В конце средневекового периода в Европе начали широко применять "лунный" способ изготовления листового стекла. В его основу также был положен метод выдувания. При этом способе вначале выдувался шар, затем он сплющивался, к его дну припаивалась ось, а около выдувательной трубки заготовка обрезалась. В результате получалось подобие вазы с припаянной ножкой-осью. Раскаленная "ваза" вращалась с большой скоростью вокруг оси и под действием центробежной силы превращалась в плоский диск. Толщина такого диска была 2...3 мм, а диаметр доходил до 1,5 м. Далее диск отделялся от оси и отжигался. Такое стекло было гладким и прозрачным. Характерная его особенность - наличие в центре диска утолщения, которое специалисты называют "пупком". Лунный способ производства сделал листовое стекло доступным для населения. Однако на смену ему уже в начале XVIII в. пришел другой более совершенный "халявный" способ, который использовался во всем мире почти в течение двух столетий. По существу, это было усовершенствование средневекового способа выдувания, в результате которого получался цилиндр. "Халявой" называли формируемую массу стекла на конце выдувной трубки. Она доходила до 15...20 кг и из нее в итоге получались листы стекла площадью до 2...2,5 м.
Этот способ позволил получать оконное стекло хорошего качества и относительно недорогое для широких слоев населения. Таким образом, проблема светлого и теплого жилища была разрешена лишь в XVIII в. Это было достигнуто трудом многих поколений стеклоделов в течение двух тысячелетий.
Однако "халявный" способ трудно поддавался механизации, а потребности в оконном стекле росли быстрыми темпами. Поэтому поиски новых способов продолжались и в результате в начале XX в. был внедрен в промышленность механизированный процесс. В основе его лежало наблюдение американца Кларка, сделанное в первой половине XIX в. Оно состояло в том, что если на поверхность жидкого стекла положить железный стержень ("приманку"), а затем поднимать его, то стеклянная масса приварится (приклеится) к стержню и потянется за ним в виде полотна. При остывании на воздухе получается стеклянный лист. Однако он получался не с параллельными кромками, а в виде клиновидного полотнища. Следующим шагом на пути разработки механизированного способа было изобретение бельгийца Фурко. Он предложил положить на поверхность расплавленной массы керамический брус ("лодочку") с продольной щелью. Керамика легче расплавленной стеклянной массы и потому лодочка плавает на поверхности. Если нажать на лодочку, то расплавленная масса выдавливается из щели. На нее опускают "приманку" и тянут вверх. Если скорость подъема приманки будет равна скорости выдавливания стекломассы, то получится правильное полотнище с параллельными кромками. Дальнейшее завершение решения проблемы носит чисто технический и конструкторский характер - устанавливаются подъемные валики, холодильник и другие приспособления. Толщина листа зависит от скорости подъема и скорости охлаждения листа.
В настоящее время оконное стекло производят по данному способу. Имеется и несколько другой вариант технологического оформления процесса производства листового стекла, который используют в США. В нем вместо лодочки с каждого борта полотна располагается пара роликов, между которыми и проходит полотно. Ролики препятствуют сужению полотна и потому отпадает необходимость в лодочке.
В современном строительстве для остекления общественных зданий, гостиниц и витрин магазинов, а также для авто- и вагоностроения, широко используют стекло толщиной 6...8 мм и даже до нескольких сантиметров. Такое стекло называют зеркальным. Оно изготавливается методом проката с последующей шлифовкой и полировкой. Когда говорят о здании, построенном из стекла и бетона, то имеют в виду именно такое зеркальное стекло.
Из сказанного видно, какими усилиями далось человеку прозрачное стекло. Однако в некоторых деталях промышленного и бытового интерьера необходимо, чтобы стекло, наоборот, было непрозрачным, но пропускало свет. Стекло для таких целей подвергают пескоструйной обработке или грубой шлифовке. В настоящее время с этой же целью изготавливают узорчатое листовое стекло, т.е. имеющее какой-либо рисунок. Его получают прокатом на столах или между вальцами, на которые нанесен рисунок.
Мелкие стеклянные изделия делают матовыми обработкой фтороводородной (плавиковой) кислотой. Последняя взаимодействует с диоксидом кремния, находящимся на поверхности, с образованием летучего тетрафторида кремния SiF4 в соответствии с уравнением
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2О
Вряд ли современный человек может оценить тот комфорт и удобство, которое дает ему прозрачное листовое стекло. Человек рождается в светлом и теплом помещении и принимает это как должное.
Фотохромные стекла изменяют окраску под действием излучения. В настоящее время получили распространение очки со стеклами, которые при освещении темнеют, а в отсутствие интенсивного освещения вновь становятся бесцветными. Такие стекла применяют для защиты от солнца сильно остекленных зданий и для поддержания постоянной освещенности помещений, а также на транспорте. Фотохромные стекла содержат оксид бора B2O3, а светочувствительным компонентом является хлорид серебра AgCl в присутствии оксида меди (I) Cu2O. При освещении происходит процесс
AgCl - [hν (свет)] → Ag + Cl
Выделение атомарного серебра приводит к потемнению стекла. В темноте реакция протекает в обратном направлении. Оксид меди (I) играет роль своеобразного катализатора.
При интенсивном облучении стекла (в том числе и лабораторного) γ-лучами нейтронами и в меньшей мере α-, и β-лучами также происходит окрашивание стекла (чаще в темные и черные цвета). Это связано с изменением структуры стекла и образования ионов, которые играют роль "цветовых центров". При нагревании стекла до температур, близких к температуре размягчения, окраска исчезает. Иногда подобные стекла используют в качестве дозиметров больших доз излучений.
Витраж - это декоративная орнаментальная или тематическая композиция, изготовленная из кусков разноцветного стекла, заполняющая оконный проем. Витраж широко использовался для архитектурного оформления готических храмов. Позже в виде витражей начали выполняться гербы городов в городских ратушах и других зданиях общественного назначения. В подражание этому дворянские дома в виде витражей стали оформлять семейные гербы.
Искусство витража получило развитие в эпоху средневековья и достигло наибольшего расцвета в эпоху Возрождения. Слово витраж происходит от франц. vitre - оконное стекло. Кроме разноцветного стекла использовались стекла, расписанные красками. В качестве последних широко применяли тонкорастертые смеси оксидов металлов (меди, железа и др.) с легкоплавким стеклом. Смеси замешивались на воде, вине или растительном масле и в виде кашицы наносились на стекло. После высыхания расписанное стекло подвергалось обжигу при умеренной температуре. По описанию монаха Теофила в XII в. витражи изготавливались следующим образом. Заранее нарезанные и хорошо подогнанные друг к другу куски цветного стекла обертывались по краям полосками свинца. Обернутые куски раскладывались на столе и плотно подгонялись один к другому, а затем свинцовые перемычки спаивались припоем из сплава олова и свинца. Спаивание проводилось с обеих сторон.
В настоящее время искусство витража начинает возрождаться. Особенно ярко проявляется это в Прибалтике.
Хрусталь, хрустальное стекло - это силикатное стекло, содержащее различное количество оксида свинца. Часто на маркировке изделия указывается содержание свинца. Чем больше его количество, тем выше качество хрусталя. Хрусталь характеризуется высокой прозрачностью, хорошим блеском и большой плотностью. Изделия из хрусталя в руке чувствуются по массе.
Строго хрусталем называют свинцово-калиевое стекло. Хрустальное стекло, в котором часть K2О заменена на Na2O, а часть PbO заменена на CaO, MgO, BaO или ZnO, называют полухрусталем.
Считают, что хрусталь был открыт в Англии в XVII столетии.
Кварцевое стекло. Его получают плавлением чистого кварцевого песка или горного хрусталя, имеющих состав SiO2. Для изготовления кварцевого стекла требуется очень высокая температура (выше 1700°C).
Расплавленный кварц обладает высокой вязкостью и из него трудно удаляются пузырьки воздуха. Поэтому кварцевое стекло часто легко узнается по заключенным в нем пузырькам. Важнейшим свойством кварцевого стекла является способность выдерживать любые температурные скачки. Например, кварцевые трубы диаметром 10...30 мм выдерживают многократное нагревание до 800...900°C и охлаждение в воде. Брусья из кварцевого стекла, охлаждаемые с одной стороны, сохраняют на противоположной стороне температуру 1500°C и потому используются в качестве огнеупоров. Тонкостенные изделия из кварцевого стекла выдерживают резкое охлаждение на воздухе от температуры выше 1300°C и потому с успехом используются для высокоинтенсивных источников света. Кварцевое стекло из всех стекол наиболее прозрачно для ультрафиолетовых лучей. На этой прозрачности отрицательно сказываются примеси оксидов металлов и особенно железа. Поэтому для производства кварцевого стекла, идущего на изделия для работы с ультрафиолетовым излучением, предъявляются особо жесткие требования к чистоте сырья. В особо ответственных случаях кремнезем очищается переводом в тетрафторид кремния SiF4 (действием плавиковой кислоты) с последующим разложением водой на диоксид кремния SiO2 и фтороводород HF.
Кварцевое стекло прозрачно и в инфракрасной области.
Ситаллы - стеклокристаллические материалы, получаемые регулируемой кристаллизацией стекла. Стекло, как известно, - это твердый аморфный материал. Его самопроизвольная кристаллизация в прошлом приносила убытки на производстве. Обычно стекломасса довольно стабильна и не кристаллизуется. Однако при повторном нагревании изделия из стекла до определенной температуры стабильность стекломассы снижается и она переходит в тонкозернистый кристаллический материал. Технологи научились проводить процесс кристаллизации стекла, исключая его растрескивание.
При производстве изделий из стеклокристаллических материалов сначала формуют стеклянные изделия, которые повторным нагреванием подвергают направленной кристаллизации.
Ситаллы обладают высокой механической прочностью и термостойкостью, водоустойчивы и газонепроницаемы, характеризуются низким коэффициентом расширения, высокой диэлектрической проницаемостью и низкими диэлектрическими потерями. Они применяются для изготовления трубопроводов, химических реакторов, деталей насосов, фильер для формования синтетических волокон, в качестве футеровки электролизных ванн и материала для инфракрасной оптики, в электротехнической и электронной промышленности.
Прочность, легкость и огнестойкость обусловили применение ситаллов в жилищном и промышленном строительстве. Из них изготавливают навесные самонесущие панели наружных стен зданий, перегородки, плиты и блоки для внутренней облицовки стен, мощения дорог и тротуаров, оконные коробки, ограждения балконов, лестничные марши, волнистую кровлю, санитарно-техническое оборудование. В быту с ситаллами чаще встречаются в виде белой непрозрачной жаростойкой кухонной посуды. Установлено, что ситаллы выдерживают около 600 резких тепловых смен. Изделия из ситаллов не царапаются и не прогорают. Их можно снять с плиты в раскаленном до красна состоянии и опустить в ледяную воду, извлечь из холодильника и поставить на открытое пламя, не опасаясь растрескивания или разрушения.
Ситаллы - один из видов стеклокристаллических материалов, которые ведут свою историю всего лишь с 50-х годов текущего столетия, когда был выдан на них первый патент.
"Безопасные" стекла. Вероятно, каждому городскому жителю довелось видеть на автотранспорте разбитое лобовое стекло. Первым из "безопасных" стекол, примененных для остекления автомобилей, был триплекс. Он и в настоящее время несет свою службу. При ударе на триплексе образуются многочисленные радиальные и концентрические трещины, но не осколки. Это резко снижает возможность ранения осколками стекла пассажиров. Триплекс состоит из пакета, образованного из двух или более листов обыкновенного стекла, между которыми проложена прозрачная пластичная пленка, прочно соединенная со стеклом склеивающим составом. Благодаря прочной склейке образующиеся при ударе осколки удерживаются на прокладке. Наиболее широко распространенным является трехслойный триплекс. В качестве органической прокладки в нем используют целлулоид. Его изготовление включает следующие операции: стекла покрываются с одной стороны раствором желатина в воде и высушиваются, целлулоидная прокладка обрабатывается с двух сторон дигликолево-спиртовым составом, собранный пакет помещается в вакуум, а затем подогревается до 100°C и прессуется в автоклаве при давлении около 15 атм. Заключительной операцией после обточки абразивными кругами является шпаклевка кромок триплекса смолистыми составами, предотвращающая действие воды на желатин и расслаивание изделия.
В промышленном строительстве широко применяют "армированное" стекло, внутрь которого введена металлическая сетка. Это стекло также может быть отнесено к безопасным, так как при ударе его осколки не рассыпаются, а удерживаются сеткой. "Армированные" стекла обладают противопожарными свойствами, поскольку задерживают развитие пламени в помещениях. Это происходит потому, что от пламени такие стекла не высыпаются из рамы, а лишь растрескиваются. В результате они препятствуют образованию сквозняков, раздувающих огонь.
Пеностекло - пористый материал, представляющий собой стеклянную массу, пронизанную многочисленными пустотами. Оно обладает тепло- и звукоизоляционными свойствами, небольшой плотностью (примерно в 10 раз легче кирпича) и высокой прочностью, сравнимой с бетоном. Пеностекло не тонет в воде и потому используется для изготовления понтонных мостов и спасательных принадлежностей. Однако его главная область применения - строительство. Пеностекло является исключительно эффективным материалом для заполнения внутренних и наружных стен зданий. Оно легко поддается механической обработке: пилением, резанием, сверлением и обтачиванию на токарном станке.
Для изготовления пеностекла используют стеклянный бой и различные отходы стекольного производства. К ним добавляют пенообразователи, которые образуют газы при высокой температуре: кокс, мел и др. Стеклянный бой и пенообразователи подвергаются тонкому измельчению и хорошо перемешиваются. Смесь помещается в железные формы и нагревается в печи до 700...800°C, при которых пылинки стекла спекаются и образуют полости. При дальнейшем повышении температуры пенообразователи приводят к образованию газов, растягивающих стеклянные полости (процесс вспенивания). Затем следует довольно резкое охлаждение, в результате чего вязкость стекольной массы повышается, пена становится устойчивой и при дальнейшем охлаждении окончательно закрепляется.
Стеклянная вата и волокно. При нагревании стекло размягчается и легко вытягивается в тонкие и длинные нити. Тонкие стеклянные нити не имеют и признаков хрупкости. Их характерным свойством является чрезвычайно высокое удельное сопротивление разрыву. Нить диаметром 3...5 мкм имеет сопротивление на разрыв 200...400 кг/мм, т.е. приближается по этой характеристике к мягкой стали. Из нитей изготавливают стекловату, стекловолокно и стеклоткани. Не трудно догадаться об областях использования этих материалов. Стекловата обладает прекрасными тепло- и звукоизоляционными свойствами. Ткани, изготовленные из стеклянного волокна, обладают чрезвычайно высокой химической стойкостью. Поэтому их применяют в химической промышленности в качестве фильтров кислот, щелочей и химически активных газов. Вследствие хорошей огнестойкости стеклоткани применяют для пошива одежды пожарных и электросварщиков, театральных занавесей, драпировок, ковров и т.п. Стеклоткани кроме огнестойкости и химической стойкости обладают также высокими электроизоляционными свойствами.
Переработка в стекловату осуществляется продавливанием стекломассы через термостойкую пластину с многочисленными отверстиями ("фильерами"). Вытекающие через фильеры нити захватываются вращающимся барабаном, наматываются на него и растягиваются. Растяжение нити (утоньшение) зависит от скорости вращения барабана. Роль барабана иногда играет вращающийся диск, на который падает нить.
Существует и принципиально иной способ вытягивания нитей: на вытекающие из фильер нити направляется струя пара или сжатого воздуха. Стеклянные нити растягиваются и в спутанном состоянии образуют войлок.
Стеклопластики и стеклотекстолиты. Первыми называют материалы, получаемые путем горячего прессования стекловолокна, перемешанного с синтетическими смолами. В качестве смол чаще всего используют полиэфирные, фенольные, эпоксидные и карбамидные. В стеклопластиках стекловолокно играет роль армирующего материала, придающего изделиям высокую механическую прочность при малой плотности. Они успешно конкурируют с алюминием и сталью.
В строительстве стеклопластики (волнистые и плоские) применяют для покрытия крыш и для устройства внутренних перегородок. В судостроительной промышленности из них делают корпуса лодок и катеров, в электротехнической их применяют для изготовления аккумуляторных батарей, а в угольной - для труб и призабойных стоек. В некоторых странах из них изготавливают кузова автомобилей, не подвергающиеся коррозии. Стеклопластики на основе стеклянных тканей называют стеклотекстолитами. Их получают пропиткой теми же смолами стеклотканей. Затем заготовки сушат, разрезают на куски определенного формата, собирают в пакеты и прессуют под давлением.
Стеклопластики изготавливают также на основе нетканых стекломатериалов. По сравнению со стеклотекстолитами последние имеют меньшую прочность на разрыв. Эти материалы идут на изготовление облицовочных изделий, жесткой кровли, стеклошифера, стекло-черепицы, оконных проемов.