, получится своеобразная «дорога» на Луну.

Как получается цветное стекло?

Стекло производят не только бесцветное. Чтобы получить цветное изделие, в печь для плавления, помимо основных компонентов, добавляют химические соединения:

Оксиды железа дают стеклу насыщенный красный оттенок.
Оксиды никеля – коричневый, фиолетовый (в зависимости от количества).
Чтобы получить ярко-желтый оттенок, добавьте к песку, соде и извести оксиды урана.
Хром делает стекло зеленым.

Какими характеристиками и свойствами обладает стекло?

Пропорции компонентов для изготовления стеклянных товаров подбирают в зависимости от их назначения. Выделяют: бытовое стекло – то, из чего после делают посуду, очки, украшения; строительное – витрины, окна, витражи;