Технологии изготовления изделий из стекла

Строение стекла

Основной особенностью, отличающей стекло от других материалов, является его структура, а также химические вещества, входящие в его состав.

Все вещества в твердом состоянии имеют либо упорядоченную кристаллическую решетку (металлы), либо неупорядоченную структуру (янтарь, оргстекло, стекло). В последнем случае отдельные упорядоченные группы несимметрично связаны между собой. Такую структуру еще называют сетчатой.

При быстром охлаждении некоторые вещества, например, кремнезем Si0₂, переходят в стеклообразное состояние. Расплавы этих веществ обладают большой вязкостью и так быстро загустевают, что атомы не успевают выстроиться в правильную кристаллическую структуру и располагаются беспорядочно, что характеризует стеклообразное состояние вещества. Однако подобное хаотическое расположение атомов и молекул - главный признак жидкости (или газа). Поэтому стекло еще называют переохлажденной жидкостью. Считается, что любое вещество может образовать стекло, будучи охлажденным настолько быстро, чтобы не оставалось времени для перестройки структуры в кристаллическую (в т.ч. металлы). Однако состояние переохлажденной жидкости неустойчиво: как только атомы стекла получают возможность (например, при нагревании) сдвинуться с занимаемых ими случайных мест, они приходят на свои постоянные позиций, образуя геометрически правильную структуру: стекловидное вещество превращается в кристаллическое.

Свойства кристаллического вещества зависят от конфигурации кристаллов и в различных направлениях неодинаковы. Иначе говоря, кристаллы анизотропны. Стекловидное вещество, напротив, изотропно, т.е. его свойства (если только не касаться его микроструктуры) во всех направлениях одинаковы.

Кристаллы характеризуются строго фиксированной температурой плавления, выше которой кристаллическое вещество в процессе плавления не нагревается, несмотря на непрекращающийся подвод теплоты. Это объясняется тем, что при нагревании кристаллов до плавления правильная кристаллическая структура разрушается. При этом вся подводимая теплота расходуется не на нагрев, а на разрушение структуры.

В отличие от других материалов стеклу не свойственна какая-либо определенная температура плавления,— для стекла того или иного состава может быть установлена лишь температура начала размягчения.

Например, при местном нагреве острым пламенем газовой горелки свинцового стержня с него по достижении температуры плавления упадет капля расплавленного свинца, а в зажимах останутся 2 половинки стержня. Иначе поведет себя стеклянная палочка — она начнет U-образно выгибаться и провисать все длиннее и длиннее вниз.

На этой особенности стекла основаны многие технологии получения художественных изделий при его нагревании.

Компоненты стекла

Большое влияние на свойства стекла оказывает и его химический состав, который определяется составом смеси сырьевых материалов (шихты).

Сырьевые материалыдля производства стеклоизделий делят на две группы: основные и вспомогательные.

Основные материалы содержат вещества, образующие основу стекла и определяющие его свойства, вспомогательные представляют собой вещества, которые вводятся для изменения характеристик стекла и ускорения процесса стекловарения (красители, обесцвечиватели, глушители, окислители и восстановители, ускорители варки или плавни и модификаторы свойств).

К основным веществам относят стеклообразователи. Стекло может содержать один или несколько стеклообразователей. Идентификация стекла осуществляется на основе родового названия таких компонентов. Например, если главным стеклообразователем является Si0₂, то стекло называют силикатным. Если в дополнение к нему в стекле присутствует значительное количество В₂О₃, то стекло называют боросиликатным.

Красители вводят в шихту для окраски стекла: в зеленый цвет – соединения хрома, железа; в синий и голубой цвет – соединения кобальта, меди; в фиолетовый цвет – соединения марганца, никеля, ниодима; в желтый цвет – соединения кадмия, серебра, церия, титана, урана; в красный и розовый цвета – соединения меди, селена, золота, эрбия, элементарные селен и золото.

Обесцвечиватели, наоборот, вводят для нейтрализации нежелательной окраски. Обесцвечивание стекла основано на ослаблении цветового оттенка (химическое обесцвечивание) и нейтрализации цветового оттенка с помощью дополнительных цветов (физическое обесцвечивание).

Глушение стекла создается за счет образования в стекле частиц, рассеивающих свет. Различают слабое (опалесцентное стекло), среднее (опаловые стекла) и интенсивное глушение (молочные стекла). Глушение вызывают кристаллы (фторидные стекла), области расслоения (фосфатные и специальные стекла), нерастворимые частицы, пузырьки газов.

При варке стекла могут протекать окислительно-восстановительные реакции. И характер химической реакции зависит от количества кислорода. При избытке кислорода в зоне реакции наблюдается окислительная среда. Возможны два источника кислорода: 1) наличие в шихте веществ, которые, разлагаясь при варке стекла, выделяют кислород; эти вещества называются окислителями; 2) избыток воздуха (содержащего, как известно, 21% кислорода) сверх количества, необходимого для поддержания горения топлива.

В качестве окислителей применяют натриевую и калиевую селитры: NaN0₃ и KN0₃. В тех же случаях, когда избыток кислорода в среде нежелателен вводят восстановители, поглощающие его (кокс, уголь и др.).

Для снижения температуры варки, а, следовательно, ее ускорения, в шихту вводят плавни (Na₂O, K₂O, PbO). Их добавление снижает стоимость производства стекла, но ухудшает его свойства (в частности снижает химическую стойкость). Отрицательное влияние плавней устраняют путем добавления модификаторов (например, оксид алюминия или глинозем). И хотя модификаторы и несколько повышают температуру плавления, но они улучшают многие свойства стекла. По сравнению с плавнями модификаторы вводят в меньших количествах, поэтому их применение не приводит к существенному повышению температуры стекловарения.

Таким образом, стекло – твердый аморфный прозрачный в той или иной области оптического диапазона (в зависимости от состава) материал, полученный при переохлаждении расплава, содержащего стеклообразующие компоненты и оксиды металлов.

Для изготовления художественных изделий часто используют натриево-кальциево-силикатное стекло. Главным компонентом такого стекла является оксид кремния Si0₂, или кремнезем.

Технологии изготовления изделий из стекла

Все технологии изготовления изделий из стекла делят на три группы в зависимости от температуры окружающей среды, при которой происходит обработка:

1. формование изделий в холодном состоянии (при комнатной температуре);

2. в теплом состоянии (до 900-950⁰С);

3. в горячем состоянии (до 1300⁰С).

Обработка стекла при комнатной температуре может быть химической (химическое травление) или механической (гравировка, пескоструйная обработка). Но более подробно вам расскажут о ней на следующей лекции.

При формовании изделий в теплом и горячем состоянии изделия изготавливают из размягченного стекла или из его расплава. В этом случае формовка проходит в две стадии:

1. формообразование — придание пластичной стекломассе конфигурации формуемого изделия в результате приложения внешних сил,характер действия которых обусловлен видом изделия и способом формования; определяющие факторы: вязкость, поверхностное натяжение, пластичность, упругость и характер температурного изменения этих свойств;

2. фиксация формы — закрепление конфигурации отформованного изделия в результате твердения стекломассы, характер которого обусловлен составом стекла, видом изделия и способом охлаждения; определяющие факторы: скорость твердения стекла, изменение вязкости стекломассы при изменении температуры (влияние состава стекла) и температуры во времени (условия охлаждения).

Основными технологическими параметрами формования являются:

1.Рабочий интервал вязкости стекломассы (10²...10⁸ Па*с) устанавливает пределы изменения вязкости стекломассы при формовании до момента, когда внешний слой изделия затвердевает настолько, что препятствует деформации изделия.

2. Температурный интервал формования выражает пределы изменения температуры стекломассы при прохождении рабочего интервала вязкости; изменяется в зависимости от химического состава стекла.

3. Время прохождения рабочего интервала вязкости — характеризует продолжительность формования; зависит от условий охлаждения и химического состава стекла.

Разнообразные способы горячего формования стекла могут быть сведены к четырем группам механической обработки:

1. обработке давлением (прессование, прокатка);

2. растяжением (вытягивание труб, волокна, листового стекла);

3. выдуванием;

4. свободным течением (центробежное формование, литье скульптур);

5. комбинированные.

К технологиям обработки стекла в теплом состоянии относят:

1. фьюзинг;

2. моллирование;

3. огневое полирование;

4. patte de verre;

5. плавление фритты в форме;

6. прочесывание;

7. обжиговая живопись и т.д.