Все о стекле

История стекла уходит в глубокую древность. Известно, что в Египте и Месопотамии его умели делать уже 6000 лет назад. Вероятно, стекло начали изготавливать все же позже, чем первые керамические изделия, так как для его производства требовались более высокие температуры, чем для обжига глины. Если для простейших керамических изделий было достаточно только глины, то в состав стекла необходимо минимум три компонента.

Стекло, исходными компонентами которого является кварцевый песок, сода и известь, называют натрий-кальциевым. Оно составляет около 90% получаемого в мире стекла.

Первый стекольный завод в России был построен в 1636 г. близ г. Воскресенска под Москвой. На нем выдували оконное стекло и стеклянную посуду. Через 30 лет в селе Измайлово, также под Москвой, был построен завод, на котором изготовляли высококачественные стаканы, графины, фляги, рюмки, кувшины и др. Особенно быстро стеклоделие развилось при Петре I. В XVIII в. около Москвы действовало шесть стекольных заводов. В стекловарении используют только самые чистые разновидности кварцевого песка, в которых общее количество загрязнений не превышает 2...3%. Особенно нежелательно присутствие железа, которое даже в ничтожных количествах (десятые доли процента) окрашивает стекло в зеленоватый цвет. Если к песку добавить соду Na2CO3, то удается сварить стекло при более низкой температуре (на 200...300 C). Такой расплав будет иметь менее вязкий (пузырьки легче удаляются при варке, а изделия легче формуются). Но! Такое стекло растворимо в воде, а изделия из него подвергаются разрушению под влиянием атмосферных воздействий. Для придания стеклу нерастворимости в воде в него вводят третий компонент — известь, известняк, мел. Все они характеризуются одной и той же химической формулой — CaCO3.

Охлаждение стекла, а точнее изделия из него проводят медленно, чтобы избежать в нем напряжений. При быстром охлаждении стекла поверхностные слои тела затвердевают и могут иметь температуру, близкую к комнатной, а внутренние части, вследствие низкой теплопроводности, могут иметь температуру до 1000 градусов цельсия. Поскольку внутренние части при охлаждении сжимаются, а наружные уже не уменьшаются в размере, в них возникают высокие поверхностные сжимающие напряжения. Внутренние слои, наоборот, испытывают высокие растягивающие напряжения. Такое стеклянное тело называют «закаленным». Закаленное стекло обладает высокой механической прочностью. Однако у него есть и недостатки. При нарушении поверхностного слоя (например, нанесение царапины), т. е. при нарушении сжимающих и растягивающих сил, закаленное стекло разлетается вдребезги.

Для обесцвечивания стекла существуют химические и физические способы. В химическом способе стремятся все содержащееся железо перевести в Fe3+. Химически обесцвеченное стекло лишь слегка окрашено (за счет ионов Fe3+) в желтовато-зеленоватый цвет, но обладает хорошим светопропусканием. При физическом обесцвечивании в состав стекла вводят «красители», т. е. ионы, которые окрашивают его в дополнительные тона к окраске, создаваемой ионами железа, — это оксиды никеля, кобальта, редкоземельных элементов, а также селен. Диоксид марганца MnO2 обладает свойствами как химического, так и физического обесцвечивания. В результате двойного поглощения света стекло становится бесцветным, но его светопропускание понижается. Таким образом, следует различать светопрозрачные и обесцвеченные стекла, поскольку эти понятия различны.

В ряде случаев стеклу специально придают непрозрачность путем его «глушения». Это процесс, в результате которого стекло становится непрозрачным. Вещества, способствующие помутнению стекла, называют глушителями. Глушение происходит вследствие распределения по всей массе стекла мельчайших кристаллических частиц. Они представляют нерастворившиеся частицы глушителя или частицы, выделившиеся из жидкой массы при охлаждении стекла. Эти частицы обычно прозрачны, но их показатель преломления отличается от показателя преломления стекла. Поэтому падающий на них луч отклоняется от прямолинейного направления и стекло перестает быть прозрачным. В далеком прошлом в качестве глушителей стекла использовали костяную муку, содержащую фосфат кальция Ca3(PO4)2, а также оксиды олова SnO, мышьяка As2O3 и сурьмы Sb2O3. В настоящее время для этой цели применяют криолит Na3[AlF 6], плавиковый шпат CaF2 и другие фторидные соединения.

«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 градусов цельсия 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.

Дихроичное стекло или стекло с дихроичными фильтрами

Существуют два больших класса светофильтров — обычные (пленочные) и дихроичные.

В основном, обычные светофильтры изготавливаются из термостойких полимерных пленок, связанных с тем или иным красителем.

Функция обычных светофильтров — пропускать сквозь себя только свет с определенной длиной волны. Например, красный светофильтр пропускает красный свет и абсорбирует синий и зеленый. Поскольку большая часть исходного излучения задерживается, такие светофильтры достаточно быстро нагреваются. Поэтому в процессе использования любого обычного светофильтра от постоянного нагревания молекулы красителя мигрируют из наиболее горячей зоны к краям и со временем разрушаются. Наиболее недолговечными являются пленки с красителями, нанесенными на их поверхность, под воздействием температуры и света краска просто распадается и превращается в различные оксиды. Более устойчивыми к выгоранию являются пленки, в которых молекулы красителя находятся между полимерными слоями. К плюсам пленочных светофильтров можно отнести их низкую стоимость.

Обычный светофильтр пропускает свет с определенными длинами волн, а всю остальную часть спектра задерживает. Совершенно иначе работают дихроичные светофильтры. Они пропускают через себя весь спектр излучения за исключением света с определенной длиной волны.

Дихроичный светофильтр не поглощает свет не интересующей области спектра (как обычный светофильтр), а отражает его, работая, как очень специализированное зеркало. Дихроичный светофильтр состоит из тончайших слоев прозрачных диэлектрических материалов (например, оксида титана и оксида кремния), наложенных на термостойкое боросиликатное стекло. Когда луч света пересекает границу между двумя слоями, некоторая часть его отражается. При специальном подборе расстояний между слоями диэлектриков, можно добиться отражения лучей, имеющих определенную длину волны, а вся остальная часть спектра пройдет через фильтр. Например, при отражении зеленых лучей на выходе свет станет пурпурным (Magenta). Т. е. дихроичный светофильтр «вычел» зеленый цвет из общего потока белого света. Если отражать синие лучи, на выходе получится желтый свет (Yellow) и т. д.

Такие светофильтры обладают значительными преимуществами: они жаропрочны, не содержат никаких красителей и поэтому не выгорают, а высокоселективное отражение приводит к созданию на выходе очень чистых и насыщенных цветов высокой яркости.

Поскольку любые светофильтры не добавляют никаких новых составляющих в исходный световой луч, всегда следует учитывать, что спектр излучения многих ламп дефицитен, поэтому светофильтр и источник света должны соответствовать друг другу. Например, галогеновые лампы слабо излучают в красной области спектра, поэтому использовать их надо с учетом этой особенности.

Число оттенков светофильтров на данный момент достигает нескольких сотен, поэтому мастерство дизайнера по свету во многом базируется на точном выборе светофильтра. А применение дихроичного стекла самое разнообразное.

Закалённое стекло

В всём цивилизованном мире уже давно принято положение, по которому запрещено использовать в дверях, перегородках, мебели и в фасадных конструкциях незакаленное стекло.

По сравнению с обычным стеклом у закаленного:

в 5—10 раз, в зависимости от толщины, возрастает прочность стекла на удар

в 2—3 раза увеличивается прочность стекла на изгиб

в 3—4 раза (с 40 до 180 °С) выше стойкость стекла к перепадам температур.

Закаленное стекло является безопасным в момент своего разрушения: при разрушении такого стекла образуется множество мелких безопасных осколков с притупленными краями.

Закалённое стекло обладает высокими прочностными характеристиками.
Закаленное стекло позволяет выдерживать значительные статические или ударные нагрузки с большими прогибами без разрушения. Поэтому изделия из закаленного стекла используют для эксплуатации с определенными нагрузками, например окна, витрины с большой ветровой нагрузкой, стекла стеклянных крыш, зенитных фонарей, которые должны выдерживать снеговую нагрузку и падение случайных предметов.

Закаленное стекло выдерживает значительные изменения температуры.
Когда разница температур в стеклянной пластине составляет 40 °С вероятность разрушения составляет 20%. При разнице температур 55 °С вероятность разрушения равна 50% или, иначе говоря, половина стекол может разрушиться. И, наконец, когда разница температур превышает 90 °С, все обычные прозрачные строительные стекла разрушаются. Изделия из закаленного стекла используются при значительных изменениях температур эксплуатации, например в духовых шкафах газовых и электроплит с температурой до 300 °С, или в конструкциях остекления зданий которые нагреваются в результате прямого солнечного излучения до 100 °С (например, при применении тонированного стекла, имеющего повышенную, больше 25%, теплопоглощающую способность).

Тонированные стекла

Тонированное в массе стекло представляет собой прозрачное плавленое цветное стекло, изготовленное по флоат технологии. Цвет подбирается добавлением окислов металла в стекломассу в процессе лавки. Стекло этого типа обладает высокой светопоглощающей способностью, а его отражающие свойства меньше, чем у обычного прозрачного оконного стекла. Для стекла, тонированного в массе, характерен приятный мягкий свет как снаружи, так и внутри здания, при этом отражение света — слабое, а защита от солнечного излучения происходит в результате адсорбции солнечной энергии.

Основные цвета тонирования — бронзовый, серый, зеленый, голубой. Необходимо обратить внимание, на то что цвет тонированного в массе стекла зависит от его толщины.

Применение тонированного стекла — остекление витрин, окон и дверей, производство стеклопакетов, цельностеклянные фасады и межкомнатные перегородки. Возможная толщина 4, 5, 6, 8 и 10 мм.

Также широко применяется стекло тонированное по поверхности, с нанесенным на поверхность прозрачного или тонированного в массе стекла тонкого слоя металлов или их оксидов.

Энергосберегающие стекла

Энергосберегающие свойства стеклу придаются нанесением на его поверхность низкоэмиссионных оптических покрытий, а само стекло с таким покрытием получило название низкоэмиссионного. Эти покрытия обеспечивают прохождение в помещение коротковолнового солнечного излучения, но препятствуют выходу из помещения длинноволнового теплового излучения, например от отопительного прибора
Характеристикой энергосбережения является излучательная способность стекла.

Под излучательной способностью стекла (эмиссией) стекла понимают способность стеклянной поверхности отражать длинноволновое невидимое человеческим глазом тепловое излучение, длина волны которого меньше 16000 Нм. Эмисситент поверхности (Е) определяет излучательную способность стекла (у обычного стекла Е составляет >0.83, а излучательная способность селективных стекол меньше 0,04), и следовательно и способность как бы <отражать> обратно в помещение тепловое излучение.
Причина возникновения излучения кроется в движении свободных электронов атомов, находящихся на поверхности стекла, и плотности движущихся электронов. Далеко не все металлы, хорошо проводящие электрический ток, обладают свойством отражать длинноволновое тепловое излучение.

Следовательно, чем ниже эмисситент, тем меньше потери тепла. При этом стекло с оптическим покрытием имеющим значение эмисситента Е= 0,004 отражает обратно в помещение свыше 90% тепловой энергии уходящей через окно.
В настоящее время для этих целей используется два типа покрытий: так называемое К — стекло (Low-E) — твердое покрытие и i — стекло (Double Low-E) — мягкое покрытие.
Первым шагом в выпуске энергосберегающего стекла явилось производство К — стекла. Для придания флоат-стеклу теплосберегающих свойств непосредственно при его изготовлении, на его поверхность методом химической реакции при высокой температуре (метод пиролиза) создается тонкий слой из окислов металлов InSnO2, который является прозрачным и в то же время обладает электропроводностью. Известно, что электропроводность напрямую связана с излучательной способностью Е поверхности. Величина излучательной способности простого стекла составляет 0,84, а у К-стекла обычно около 0,2.
Следующим значительным шагом в производстве теплосберегающих стекол стал выпуск т. н. i-стекла, которое по своим теплосберегающим свойствам в 1,5 раза превосходит К-стекло. Различие между К- стеклом и i-стеклом заключается в коэффициенте излучательной способности, а также технологии его получения.

I-стекло производится ваккумным напылением и представляет из себя трехслойную (или более) структуру из чередующихся слоев серебра диэлектрика (BiO, AlN, TiO2 и т. п.). Технология нанесения требует использования высоковакуумного оборудования с системой магнетронного распыления.

Основным недостатком i-стекол является их сравнительно пониженная абразивная стойкость по сравнению с К — стеклом. Отсюда и особые требования к И-стеклу. Хранение в герметичной упаковке и ограниченный срок монтажных работ в открытой среде. Вместе с тем в среде инертного газа материал покрытия на И-стекле защищен от окислительного воздействия кислорода.