Виды стекла, его свойства, технология производства

Мой папа очень любит смотреть телевизор. И смотрит всегда все передачи, даже музыкальные клипы, самым внимательнейшим образом. И если я, не дай Бог, заслоню экран хотя бы на минуту, он нервно выкрикивает: «Ты что, стеклянная?» Или: «У тебя что, отец — стекольщик?» Последнее замечание, надо сказать, повергает меня в легкое замешательство. Все время подмывает дать закономерный ответ родителю, мол, вам с мамой тут виднее, кто же был мой папаша. Во всяком случае, нынешний горячо любимый папа вовсе никакой не стекольщик, зато наш сосед... Сосед — самый настоящий стеклянных дел мастер. М-да: А въехал-то он в наш дом как раз примерно за год до моего рождения. Но это я так, к слову...

Человек он душевный и честный, влюбленный в свое дело. Можно сказать, патриот Стекла. О чем бы мы с ним ни беседовали, он обязательно переводит разговор на любимую тему. Может говорить об этом часами. Недавно я даже вспылила: «Сан Саныч, я тебя про жизнь спрашиваю, а ты мне все о стекле да о стекле!» На что Сан Саныч обиделся и попенял мне: «Ты, красавица, еще дитя неразумное. Подумай сама, что была бы за жизнь, не будь в ней стекла?»

Я попыталась представить настоящее без стекла. Да уж, картина получилась несколько мрачноватая. Вокруг — дома с окнами, затянутыми слюдой или бычьими пузырями (это где же столько быков взять?!). Просыпаясь по утрам, мы наводили бы красоту, смотрясь в полированный оловянный или медный поднос. Современных фонарей бы не было, а ночные улицы освещали бы парафиновые свечи. Да что говорить: если б не изобрели стекло — до сих пор не было бы телескопа, а мы бы так и жили с мыслью, что земля плоская. Жуткое дело!

Ужасная картина жизни без стекла ширилась и росла в моем воображении: Секундочку, а как бы я жила без очков? «Да здравствует тот чудак, которому пришла в голову идея варить из песка стекло!» — радостно возопила я, прервав свои мысленные фантазии.

От этих «правильных» слов милейший Сан Саныч воспрял духом. И его рассказ о стекле продолжался четыре часа подряд. Но зато я узнала много нового и интересного. Выяснилось, что история стеклоделия насчитывает почти восемь тысячелетий. Вот такая существует легенда по этому поводу. Купцы ехали караваном по Аравийской пустыне. Среди прочих товаров они перевозили соду. Остановились на ночлег, развели костер и обложили его мешками с содой, чтобы огонь не задуло. А наутро они обнаружили стеклянную глыбу. Это было поразительное стечение обстоятельств: ведь песок плавится при температуре 1710°С, а если добавить соду, то температура плавления снижается до 720. Тогда, конечно, ни о каких градусах понятия не имели, но стекло тем не менее получилось. Здорово, правда?

Одно из древнейших изделий из стекла — стеклянные бусы — археологи нашли в Месопотамии, они относятся примерно к 2450 году до нашей эры. Тогда люди просто откалывали кусочки от большой стеклянной глыбы и камнем (булыжником) придавали этим кусочкам форму бусинок.

Сейчас мы привыкли к стеклу, как к солнцу в ясную погоду или лужам после дождя. Но в XX веке такого наизобретали, что просто диву даешься, до чего дошел научно-технический прогресс!

Вот так халява!

Но обо всем по порядку. Выяснилось, что к простому прозрачному стеклу в наших окнах мы шли долгим и извилистым путем.

Получив однажды стекло случайно, человек затем стал варить его в самых обычных горшках на костре или в печи, точно так же, как варили похлебку. Но вместо мяса и капусты в горшок насыпали порошок, состоящий из песка, соды (Na2 CO3) или золы, а также мела, доломита, глинозема (полевого шпата). Этот порошок называется шихта. Все свойства готового стекла (прочность, прозрачность, цвет, химическая стойкость) зависят от того, какую приготовят шихту. Можно смешать только два компонента: песок и соду — получится не очень прозрачное мутное стекло, которое легко растворяется в обычной воде. Состав из 3 компонентов — песка, соды, глинозема — придает стеклу термическую и химическую стойкость, увеличивает прочность и твердость. А если в эту трехкомпонентную шихту добавить, кроме песка, соды и глинозема, еще красители — соединения хрома, или соединения кобальта, или оксид никеля, то получится цветное стекло: соответственно зеленое или синее, или красно-фиолетовое.

После изобретения стекла прошло несколько тысячелетий, и в I веке уже нашей эры римскими стеклодувами впервые была использована стеклодувная трубка — стекло стали выдувать, как дети выдувают пузырь из мыльной жидкости. Такому выдутому можно потом придать любую форму. Точно так же стеклодув выдувал (в несколько приемов) и халяву: Стоп, читатель! Это совсем не то, что ты успел подумать. Так называлась выдутая мастером заготовка цилиндрической формы. Похожа халява на гигантскую, с человеческий рост, сардельку. Сардельку-халяву разрезали вдоль и раскладывали на столе. Получался лист стекла. Это был халявный метод изготовления листового стекла, который и продержался до начала ХХ века. Первыми стеклодувами у нас в России были исключительно иностранцы. А первый стекольный завод, открытый в начале XVII века, был в селе Духанине. Однако их никогда не называли халявщиками ни в старом, ни в новом значении этого слова. А почему слова «халява» и «халявный» получили потом такой обидный смысл — история умалчивает.

Изготовленное этим методом листовое стекло было, правда, таким кривым, что самая писаная красавица, ждущая у окошечка своего суженого, казалась кикиморой.

ХХ век — эра стекла

Сейчас стекло превратилось в привычный и надежный строительный и отделочный материал. И разновидностям его теперь несть числа. При желании можно даже стены и полы из него делать. А что, красиво — гораздо оригинальнее железобетона, правда, значительно дороже.

Со временем изменилась не только технология изготовления стекла, но и состав шихты. Кроме основных компонентов, о которых мы рассказали, в нее может быть добавлено еще более 20 других. В зависимости от них стекло приобретает новые и самые разнообразные свойства. Шихту можно назвать папой и мамой ребеночка-стекла: какие у них качества, такой и ребеночек получится. Кроме того, на обыкновенное стекло делают самые различные напыления. Благодаря этому оно приобретает всевозможные свойства, например, оберегает нас от солнечной радиации и ожогов, а имущество — от выгорания. Ультрафиолет не пропускают стекла, полученные либо методом напыления, либо при варке шихты специального состава (например, стекло с красителем Fe2O3 + FeO).

Восхитившись такими чудесными свойствами стекла, я, естественно, попросила Сан Саныча рассказать об этом. То-то порадовался мой родимый стекольщик!

Поскольку первое листовое (халявное) стекло было далеко от идеала, пролетарии всех стран бились над тем, как сделать его гладким и ровным. Когда в начале ХХ века придумали метод вытяжки стекла, мастеров-стеклодувов заменили машины.

Процесс вытяжки стекла можно объяснить так: стеклянная масса, постепенно остывая, проходит через целую систему валиков, которые вытягивают будущее стекло. Этот метод позволяет получать тонкие листы стекла достаточно больших размеров, правда, потом их обязательно нужно отшлифовать и отполировать. Большинство отечественных заводов сегодня делают стекло именно этим методом.

Но такое стекло тоже не очень ровное и допускает искажение изображения. Кстати об искажении. В метро ездите часто? Если да, то поймете, о чем речь. Вы наверняка обращали внимание на отражение в вагонном стекле сидящего рядышком пассажира и думали: «Ну и урод! Как можно с таким лицом жить? То ли дело я!» Не хочу вас расстраивать, но вы тоже, мягко говоря, не красавец (я имею в виду отражение в стекле). С другой стороны, если заняться в дороге больше нечем, можно покорчить рожицы и поднять настроение себе и окружающим.

На Западе, правда, уже придумали, как с этим бороться. Они наших национальных русских развлечений не понимают. Поэтому, например, английская компания «Пилкингтон» (Pilkington) придумала в 60-е годы новую технологию изготовления стекла флоат-методом, которая стала настоящей революцией в стекольном производстве. Суть в следующем: стекольная масса вливается в ванну с расплавленным оловом. Когда масса остывает, получается идеально ровная поверхность, не требующая ни шлифовки, ни полировки, как предыдущая технология. Сейчас весь мир перешел на стекло, изготовленное флоат-методом, но в России пока работают всего пять флоат-линий. Зато в метро ездить не скучно.

Энергосберегающее (теплозащитное) стекло

Оно сейчас расходится на ура во всем мире. И неспроста. Зимой энергосберегающие стекла сохраняют тепло, летом — прохладу. Подсчитано: благодаря этим стеклам удается сократить расходы электроэнергии примерно на 30%. И вообще снижение тепловых потерь чудодейственным образом отражается на климате всей планеты — позволяет избежать глобального потепления. Так что, приобретая такие стекла, вы совершаете поступок вселенского масштаба.

Я поняла, что технология изготовления таких стекол вообще тема для отдельного разговора. Поэтому мы поговорим об этом в следующий раз. А пока пойдем дальше.

Тонированное, цветное и зеркальное стекло

Тонированное и зеркальное стекло — стекло, имеющее соответствующую пленку. На зеркальное наносится тончайшая пленка из серебра, цветное — может быть за счет пленки или за счет добавления какого-либо красителя в шихту.

Очень популярны сейчас тонированные (с легким оттенком коричневого, зеленого и т.д.), цветные (с ярким насыщенным цветом) стекла и те, что с зеркальным эффектом.

Тонировать стекло, прошедшее отжиг, можно через любой промежуток времени (хоть через год). Делают это так: стекло снова нагревают до 600-700 градусов, потом пульверизатором наносят раствор специальной пленкообразующей соли. В результате химических реакций на поверхности стекла образуются тонкие (до 1 микрона) прозрачные пленки (оксидов металлов). Эта пленка может быть:

токопроводящей,
радиозащитной,
теплопоглощающей (голубая),
теплоотражающей (синяя),
поглощающей УФ-лучи (желтая),
зеркальной (пленка из оксида титана),
солнцезащитной (голубая) — из закиси железа,
декоративной (зеленая) и т.д.

Есть пленки, которые обладают сразу несколькими свойствами. Причем можно наносить пленки сразу после изготовления стекла и после этого направлять его на отжиг.

Тонированные и зеркальные стекла, которые используются в строительстве, придают зданиям респектабельность и солидность. Это — с одной стороны. А с другой — зеркальные стекла тщательно скрывают «внутренности» дома, оберегая вашу личную жизнь. С этими стеклами вам не страшны взгляды зевак и любопытных соседей, которые попытаются рассмотреть поближе, что творится у вас в доме. Эффект от такого стекла замечательный: вас никто не видит, зато вы видите все, что происходит на улице.

Как известно, встречают по одежке. В психологии бизнеса есть даже такой постулат: внешнее благополучие и престижный вид в лучшую сторону отражаются на ваших финансовых делах. Стекло — это «ткань», из которой «шьют» «костюм» для здания. Фасад банка, офиса, гостиницы, отделанный тонированными стеклами, создает имидж надежности, благополучия и преуспевания.

А вот тонированные и цветные стекла, из которых делают стеклянные двери и перегородки внутри помещений, придают интерьеру легкую интимность и неординарность, оставляя простор для фантазии дизайнеров.

Теперь отвлечемся от лирики и скажем, в какую копеечку может влететь вам приобретение этих стекол. Тонированные стекла стоят в среднем 5,5 — 50$ за 1 кв.м. Цветные 3,5 — 35$ за 1 кв.м. Зеркальные 16 — 95$ за 1 кв.м.

Узорчатое стекло

Те, кто считает, что гладкие стекла — это плоско и скучно, кому хочется чего-нибудь эдакого с завитками и загогулинами, могут выбрать узорчатые стекла. Их поверхность щедро украшена всевозможными орнаментами. Сейчас в Европе, например, самый «писк» — стекла с мелким-мелким геометрическим рисунком. Технология эта новая, и поэтому такие стекла стоят в четыре раза дороже обычных узорчатых.

Обычные узорчатые стекла, как мы уже говорили, получаются с помощью метода прокатки еще горячего стеклянного листа через рельефные валики. Но наши умельцы изобретают и свои способы обработки. Например, стекло «мороз» делают так — на стекло наносят силикатный клей, а затем кладут в печь. В результате получается очень похоже на те узоры, что зимой образуются на наших стеклах. Интересен и процесс рождения узорчатого стекла «метелица». Под остывающую пластичную стеклянную массу пускают воздух, который, пробивая себе путь, оставляет на стекле рельефные волны. Брака здесь, конечно, уйма. Но зато красиво и нет ни одного стекла, похожего на другое. Здесь Сан Саныч признался мне, что часто испытывает муки творчества, размышляя, как бы так «испортить» стекло, чтобы красиво было. Обычные узорчатые стекла стоят в среднем 2 — 15$ за 1 кв.м.

Безопасные и прочные стекла

Еще Сан Саныч сказал, что если бы наше привычное оконное стекло изобрели только сегодня, то его наверняка бы запретили использовать из-за несоответствия стандартам безопасности. Например, сейчас в общественных местах, где толчется много народа, стараются ставить безопасные стекла.

Самое «древнее» среди них — армированное стекло, внутри которого проходит металлический скелет-сетка. Оно получается очень просто: металлическую сетку вместе со стекломассой прокатывают между валками. Смотрится оно, надо сказать, не очень, но зато будьте уверены — осколки не разлетятся в разные стороны. В нашем доме, например, армированные стекла стоят в дверях приквартирных холлов. И хотя такое стекло, по утверждению Сан Саныча, «это уже прошлый век», оно все равно пользуется спросом: недорого и безопаснее обычного. Стоит армированное стекло в среднем 4,5 — 20$ за 1 кв.м.

Закаленное стекло более стойкое, чем армированное, и в 10 раз прочнее обычного. «Закаливающие процедуры» проводят таким образом: горячее стекло сразу после изготовления быстро остужают холодным воздухом. В результате ему не страшны ни мороз, ни жара. Если по закаленному стеклу хорошенько двинуть, оно рассыплется на множество стеклянных осколков-крошек. Но так как нет острых краев, они практически безопасны. Видели, наверное, россыпи стеклянной крошки на месте автомобильной аварии? Так вот, именно закаленные стекла применяют для «остекления» автомобилей, автобусов и прочего транспорта, входных дверей и перегородок. Неострые осколки получаются, как говорят специалисты, «за счет снятия термических напряжений внутри стекла».

Но самое надежное и безопасное стекло все-таки триплекс. Технология его изготовления примерно следующая. Между двумя листами стекла укладывают полимерную пленку и помещают в автоклав. Пленка сделана из эластичного материала — бутафоля (для самых дотошных читателей приведу название полностью — поливинилбутироль пластифицированный). При температуре выше 100 градусов пленка полимеризуется и, как клей, соединяет два листа. Как выразился Сан Саныч, «прочность триплекса на удар в 12 раз превышает прочность обычного листового стекла». Если некто попытается разбить триплекс, бедняге придется нелегко. Но в случае чего осколки не брызнут во все стороны: они повиснут на промежуточной пленке, не причинив вреда. Если пленка цветная, то триплекс получается цветной. Кроме того, такая пленка поглощает тепло или свет. Смотрится такое многослойное стекло как монолит. Еще триплекс поглощает звук. Подсчитано, что в крупных городах нам по ушам бьет не менее 72 разновидностей уличного шума, врывающегося в окна.

Стоит триплекс в среднем 30 — 40$ за кв.м.

Думаю, правда, что использовать его для окон слишком дорого. Поэтому придумали применять стеклопакеты, где два плоских стекла соединены таким образом, что между ними образуется воздушная камера. Они действительно повышают звукоизоляционные свойства в несколько раз. А теплопроводность в два раза, то есть квартира в жару не нагревается, а зимой тепло не уходит. Листы между собой склеивают, сваривают или спаивают по периметру пакета.

Защитное стекло

Надо сказать, пленкой из полимера возможно склеить не только два стекла. Можно и больше. Хотя оптимальным вариантом пока считается трехслойный триплекс. Дальнейшее склеивание будет лишь удорожать продукт. Из многослойного стекла, как рассказывают, делают лестницы и даже полы. Я где-то читала, что стеклянный пол на смотровой площадке Останкинской телебашни тоже сделан из многослойного стекла. Но Сан Саныч считает, что это совсем другой материал. По его мнению, там пол изготовлен из прозрачного стеклокристаллического материала. Такой стеклокристаллический материал называется ситаллом. Его получают из стекол специального состава методом направленной кристаллизации (выдержка при определенных температурах для того, чтобы в стекле образовалась кристаллическая фаза). Есть и цветные ситаллы, они внешне напоминают мрамор. Свойства у ситалла просто уникальные: прозрачный как стекло, ситалл имеет прочность металла. Он более химически- и износоустойчив.

Но вернемся к многослойному стеклу. Помните, как Шерлок Холмс в фильме ловко разрезает алмазом стекло, просовывает руку в получившееся отверстие и открывает замок? На все про все у него уходит не больше минуты. Сегодня у него вряд ли бы получилось. Современные защитные стекла придется пилить алмазом очень долго. Чтобы их разбить, нужно обладать не только большим запасом времени, но и недюжинной силой.

Такие стекла имеют международную классификацию. Это означает, что она обязательна для маркировки во всех странах мира.

Стекла класса А (защита от вандализма) дают трещину, только если по ним несколько раз хорошенько ударить кирпичом. (Стоят такие стекла 30 — 120$ за 1 кв.м.) Если у вас стоят стекла, защищающие от проникновения (класс защиты Б), для них нужно что-то посерьезнее кирпича, к примеру, кувалда. Подсчитано, что, пожалуй, с 70-го удара разбить такое стекло все-таки можно. Но пока злоумышленник будет колотить по стеклу, бдительные соседи, по идее, успеют вызвать милицию. Между прочим, владельцы дорогих особняков, не желающие уродовать окна решетками, ставят именно эти стекла. И правильно делают. (Цена на эти стекла 160 — 300$ за 1 кв.м.)

Класс защиты В — пуленепробиваемые стекла. Они стоят от 150 до 1250$ за 1 кв.м.

«Нет, ты подумай — какая знатная вещь! — восхитился мой собеседник. — Из такого стеклышка можно даже танки делать, как думаешь?»

«Действительно, можно, наверное», — согласилась я и посмотрела на часы. Засиделись мы поздненько, родители, наверное, уже волнуются. Провожая до двери, Сан Саныч напутствовал меня словами:

Ты в своей статье так и напиши, стекло — самый перспективный строительный материал нового, ХХI века. Запасы кварцевого песка, из которого стекло делают, не иссякнут практически никогда! А возможностей — уйма. Сейчас, говорят, изобрели стеклянные гвозди. Прочные, не ржавеют и не гнутся!
Ну если дальше так пойдет, мои внуки будут строить дома из стеклянных бревен, вбивая стеклянные гвозди стеклянными молотками...
Зря хихикаешь, в Москве на Манежной площади в ближайшее время собираются возвести стеклянный храм. Слышала?

Разъяснения специалистов

В начале нашего столетия стали внедряться стекольные печи непрерывного действия. Это такие бассейны из огнеупорного кирпича длиной до 50 метров, шириной до 11 метров и глубиной до 1,5 метра. Вдоль всей длины размещены газовые горелки. Такой бассейн вмещает 2000 тонн стекломассы и производит до 600 тонн стекломассы в сутки.

Шихта (смесь, например, из 7 компонентов — песок, доломит, мел, сода, глинозем, технические добавки и стеклообои) в виде однородного порошка засыпается в эту ванну. Горелки разогревают ее до 600-800 градусов. Порошок плавится — получается пенистый непрозрачный расплав, пронизанный пузырьками газа. Расплав движется к противоположному краю бассейна, постепенно нагреваясь до 1100-1200 градусов. При таких температурах заканчивается процесс силикатообразования. Постепенно начинается стеклообразование. Потом состав выравнивается. Масса становится однородной. Причем скорость стеклообразования почти в 10 раз ниже скорости силикатообразования. Но вот этот участок пройден. Температура поднялась выше 1400 градусов, наступил процесс осветления. Все газообразные включения должны улетучиться. Иначе мы получим испорченное стекло.

Затем идет стадия гомогенизации (усреднение). Температура — выше 1500 градусов. Время всех стадий зависит в основном от состава шихты. Общее время варки стекла такого качества (из 7 компонентов) — 5-6 дней. Стекломасса готова. Можно начать охлаждение. В конце печи (бассейна) горелок нет. Постепенно и плавно температура падает до 1100-1250 градусов. Теперь можно придать стекломассе любую форму. Когда масса затвердеет, получится нужное изделие.

Например, можно подать струю стекломассы с температурой около 1000 градусов между вращающимися валками (принцип выжимания мокрого белья). Здесь путем сжатия можно варьировать толщину стекла.

Вместо валков можно получать листовое стекло методом вертикального вытягивания через так называемую лодочку. Она «плавает» в самом конце печи в стекломассе. В лодочке проделана щель. Сквозь нее просачивается стекломасса, ее схватывают вращающиеся охлажденные валки и вытягивают вверх. Там ее подхватывают следующие валки и тянут еще выше. Таких валков может быть до 22 пар. Высота шахты, в которой они движутся, достигает 8 метров.

Но если полученное стекло просто охладить (до комнатной температуры), то оно будет очень хрупким. Понятно, что сделать из него ничего нельзя. Чтобы этого не произошло, стекло отжигают. Отжиг — это охлаждение от 980 градусов до 100 градусов по определенному режиму, то есть скорость движения ленты стекла строго контролируется. Но этот метод дает волнистое стекло, то есть неравномерное по толщине. После вытяжки ленту стекла приходится шлифовать, а потом полировать. Иначе стекло будет давать искажение. Возможно, неспециалистам все эти подробности и не интересны. Но мне кажется, что без этого наш рассказ о стекле как материале был бы неполным.

От редакции. Сегодня в мире существует огромное количество самых разнообразных видов стеклопродукции: стеклообои, стеклоблоки, стеклопластики, стеклопрофилат, жидкое стекло, гидростеклоизол... Мы — только в начале разговора о замечательных свойствах стекла.