Стекло. Кто придумал?

В 1961 году, на острове Мурано в Венецианской лагуне, я впервые увидел как делают стекло. Зрелище фантастическое и запомнилось на всю жизнь.

Первое на планете стекло «изготовила» сама природа: миллионы лет назад застывшая вулканическая лава образовала черный непрозрачный обсидиан. Эти стеклянные самородки люди научились использовать в каменном веке – для изготовления режущих приспособлений.

Стекло может быть сформировано естественным путем; например, в вулканах или когда молния попадает на песчаный пляж,   оно также производилось людьми в течение тысяч лет.
 Современное понимание точной структуры стекла не является полным даже после столь длительного времени. Очень часто стекло обозначается как аморфное. Это слово пришло из греческого языка и означает «без формы». Таким образом, у нас есть грубое представление о том, что стекло как-то бесформенно. Строение стекла еще окончательно не установлено. Есть расхождения даже между основной его массой и поверхностным слоем. Это связано с тем, что различные стекла имеют разный состав. Помимо этого на его структуру влияет технологический процесс. 
Стекло имеет какой-то оттенок мистики – вероятно, из-за своего странного химического и физического поведения. Оно достаточно надежно, чтобы защитить нас, но может разбиться на тысячи осколков. Оно сделано из непрозрачного песка, но полностью прозрачно. И, пожалуй, самое поразительное – оно выглядит и ведет себя как твердое тело, но на самом деле это замаскированная форма странной жидкости. В результате его можно наливать, выдувать, прессовать и формовать.

Существует несколько легенд, с той или иной степенью правдоподобия толкующих возможные предпосылки того, как сложилась технология получения стекла. Считается, что стекло было открыто случайно, как побочный продукт других ремесел. В те времена обжиг глиняных изделий происходил в обычных ямах, вырытых в песке, а топливом служила солома или тростник. Образующаяся при сгорании зола - то есть щелочь - при высокотемпературном контакте с песком давала стекловидную массу. Некоторые считают стекло побочным продуктом выплавки меди.
Плиний-Старший (1 век),античный естествоиспытатель и историк  писал, что стеклом мы обязаны финикийским морским купцам, которые, готовя пищу на стоянках, разводили на прибрежном песке костры и сложили очаг из перевозимой ими африканской соды - утром на месте кострища они обнаружили стеклянный слиток.
Изучающие историю происхождения этого материала по археологическим находкам и легендам пришли к единому мнению и относительно места — Египет, Финикия или Месопотамия, Африка или Восточное Средиземноморья - и относительно времени - около 6 тысяч лет назад.

Стекло всегда находили в природе, но первое стекло, созданное человеком, когда мастера, работавшие в Месопотамии, земле между реками Тигр и Евфрат, открыли искусство смешивания песка, соды и извести для производства стекла.
Исходным сырьем для изготовления стекла служили песок, известь и щелочь - органическая (зола растений) либо неорганическая (сода). В качестве красителей использовались металлургические шлаки: соединения меди, кобальта и марганца.

 Первыми предметами из стекла были небольшие шарики правильной формы. Большинство предметов из стекла, изготовленных в этот ранний период, были найдены в Месопотамии и Египте.
 Ученые считают эти находки древнейшими,  около 12 тысяч лет назад. Именно столько лет насчитывает существование голубых и зеленых украшений из числа египетских археологических находок.
 Древние египтяне практиковали изготовление цветных изделий. Для этого брали песок, добавляли известь и щелочные компоненты (золу, соду). Подкрашивали стеклянные изделия с помощью марганца, меди, железа. Так получали голубое, бирюзовое, синее, зеленое стекло.
 Методы, использовавшиеся для придания формы древнему стеклу, заключались в нагревании его в открытых формах (литье).  Другая технология изготовления стекла, называемая формированием сердцевины, заключалась в покрытии глиняной сердцевины стеклом, затем удалении затвердевшего шлама для создания полого сосуда.

В железном веке финикийские торговцы распространяли сосуды для духов в форме сердцевины по всему Средиземноморью. Этруски в Италии изготавливали стеклянные сосуды, греки экспериментировали с бесцветным стеклом
 Начиная с третьего века до нашей эры, в эллинистический период, все более популярным стал новый метод — мозаичное стекло  Стекольщики собирали небольшие отрезанные кусочки или отрезки прутьев (тростинок) в креативные конструкции и узоры и сплавляли их вместе для создания сосудов и инкрустаций.

 Египетские стеклоделы плавили стекло на открытых очагах в глиняных мисках. Спёкшиеся куски бросали раскалёнными в воду, где они растрескивались, и эти обломки, так называемые фритты, растирались в пыль жерновами и снова плавились.
250 лет до нашей эры появился первый стекольный завод, который был построен в Александрии. Из стекла научились выдувать цилиндры, выпрямлять его для получения листов. Эти древние технологии использовались вплоть до конца 20-го века нашей эры, активно применялись для создания художественных изделий из стекла.
Из Египта стеклянные изделия начали проникать в Рим, в период римских завоеваний. Далее материал получил распространение в Европе, Британии.

К концу первого тысячелетия, методы производства стекла существенно изменились, и началось все с Европы. Основные изменения коснулись состава сырья для производства. В связи с тем что постоянно возникали трудности с доставкой такого компонента смеси как сода, его заменили на поташ, получая его выщелачиванием золы буковых или хвойных деревьев. Поэтому стекло, сделанное к северу от Альпийских гор, стало отличаться от изделий, произведенных в средиземноморских странах.

От трубки стеклодува к плите
Выдувание стекла - это техника формования стекла, которую люди использовали для придания формы стеклу с 1 века до н.э. Техника состоит в раздувании расплавленного стекла с помощью выдувной трубки для образования своего рода стеклянного пузыря, который может быть отлит в стеклянную посуду для практических или художественных целей.
Благодаря процессу выдувания стекла стекло на протяжении веков было одним из самых полезных материалов в человеческом обществе. Перед началом процесса выдувания стекло помещают в печь, которая нагревает его до температуры 2000 градусов, делая ковким. Затем стекло собирают, вставляя один конец выдувной трубки в печь и перекатывая ее над расплавленным стеклом до тех пор, пока к нему не прикрепится “комочек” стекла.

Чтобы придать стеклу окончательную форму и размер, в него вдувают с помощью выдувной трубки, создавая что-то вроде стеклянного пузыря. Для выполнения этого процесса выдувная трубка, в которую помещается стакан, должна быть установлена на стальной подставке. Затем художник по стеклу должен дуть в выдувную трубку, одновременно вращая ее.
На протяжении всего этого процесса стекло необходимо постоянно подавать в печь  для повторного нагрева, потому что при выдувании оно очень быстро охлаждается.
Заключительным этапом является извлечение стекла из стеклянной трубки. Для этого используются стальные пинцеты, называемые домкратами, для отделения нижней части выдуваемого стекла при вращении выдувной трубки. Благодаря разделению с помощью домкратов стекло можно извлечь из выдувной трубки одним сильным нажатием.

Следующим этапом является прокатка расплавленного стекла по плоской металлической плите, называемой марвер. Марвер служит средством контроля формы и температуры стекла. Стекло перемещается из марвера в горячую камеру, используемую для повторного нагрева стекла, чтобы оно снова стало податливым.

Для придания стеклу цвета и дизайна его окунают в толченое цветное стекло, которое почти сразу же сплавляется с основным стеклом из-за высокой температуры.
После того, как основная стеклянная заготовка была сплавлена с измельченным цветным стеклом, ее возвращают в marvel, где снова прокатывают.

В XI веке немецкие мастера, а в XIII веке – итальянские, освоили производство листового стекла. Они сперва выдували полый цилиндр, затем обрезали его дно, разрезали его и раскатывали в прямоугольный лист. Качество такого листа было не высоким, но практически полностью повторяло химический состав современных оконных стекол. Ими стеклили окна церквей и замков знатных вельмож. На этот же период приходится и расцвет изготовления витражей, в которых использовались кусочки цветного стекла.

Благодаря изобретению Джорджем Равенкрофтом в 1674 г. нового способа производства хрусталя в XVII веке лидерство в развитии технологии производства стекла постепенно перешло к английским мастерам. Джордж Равенкрофт сумел получить более качественный состав стекломассы, чем итальянские мастера. Он заменил поташ оксидом свинца высокой концентрации и получил стекло с высокими светоотражающими свойствами, которое очень хорошо поддавалось глубокой резке и гравировке.

В 18 веке начался расцвет стекольного искусства. На острове Мурано, расположенном рядом с Венецией, начали активно использовать стекло в быту и художественных целях.
К концу 18 века был найден способ получения зеркальной поверхности, появился метод шлифования. Это открыло совершенно новые возможности для декоративного и прикладного применения стекла.

В конце 19-го века началась эпоха массового промышленного изготовления стекла, что связано с развитием производства соды.
Одним из «отцов» современного стекольного производства можно назвать немецкого ученого Отто Шотта (1851 – 1935), который активно использовал научные методы для изучения влияния различных химических элементов на оптические и термальные свойства стекла. В области изучения оптических свойств стекла Шотт объединился с Эрнстом Эбби (1840 – 1905), профессором в Университете Йены и совладельцем фирмы Карла Цейса. Другой значительной фигурой, внесшей вклад в массовое производство стекла был Фридрих Симменс. Он изобрел новую печь, которая позволяла непрерывно производить намного большее количество стекломассы.

В конце XIX века, американский инженер Майкл Оуэнс (1859 –1923) изобрел автоматическую машину для производства бутылки. К 1920 году в Соединенных Штатах уже работало примерно 200 машин Оуэнса. Вскоре и в Европе подобные машины получили широкое распространение. В 1905 году, бельгиец Фурко совершил еще один переворот в стекольной индустрии. Он изобрел метод вертикального вытягивания из печи стеклянного полотна постоянной ширины. В 1914 году, его метод усовершенствовал другой бельгиец – Эмиль Бишеруа, который предложил вытягивать стеклянное полотно между двух роликов, что значительно упрощало процесс дальнейшей обработки стекла.

В Америке подобный процесс вытягивания стеклянного полотна был разработан несколько позже. Затем технология была усовершенствована при поддержке американской фирмы "Либбей - Оуэнс" и начала использоваться для коммерческого производства в 1917 году.
Флоат - метод был разработан в 1959 году фирмой "Пилкингтон". При этом процессе стекло поступает из печи плавления в горизонтальной плоскости в виде плоской ленты, через ванну с расплавленным оловом на дальнейшее охлаждение и отжиг.

Преимуществами этого метода по сравнению со всеми предыдущими являются: стабильная толщина стекла, высокое качество поверхности стекла, не требующее дальнейшей полировки, отсутствие оптических дефектов в стекле, высокая производительность процесса. Наибольший размер получаемого стекла, как правило, составляет 6 м. на 3.21 м., а толщина листа может быть от 2 мм до 25



Промышленное изготовление стекла
Технология
Сначала подготавливают стекломассу для варки. Специальными дробилками вещества измельчаются. Каждый компонент просеивается, сушится, взвешивается высокоточными электронными весами, чтобы правильно подобрать пропорции ингредиентов. Все материалы попадают в шихтосмеситель, где равномерно распределяются.

Получить высокую температуру (1500-1600 ;С) для плавления шихты можно только в специальных производственных печах. Постепенно образуется вязкая, насыщенная пузырьками масса. В процессе плавления она становится однородной: масса тщательно перемешивается и из нее удаляются остатки газов. Добавляются осветлители, которые перемешиваются огнеупорными мешалками. Одновременно запускается процесс гомогенизации.

Далее нужно постепенно охладить получившуюся массу до вязкого состояния, чтобы можно было придать ей форму – массу направляют в ванну с расплавленным оловом и газовоздушной атмосферой. Там температура примерно 1000 ;С и должна опуститься до 600 ;С.
Для придания формы может использоваться одна из технологий:
Вытягивание.
Прокат.
Прессование.
Литье.
Выдувание.
Расплавленная масса попадает в специальную пресс-форму из смеси гипса и огнеупорных материалов не в жидком состоянии, а в виде мягкой тягучей наборки железком или ковшом, предварительно охлажденной до надлежащей густоты. Чтобы масса приняла форму на нее надавливает рычажный пресс. При изготовлении изделий сложных форм для разделения массы используются специальные инструменты. В промышленном производстве применяются стеклоформующие машины.

Как только получили необходимую форму, температуру опять поэтапно снижают конвейером до 250 ;С. Ни в коем случае это нельзя сделать резко, поскольку от резкого перепада температуры часто нарушается целость стекла. Поэтому температуру сначала резко снижают до начала затвердевания изделия, а после медленно до температуры окружающей среды и снова быстро понижают температуру.

Сохраняется высокая светопропускная способность – 89-90%, оптические свойства, а поверхность получается идеально гладкой. После резки стекла оно проверяется на качество лазером или ультрафиолетовой лампой.

Производство занимает не так много времени, как обработка стекла. На сторону полотна, которая взаимодействовала с оловом можно нанести эмаль, определенные рисунки и пр. Новейшее оборудование позволяет изготавливать декоративную продукцию: стеклянные сувениры, зеркала любой формы, элементы для мебели и другие предметы интерьера.

Для получения закаленного стекла, которое прочнее обычного стекла в 5-6 раз, листовое стекло разогревают выше температуры размягчения и сразу же охлаждают струями холодного воздуха. Прочность обеспечивают остаточные напряжения сжатия, которые появляются из-за послойного охлаждения стекла.

Существует и другая технология – технология фурко. Она подразумевает, что горячая масса будет проходить через специальные валики вертикально, а далее ее оставляют охлаждаться в камере и распределяться на куски. При таком методе толщина стекла напрямую зависит от скорости вытягивания.

Новые технологии позволяют придавать любые формы стеклу, которую оно сохранит навечно. Сложнее всего изготавливать гнутые стекла. Процесс также происходит под воздействием высокой температуры, когда масса размягчается, а сам может длиться 2-10 часов в зависимости от нужного радиуса изгиба и толщины обрабатываемого стекла.

Удивительные свойства стекла
Современные технологии позволяют изготавливать стекла с улучшенными характеристиками. Сегодня они не только обладают высокой прозрачностью, долговечностью и прочностью, еще способны обеспечить защиту от проникновений (армированное стекло и многослойное), обладают шумоизоляционными свойствами.

Можно изготовить даже энергосберегающие стекла с высокой теплоизоляцией или солнцезащитные (с пиролитическим зеркальным покрытием, магнетронным покрытием, стемалит, лакированное, химически травленое, с пескоструйной обработкой, тонированное), которые изготавливаются методом нанесения на поверхность стекла специального тонкого прозрачного покрытия для сокращения тепловых потерь на 70%. Используется при изготовлении экранов, стеклопакетов, козырьков, очков и пр.

Узорчатое стекло подходит для декорирования оконных блоков, изготовления аквариумов, витражей и других предметов. В основе технологии такого стекла лежит нанесение на поверхность листового стекла декоративных рисунков и узоров.

Стекло считается хрупким и чувствительным к механическим повреждениям, хотя сопротивление сжатия у него наравне с чугуном. Сделать стекло более прочным можно при помощи закалки, ионного обмена, химической и термической обработки. При таких методах обработки все микротрещины устраняются, что дает возможность активно использовать стекло в строительстве и автомобилестроение, при изготовлении стеклянной мебели, витрин, зеркал, техники и пр.