с чего делается стекло
Из чего делают стекло и как проходит этот процесс
Окна, украшения, посуда и декор. Куда ни глянь — повсюду нас окружают стеклянные изделия. Люди научились производить стекло тысячи лет назад и с тех пор усовершенствовали этот процесс. Как и из каких компонентов его получают? Объясним простыми словами.
Из чего делают стекло?
Для его производства нужно натуральное сырье. Основное из них — песок, а точнее, его особый ингредиент — кварц:
Также для разных видов стекла используют оксиды щелочных материалов:
Состав стекла может отличаться в зависимости от необходимого цвета. Чтобы придать ему оттенок, при выплавке добавляют особые красители, содержащие оксиды:
Как делают стекло?
Процесс производства стекла довольно опасен, так как требует очень высоких температур. Изучим его детальнее:
Стекло водонепроницаемо благодаря извести в составе: Unsplash
Стекло — материал очень хрупкий, но при этом довольно тяжелый. Поэтому на производстве продумана система перемещения готовых листов. После нарезания они попадают на стоплеровочную машину, а она при помощи присосок складывает стекло в стопки.
История стекла и интересные факты
Что известно о стекле? Родиной этого материала считается Древний Египет. Как пишет историк и главред журнала «Наука и техника» Наталья Беспалова, здесь его научились производить еще в третьем тысячелетии до нашей эры.
Однако геологи уверены, что история стекла началась гораздо раньше. Так называемый обсидиан (вулканическое стекло, произведенное естественным образом) использовали еще в каменном веке. За тысячи лет технология изготовления стекла, безусловно, изменилась, но базовые компоненты остались неизменными.
Во многом современный подход к производству стекла родился благодаря трудам Михаила Ломоносова. В XVIII веке ученый разработал технологию изготовления цветных прозрачных и непрозрачных стекол, используемых в частности для мозаик.
Мозаики из стекла: Unsplash
Уже в ХХ веке люди научились делать пуленепробиваемое стекло. Принцип такой: стеклянные листы укладываются слоями, а между ними помещается особая пленка. Впервые такое стекло было установлено в 1941 году в окна Овального кабинета Белого дома США.
Тем не менее самым дорогим в мире остается муранское стекло — материал, созданный по особым технологиям на острове Мурано недалеко от Венеции. Его начали производить в Х веке, и через несколько столетий оно стало знаменитым на весь мир. Сегодня цена даже простейшего небольшого изделия из муранского стекла стартует от €15. Чтобы защитить подлинную технологию и избежать подделок, в 1994 году ассоциация производителей официально закрепила товарный знак Vetro Artistico Murano.
В наше время процесс изготовления стекла автоматизирован, но даже теперь он немного напоминает магию. Удивительно, что из подручных материалов создается нечто новое — то, что мы применяем ежедневно.
Узнавайте обо всем первыми
Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.
Как делается стекло? (Два основных метода)
Многие общества каменного века по всему миру использовали природное стекло, такое как вулканическое стекло обсидиан, для изготовления острых режущих инструментов. Однако, согласно археологическим свидетельствам, первое настоящее стекло было создано в прибрежной северной Сирии, Месопотамии или Египте.
С тех пор процесс изготовления стекла сильно изменился. Достижения в области материаловедения и производственных технологий сделали возможным производство стекла с особыми отражающими, преломляющими и пропускающими свойствами, которые можно использовать в призмах, оптических линзах и материалах оптоэлектроники.
Сегодня стекло производится с использованием двух основных технологий: процесс Флоат-стекло (также известное как наплывное стекло), который включает в себя плавание расплавленного стекла на слое расплавленного металла, и выдувание стекла, при котором расплавленное стекло надувается в пузырь.
Расплавленное стекло получают путем нагревания обычного песка (в основном содержащего диоксид кремния) при очень высоких температурах, пока он не расплавится и не превратится в жидкость. Когда песок остывает, он не возвращается в исходное состояние. Вместо этого он превращается в аморфное твердое тело, некристаллическое твердое тело, в котором атомы и молекулы не организованы в определенную структуру решетки.
Давайте копнем глубже и выясним, какие материалы и процессы задействованы в обоих методах, и каково их будущее.
Метод 1: процесс флоат-стекла
В этом методе лист стекла получают путем плавания расплавленного стекла на слое из расплавленного металла, такого как олово или свинец. Он используется для производства листов стекла с однородной толщиной и плоскими поверхностями. Давайте рассмотрим пошаговый процесс:
1. Плавка и рафинирование
Обычное сырье, используемое для производства флоат-стекла, включает песок, доломит, соляной кек (сульфат натрия), кальцинированную соду (карбонат натрия) и известняк. Другие материалы часто используются в качестве рафинирующих агентов для изменения химических и физических характеристик стекла.
Эти ингредиенты смешиваются в порционном процессе в нужной пропорции. Затем вся партия подается в печь, где она нагревается почти до 1 500 °C. Большинство печей вмещают более 1000 тонн материалов.
При расплавлении стекла его температура стабилизируется до 1200 °C для проверки относительной плотности или удельного веса.
2. Оловянная ванна
Расплавленное стекло из печи перетекает во флоат-ванну, ванну с расплавленным оловом, через керамическую кромку, называемую кромкой носика. Количество стекла, наливаемого на олово, контролируется заслонкой, обычно известной как щетка.
Олово является предпочтительным выбором для этого процесса, поскольку оно является когезионным и не смешивается с расплавленным стеклом. Также он имеет высокий удельный вес. Однако на воздухе он окисляется с образованием диоксида олова, который прилипает к стеклу. Чтобы предотвратить это окисление, олово обрабатывают водородом и азотом.
Стекло течет по оловянной ванне и образует плавающую ленту одинаковой толщины и гладких поверхностей с обеих сторон. При этом температура постепенно снижается (до 600 °C), и стеклянная лента снимается с ванны роликами.
Толщину выходящего продукта можно регулировать, изменяя скорость вращения валика и скорость потока стекла. Обычно ролики размещаются над расплавленным оловом, чтобы регулировать толщину, а также ширину стеклянной ленты.
Некоторые стекла сделаны светоотражающими. В таких случаях на поверхность охлаждаемой ленты наносится либо мягкое, либо твердое покрытие.
3. Отжиг
В частности, этот процесс изменяет химические и физические свойства стекла, снижая его твердость и делая его более пластичным.
4. Осмотр
Используя передовые технологии контроля, можно проводить миллионы проверок на протяжении всего процесса производства стекла. Большинство из них связано с выявлением напряжений, песчинок и пузырьков воздуха, снижающих качество стекла.
Сегодня существуют тысячи систем, способных точно контролировать оптическое качество, искажение, натяжение, толщину и плоскостность стекла на самом раннем этапе производственного процесса.
5. Резка
На выходе из «холодного конца» печи лер стекло разрезается и формируется в соответствии с требованиями заказчика с использованием специализированного оборудования. Большие листы стекла разрезаются на полуавтоматическом столе для резки стекла с компьютерным управлением. Затем эти листы вручную разбивают на отдельные листы стекла.
В то время как большинство классных фрез используют небольшое острое колесо из карбида вольфрама или закаленной стали, некоторые используют алмаз для создания раскола.
Использование флоат-стекла
Флоат-стекло стало самой популярной формой стекла в потребительских товарах. Оно может быть разного цвета и степени непрозрачности. Обладает высокой степенью светопропускания и хорошей химической инертностью.
Эти свойства делают флоат-стекло идеальным для широкого спектра применений, таких, как зеркала, окна, двери, мебель и автомобильное стекло. Оно также имеет множество применений в современной архитектуре, как в жилых, так и в коммерческих зданиях.
Благодаря последним достижениям в производстве флоат-стекла, таких как ультратонкое флоат-стекло, открываются новые применения в электронике и технологиях. Алюмосиликатные композиции, такие как стекло Gorilla Glass (которое содержит диоксид кремния, алюминий, натрий и магний), используются в различных смартфонах и других электронных устройствах.
Метод 2: выдувание стекла
В этом стеклоформующем методе расплавленное стекло раздувается в пузырь с помощью выдувной трубки. Оно используется для производства бутылок и другой тары.
Как это работает?
Инфляция относится к процессу расширения расплавленного куска стекла путем впрыскивания в него небольшого объема воздуха. Поскольку атомы в жидком стекле связаны прочными химическими связями в беспорядочной и неупорядоченной сетке, расплавленное стекло достаточно вязкое, чтобы его можно было выдувать. По мере остывания он медленно затвердевает.
При выдувании более толстые слои стекла охлаждаются медленнее, чем более тонкие, и становятся менее вязкими, чем более тонкие. Это позволяет производить выдувное стекло одинаковой толщины.
За последние пару десятилетий были разработаны более эффективные и действенные методы выдувания стекла. Большинство из них включает одни и те же шаги:
Шаг 1: Поместите стекло в печь и нагрейте его до 1300 °C, чтобы сделать его пластичным.
Шаг 2: Поместите один конец выдувной трубки в печь и катайте им по расплавленному стеклу, пока к нему не прилипнет «капля» стекла.
Шаг 3: Раскатайте расплавленное стекло по марверу, плоской металлической пластине, которая сделана из полированной стали, графита или латуни и прикреплена к деревянному или металлическому столу. Марвер используется для контроля формы, а также температуры стекла.
Марвер используется для формования стекла
Шаг 4: Вдуйте воздух в трубу, чтобы создать пузырь. Соберите больше стекла над этим пузырьком, чтобы сделать более крупный кусок. После того как стекло получило желаемый размер, дно готово.
Шаг 5: Прикрепите расплавленное стекло к стержню из железа или нержавеющей стали (обычно известному как острие), чтобы сформировать и перенести полую деталь из паяльной трубы.
Шаг 6: Добавьте цвет и дизайн, окунув его в битое цветное стекло. Эти раздавленные куски быстро прилипают к основному стеклу из-за высокой температуры. Сложные и подробные узоры можно построить, используя трость (стержни из цветного стекла) и муррин (стержни, разрезанные в поперечном сечении для выявления узоров).
Шаг 7: Возьмите полученное изделие обратно и раскатайте его еще раз, чтобы придать ему требуемую форму.
Шаг 8: Снимите стекло со стеклянной трубы с помощью стального пинцета. Обычно нижняя часть выдувного стекла отделяется от вращающейся выдувной трубы. Его можно извлечь из паяльной трубки одним касанием.
Шаг 9: Поместите выдувное стекло в печь для отжига и дайте ему остыть в течение нескольких часов. Во избежание случайного образования трещин не подвергайте его резким перепадам температуры.
Римское выдувное стекло IV века нашей эры
Этот метод требует особого терпения, упорства и сноровки. Для создания сложных и крупных изделий требуется группа опытных мастеров по стеклу.
Воздействие на окружающую среду
Основное воздействие производства стекла на окружающую среду обусловлено процессами плавления, при которых в атмосферу выделяются различные газы. Например, сжигание топлива или природного газа и разложение сырья приводят к выбросу диоксида углерода.
Аналогичным образом, при разложении сульфатов в материалах партии образуется диоксид серы, который способствует подкислению. При разложении соединений азота высвобождаются оксиды азота, что способствует подкислению и образованию смога. Кроме того, при испарении из сырья и расплавленных компонентов в атмосферу выбрасываются тонны частиц.
Другие факторы, такие как выбросы летучих органических соединений и образование твердых отходов в процессе производства, также вызывают экологические проблемы.
Однако переработанное стекло может решить многие из этих проблем. Его можно переработать несколько раз без значительной потери качества. Каждые 1000 тонн переработанного стекла могут привести к сокращению выбросов углекислого газа на 300 тонн и экономии энергии на 345 000 кВтч.
В меньшем масштабе переработка одной стеклянной бутылки может сэкономить достаточно энергии для питания 20-ваттной светодиодной лампы в течение часа.
Несмотря на то, что обе технологии производства значительно улучшились с точки зрения эффективности, дальнейшее сокращение выбросов частиц пыли, двуокиси углерода и двуокиси серы по-прежнему является основной экологической задачей при производстве листового стекла.
Рынок
В 2019 году мировой рынок производства стекла оценивался в 127 миллиардов долларов, и, по прогнозам, в период с 2020 по 2027 год он будет расти на 4,1%.
Основными факторами, способными стимулировать рост рынка, являются постоянно растущий спрос на бытовую электронику и проникновение искусственного интеллекта в потребительские и бизнес-приложения.
Плоское стекло, как ожидается, будет играть ключевую роль в архитектурных решениях в течение ближайшего года.
Недавняя тенденция предполагает быстрый переход в архитектуре зданий, который максимизирует естественный дневной свет за счет интеграции плоского стекла в крыши и фасады. Поскольку плоское низкоэмиссионное стекло с тройной изоляцией из серебра способствует значительной экономии энергии, его можно широко использовать в экологичных зданиях по всему миру. Солнечное плоское стекло, вероятно, также значительно вырастет в ближайшие несколько лет.
В настоящее время Китай является ведущим мировым экспортером стекла и изделий из него, на его экспорт приходится более 23% мирового экспорта стекла и изделий из него на сумму около 18 миллиардов долларов. На долю Германии и США приходится примерно 9% и 7% мирового экспорта стекла.
Из чего делают стекло
Здравствуйте товарищи, сегодня мы продолжим погружаться в увлекательный мир стекол.
Как я уже говорил, оксидные стекла занимают доминирующую позицию в нашей повседневной жизни. Тут и окна, через которые мы смотрим на мир, находясь в своих уютных домах, экраны смартфонов и мониторы компьютеров, оптика ваших любимых камер, посуда для готовки и наш друг граненый стакан!
У всех этих стекол много общего, но все они индивидуальности и отличает их богатый внутренний мир. Совсем как у людей.)
Сказав про богатый внутренний мир, я не лукавил, ведь он обусловлен химическим составом стекол. Этот удивительный материал постарался собрать в себе все возможные элементы таблицы Менделеева, только их небольшое количество не смогло войти в состав стекол, например благородные газы.
Даже радиоактивные вещества, например, соли урана, нашли применение в урановых стекла, которые красиво светятся под воздействием ультрафиолетового излучения.
Но нельзя просто взять, смешать любые оксиды в надежде получить стекло. Нужно учитывать особенности каждого вещества участвующего в стеклообразовании, поэтому их разделили на три группы: стеклообразователи, модификаторы и промежуточные. Давайте рассмотрим их поподробнее.
Стеклообразователи – это вещества способные самостоятельно образовывать непрерывную структурную сетку. Среди стеклообразователей доминирующую роль занимает оксид кремния, входящий в большинство составов современных стекол. Кроме оксида кремния к стеклообразовтелям относятся: оксиды бора, германия, фосфора. Также есть редкие составы, где в качестве стеклообразователей выступают оксиды: теллура, вольфрама, ванадия, молибдена. Рассмотрим несколько основных представителей.
Оксид кремния, как уже говорилось самый первый из стеклообразователей, нашел применение во всех сферах человеческой деятельности.
Оксид германия – ближайший аналог оксида кремния. Подобно структуре кварцевого стекла, германатные стекла состоят из тетраэдров окруженных четырьмя атомами кислорода. Но из-за низкой химической стойкости и дороговизны основного компонента, стекло только из оксида германия, к примеру, как кварцевое, не встречается. В свою очередь в многокомпонентных составах, особенно оптических стекол, он нашел широкое применение.
Да, да, мой дрогой друг! В линзах твоей камеры присутствует оксид германия, который помогает делать красивые фоточки.
Оксид бора – стеклообразователь, который уважает каждая домохозяйка, даже не подозревая об этом. Чаще всего встречается в боросиликатных стеклах, которые были синтезированы Отто Шоттом в далеком 1887 году. Более известны под названием пирекс. Благодаря оксиду бора эти стекла отличаются высокой термической стойкостью. Поэтом из них делают химическую посуду, а также стеклянную кухонную посуду, которую можно спокойно поставить в духовку.
Стекла на основе оксида фосфора благодаря своим уникальным оптическим свойствам, а именно высокому квантовому выходу люминесценции, нашли широкое применение в лазерной технике. Из них изготавливают активные элементы твердотельных лазеров.
К модификаторам относятся оксиды щелочных металлов, например натрия и калия, а также щелочноземельных металлов, кальций и магний. Их назначение – изменять свойства стекол, например температуру плавления, что в свою очередь снижает температуру варки. Принцип их действия такой: из-за больших размеров, ионы этих металлов не могут присоединиться к структурной сетке, а встраиваются в ее промежутки, освободившиеся атомы кислорода, напротив, присоединяются к сетке, разрывая часть связей.
Стеклоделие началось благодаря модификаторам, которые позволили получить первые стекла, при относительно низких температурах варки. Всем известное сочетание песок + сода + известь, представляет собой состав SiO2-Na2O-CaO, где присутствует стеклообразователь и два модификатора.
Промежуточные – это такие ребята, которые до конца не определились со своей ролью в этом мире. Их главная задача, как и у модификаторов, изменять физико-химические свойства стекла, но в отличие от модификаторов они могут встраиваться в структурную сетку стекла. Известные представители данной группы: оксиды алюминия, свинца, бериллия и т.д.
Сами они не в силах образовывать стекла, но в сочетании с другими оксидами, особенно модификаторами, у них, иногда получается. Например, легко образуются стекла в системе CaO-Al2O3, стеклообразование в котором, предположительно, выглядит следующим образом:
Вот такие три основных группы сырьевых материалов существуют в стекольном производстве. На стекольные заводы они поступают в разном виде: природное минеральное сырье или химически синтезированное. Все зависит от того, в каком виде компонент встречается в природе и насколько жесткие требования к сырьевым материалам.
Если мы говорим об оконном стекле, то тут используется минеральное сырье: кварцевый песок в качестве стеклообразователя, известь, полевой шпат, доломиты и т.д. Но в них присутствует и синтезированное сырье, например сода
А вот если мы делаем точную оптику, волноводы, где очень жесткие требования к составу, то приходится использовать только синтезированное сырье, за что приходится платить высокой температурой синтеза, ведь примеси положительно влияют на варку.
Резюмируя можно сказать, что стекло синтезируют не только на основе оксида кремния, но благодаря его распространенности и прекрасным стеклообразующим свойствам, сложно встретить состав, где бы он ни присутствовал, даже в малых количествах. Это очень редкие стекла с высокой стоимостью и специфическим применением.
Следующий коротенький пост будет о процессах, происходящих во время варки. А дальше у же по технологии, там и разберем какое сырье берут конкретно. Пока по плану оконное, оптическое и ситалл. Пока писал этот пост, задумался о боросиликатном стекле, там способ варки интересный.
Стеклообразователи – это вещества способные самостоятельно образовывать непрерывную.
Ничего не понятно, но очень интересно!
Напиши как самому сделать стекло
Спасибо! Очень интересно.
Главный вопрос про стекло:
Почему Стекло Прозрачное?
А можно о дихроичном стекле рассказать, а с картинками и просмотров больше будет;)
если б ещё рассказали каким образом стекло прозрачное, тады ваще.
Большинство стекол все равно на основе диоксид кремния. Остальное просто добавки.
Дома есть всякий эксклюзивный хрусталь с добавлением церия и золота.
Почему гелий меняет наш голос, а также что такое инертные газы
На уроках химии мы слышали об инертных газах. Их еще называют благородными, такое красивое название было дано не с проста, ведь все инертные газы, а именно гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, а также радиоактивные радон и оганесон обладают очень низкой химической активностью, их соединения с другими веществами существуют лишь в специальных, экстремальных условиях, а значит, эти газы не горят и не поддерживают горение, более того, не имея цвета, запаха и вкуса они не токсичны для человека, их вообще как будто нет, настоящее благородство!)
Но это не совсем так, инертные газы хоть и не отравляют человека, но наркотически действуют на него, однако это не относится к гелию и неону, поскольку их наркотический эффект проявляется при очень повышенном давлении, впрочем, поэтому наркоманы и не дышат шариками с гелием.
Интересным фактом является то, что инертные газы переходят в жидкое состояние при экстремально низких температурах, при этом почти сразу после переходя в твердое состояние. Таким образом разница между температурой кипения и плавления у веществ состовляющих инертные газы 2-5, максимум 10 градусов.
Вообще гелий удивителен. Во Вселенной он второй по распространенности после водорода, но на Земле существует в совсем малых количествах, однако не беспокойтесь, на надувание шариков всем хватит). Из за практически самого малого размера атомов гелия, они почти не сталкиваются друг с другом, когда гелий находится в газообразном состоянии, что делает гелий идеальным газом (идеальный газ это такая теоретическая модель, можете посмотреть о ней в Википедии подробнее).
Еще одна занимательная вещь, что гелий, как и все инертные газы светится при пропускании через него электрического тока. Причем при изменении давления внутри газа, можно менять его цвет. Это связанно с тем, что с увеличением давления, электроны начинают чаще сталкиваться с атомами гелия и общая энергия вещества увеличивается, приводя к изменению цвета. Так гелий может светиться желтым, розовым, оранжевым и зеленым цветами.
Но мы то все знает гелий как веселый газ, смешно изменяющий наш голос. Почему так происходит? Тут нужно разобраться, что вообще такое звук, издаваемый нами при выдохе.
По простому звук есть колебание молекул или других мельчайших частиц среды, улавливаемое нашим ухом. Такой средой является воздух. Когда мы издаем какие либо звуки, наши голосовые связки вибрируют, создавая колебания среды, то есть воздуха. Чем чаще колеблятся связки, тем выше высота звука. Если мы вдохнем вместо воздуха гелий, он станет средой для распространения звука. Но из за гораздо меньшей плотности гелия, он создает меньшее давление на голосовые связки, чем воздух, позволяя им вибрировать быстрее и издавать более тонкий звук.
Так, для понижения голоса можно вдохнуть плотный газ, например фторид серы, он в 5 раз тяжелее воздуха и сильно понижает частоту колебаний голосовых связок, позволяя Вам говорить как Халк:).