Стекло. Получение и использование. Температура плавления стекла

Являясь одним из самых древних материалов, стекло используется человечеством на протяжении не одной тысячи лет. Универсальность этого вещества позволила ему найти применение в самых различных отраслях. По физико-химическим свойствам стекло относится к неорганическим соединениям, оно твёрдое, имеет аморфную структуру, изотропно.

Для каждого вида стекла характерно в процессе изготовления преобразование агрегатного состояния от жидкотекучего, чрезвычайно вязкого до стеклообразного вида. Технология производства предусматривает его остывание со скоростью, которая не позволяет перейти в фазу кристаллизации расплава.

Температура плавления стекла зависит от его качества и предполагаемых характеристик. Как правило, варка происходит в довольно широком диапазоне температур от 300 до 2500 °C. Зависят свойства этого вещества от компонентов, входящих в состав стеклообразующих расплавов. Их перечень довольно обширный и представлен различными оксидами, фосфатами, фторидами и прочими добавками. При этом классическая прозрачность является далеко не последней характеристикой для различных видов стёкол, встречающихся как в природе, так и синтезируемых в ходе производства.

С самыми древними стеклянными поделками, датированными семью веками до нашей эры, познакомились археологи, занимающиеся раскопками в Египте. Это были бусы и амулеты. Но прошло несколько тысячелетий, пока не появились первые промышленные предприятия, стекольные заводы восемнадцатого века. Особенностью стеклопроизводства в шихтах стало то, что температура плавления стекла достигалась использованием угля, а котлы для варки стали закрытыми.

До этого в качестве топлива использовались дрова, стекловаренные мастерские долго не находились на месте, печи рассыпались, а топливо в округе быстро расходовалось. Котлы были открытыми, дрова не выделяли веществ, влияющих на прозрачность и цвет выходного продукта. Температура плавления стекла в технологическом процессе такого типа достигала 1450 °C.

Важным событием стало изобретение в начале XX века метода производства листового стекла, названного по имени его разработчика Эмиля Фурко, предложившего машинный способ вытяжки. Просуществовав вплоть до 1959 года, он был вытеснен Флоат-методом, разработанным фирмой «Пилкингтон».

Основными составляющими обычного стекла является кварцевый песок в пропорции 69-74 %, сода (12-16 %), доломит и известняк (5-12 %). Но в технологическом процессе производства имеет важное значение не только при какой температуре плавится стекло, но и какая скорость охлаждения расплава. Теоретически при быстром охлаждении можно получить стекловидное тело и из металла, главное успеть охладить расплав до образования кристаллической решётки.

При всём многообразии привлекательных свойств обычного стекла в своё время возникла острая необходимость в более прочном и лёгком прозрачном материале. Прежде всего, это коснулась отрасли, специализирующейся на самолётостроении. Оргстекло получило своё название лишь по внешним сходствам с традиционным стеклом.

Ударопрочность его в пять раз выше, оно легче в 2,5 раза. По светопропусканию оно достигает уровня 92%, имеет высокую стойкость к старению. Намного проще и доступней оргстекло в обработке. Температура плавления оргстекла находится в пределах 90-105 градусов, что позволяет его подвергать термической обработке.

Но оба эти материала заняли каждый свою нишу в современном производстве. Традиционное неорганическое стекло прочно удерживает свои позиции и не собирается их сдавать новейшим органическим полимерам.

Использование широкого спектра различных примесей и добавок позволяет получить не только удивительные оптические характеристики стекла, но и значительно улучшить его механические свойства.

Кроме промышленного использования, нельзя не отметить роль художественного стекла. Мастера–стеклодувы, продолжая традиции древних художников, превратили создание шедевров из стекла в истинное искусство. В печах их мастерских достигается температура плавления стекла, работая практически вручную, в своём творчестве они не только проявляют незаурядную фантазию, но и затрачивают массу физических усилий.

Статьи

Стекло – один из наиболее распространённых художественных материалов, отличающийся удивительным богатством технических и декоративных возможностей. Его история насчитывает около пяти тысяч лет. Плиний Старший связывал происхождение стекла с древней Финикией. По легенде, «финикийские купцы везли по Средиземному морю груз добытой в Африке природной соды. На ночлег они высадились на песчаном берегу и стали готовить себе пищу. За неимением под рукой камней, они обложили костер большими кусками соды. Поутру, разгребая золу, купцы обнаружили чудесный слиток, который был твёрд как камень, горел огнём на солнце и был чист и прозрачен, как вода. Это было стекло»*.

Стекло является искусственным аморфным материалом, получаемым при температуре 1500-1700С путем варки специальной смеси, называемой «шихтой», состоящей из 75% песка (кремнозёма), 10% известняка или мела (оксида кальция) и 15% соды (карбонат натрия). Именно кремнозём является основным компонентом шихты. Его температура плавления 2000○С, что значительно выше той, которую можно получить в традиционных печах для варки стекла. Поэтому, температуру плавления кремнезёма понижают при помощи добавления соды (карбоната натрия). Третий обязательный элемент – кальций в виде известняка или мела – служит стабилизатором, придавая стеклу прочность и делая его более устойчивым к влиянию окружающей среды и химических воздействий. Стекло же, полученное только из песка и соды, разрушается под действием атмосферной влаги и может раствориться в воде.

На практике в состав стекла входят пять-шесть и более компонентов. Кроме того, добавление или замена в рецептуре стекла одного компонента на другой отражается не только на свойствах материала, но и на способе его обработки. Так, производимое в Венеции содово-известковое (кальциево-натриевое) стекло, расцвет которого приходится на XV-XVI века, отличается мягкостью и легко поддается обработке. Его украшали филигранным узором, налепами и росписью полихромными эмалями. Твердостью, высокой степенью прозрачности и хорошими оптическими свойствами отличается калиево-кальциевое стекло (т.н. «богемский хрусталь»), появившееся в 1670-1680-х гг. в Богемии, что позволило при декорировании применять гравировку, резьбу и шлифование. Такое стекло называют «поташным» или лесным, так как роль соды играет поташ (карбонат калия) – пепел древесных пород. В конце XVII в. было изобретено свинцово-калиевое стекло, получившее название «хрусталь». Это сорт прозрачного бесцветного стекла отличается высоким показателем светопреломления, полученным за счет большого содержания в шихте оксида свинца (от 24 до 30 %), частично или полностью заменившим известь. Сильный блеск и высокий коэффициент светопреломления данного вида стекла подчёркивается гранением.

Стекло может быть бесцветным и цветным, прозрачным и глушеным (непрозрачным). Для получения глушеного стекла в шихту вводят различные вещества в виде фосфора, олова, мышьяка, сурьмы, костяной муки и прочее. Для получения цветного добавляют различные окислы металлов (медь для голубых оттенков, хром – зелёных, марганец – фиолетовых, кобальта — синих и т.д.).

Для создания (формования) стеклянных изделий применялись различные технологии, некоторые из них используются до сих пор. Так, для изготовления полых сосудов в Месопотамии, а затем в Египте применяли технику сердечника, расцвет которой приходится на IV-II века до н.э. На металлический стержень надевали глиняную болванку-сердечник, которому придавали форму будущего сосуда. Далее на металлический прут набирали порцию горячего стекла и, поднося его к медленно вращающемуся сердечнику, вытягивавшиеся стеклянные жгуты «наматывали» круг за кругом, вплотную, по спирали. Соединяясь, они создавали тулово сосуда. Неровная поверхность стенок сформованного таким образом предмета разглаживалась путем повторного нагревания и обкатки на плоской поверхности из камня, мрамора или железа. Дополнительно разогревая сосуд, формовали венчик, прикрепляли ножку и ручки.

В IX веке до н.э. возникла техника литья – формования изделий путем заливания горячего стекла в форму (глиняную или металлическую, одноразовую или разъёмную многоразовую). В античном стеклоделии до I века подобным способом отливали чаши с толстыми стенками – двуручные кубки, скифосы и канфары. После остывания поверхности предметов подвергали полировке, детали дорабатывали резьбой.

В Египте, Сирии и Риме со II века до н.э. по I в. н.э. мастера-стеклоделы создавали чаши, имитирующие изделия из цветного камня. Для этого они сочетали литьё с мозаичной техникой. Из стволиков стекла разного цвета собирали пучок, который в сечении давал задуманный узор. Стволики сваривали, превращая в монолитную заготовку. Ее разогревали и растягивали. Полученный длинный стержень рассекали на пластинки с желаемым узором, которые укладывали в форму. Промежутки заполняли толчёным стеклом. При нагревании в печи пластинки сплавлялись с фоном, создавая причудливые узоры.

Создание изделий путем заполнения формы дробленым легкоплавким стеклом, которое при медленном разогреве расплавляется и заполняет все пустоты, получил название «моллирование». Данным способом, как правило, изготовляется стеклянная скульптура или изделия с рельефами.

Со времен Римской империи известна стеклодувная (ламповая) техника, позволяющая изготавливать небольшие предметы из легкоплавких стеклянных заготовок-дротов (т. е. палочек или трубочек) путем их разогрева на горелке масляной (позднее газовой) лампы. Последующая формовка производилась вручную, при помощи различных пинцетов и щипцов.

Древнейшей технологией в стеклоделии было прессование — способ формования изделий из расплавленного стекла путем выдавливания стекломассы в формы. Ручное прессование стекла тестообразной консистенции в форму было известно еще в XVI в. до н.э. в Древнем Египте, где подобным образом выделывались небольшие по размеру предметы: бусы, амулеты, мозаичные плитки. В XVI-XVIII вв. в Европе ручное прессование использовалось для изготовления мелких предметов, например, подвесок для люстр. Механизированный метод прессования был разработан в США между 1820-1825 гг. Во второй половине XIX столетия прессование стекла принимает во всех странах промышленные масштабы; «форменные и штампованные» изделия широко выпускаются на многих заводах США, Европы и России.

Формование изделий из расплавленного стекла вручную, с помощью специальной трубки-понтии, называется выдуванием. Понтия была изобретена около 64 г. до н.э. и позволяла мастеру-выдувальщику создавать предмет непосредственно у печи, в так называемом «горячем виде». С помощью трубки из горшка выбирают комок расплавленного стекла, называемый «пулькой», из которого затем выдувают изделия. Выдувание стекла – древний традиционный способ ручного формования изделий, сохраняющийся до наших дней. Стеклянные изделия, полностью изготовленные (выдутые и декорированные) из стекольного расплава непосредственно у стекловаренной печи, имеют наименование «гутное стекло». Для придания же изделиям нужной конфигурации стеклянный пузырь помещают в форму.

Природные свойства стекла и его уникальность отмечалась во все времена. Так, М.В. Ломоносовым в 1752 г. было написано «Письмо о пользе стекла», адресованное Ивану Ивановичу Шувалову:

                     Неправо о вещах те думают, Шувалов,

                     Которые Стекло чтут ниже Минералов,

                     Приманчивым лучем блистающих в глаза:

                     Не меньше польза в нем, не меньше в нем краса

                     Нередко я для той с Парнасских гор спускаюсь;

                     И ныне от нее на верьх их возвращаюсь,

                     Пою перед тобой в восторге похвалу

                     Не камням дорогим, ни злату, но Стеклу**.

*Цит. по: Качалов Н.Н. Стекло. М., 1959. С.11.
**Цит. по: Ломоносов М.В. Письмо о пользе Стекла // М.В. Ломоносов. Избранные произведения. Л.,1986. С. 236.

Источники:
1. Искусство стеклоделия // Антиквариат, предметы искусства и коллекционирования. № 1-2 (123), январь-февраль 2015. С. 74-93.
2. Качалов Н.Н. Стекло. М., 1959.
3. Ломоносов М.В. Письмо о пользе Стекла // М.В. Ломоносов. Избранные произведения. Л.,1986. С. 236.
4. Поляшова О.М. Русское стекло XVIII – начала XX вв. из собрания Всероссийского музея декоративно-прикладного и народного искусства. М., 2014.
5. Техники производства стекла // Государственный Эрмитаж. Образовательная музейная программа [Электронный ресурм]. URL: http://edu.hermitage.ru/ 

Эксперимент по плавлению стекла удивил ученых, нарушив закон электричества : ScienceAlert

Группа ученых, работающих с электрическими токами и силикатным стеклом, была ошеломлена тем, что стекло, казалось, не подчиняется основному физическому закону.

Если вы пропускаете электрический ток через материал, способ, которым ток генерирует тепло, может быть описан первым законом Джоуля. Снова и снова наблюдалось, что температура всегда равномерно распределяется, когда материал однороден (или однороден).

Но не в этом недавнем эксперименте. Срез – и только срез – силикатного стекла стал настолько горячим, что расплавился и даже испарился. Более того, это произошло при гораздо более низкой температуре, чем точка кипения материала.

Температура кипения чистого силикатного стекла составляет 2230 градусов Цельсия (4046 градусов по Фаренгейту). Самая высокая температура, зафиксированная исследователями в однородном куске силикатного стекла во время эксперимента, составила 1868,7  градусов по Цельсию.

Скажи, чтоооо.

«Вычисления не соответствовали объяснению того, что мы видели как обычный джоулев нагрев», — сказал инженер и материаловед Химаншу Джейн из Университета Лихай.

«Даже при очень умеренных условиях мы наблюдали испарения стекла, требующие температуры на тысячи градусов выше, чем можно предсказать по закону Джоуля!»

Джейн и его коллеги из компании по материаловедению Corning Incorporated исследовали явление, описанное ими в предыдущей статье. В 2015 году они сообщили, что электрическое поле может снизить температуру размягчения стекла на несколько сотен градусов. Они назвали это «смягчением, вызванным электрическим полем».

Это было, конечно, необычное явление, поэтому они поставили еще один эксперимент. Они помещали кусочки стекла в печь и прикладывали от 100 до 200 вольт как в виде переменного, так и постоянного тока.

Затем тонкая струйка пара исходила из места, где анод, проводящий ток, касался стекла.

«В наших экспериментах стекло стало более чем на тысячу градусов Цельсия горячее около положительной стороны, чем в остальной части стекла, что было очень удивительно, учитывая, что изначально стекло было полностью однородным», — сказал Джайн.

(McLaren et al., Scientific Reports, 2019)

Кажется, что это противоречит первому закону Джоуля, поэтому команда провела более тщательное исследование и обнаружила, что стекло не остается таким однородным, каким оно было вначале. Электрическое поле изменило химический состав и структуру стекла в наномасштабе всего лишь на небольшом участке вблизи анода.

Эта область нагревается быстрее, чем остальная часть стекла, до такой степени, что становится тепловым убеганием, где повышение температуры еще больше увеличивает температуру в замкнутом контуре обратной связи.

Как оказалось, это пятно структурного изменения и сильный нагрев привели к тому, что небольшая часть стекла достигла точки плавления, в то время как остальная часть материала осталась твердой.

«В отличие от металлов и полупроводников с электронной проводимостью, со временем нагрев ионно-проводящего стекла становится крайне неоднородным с образованием наноразмерной области обеднения щелочью, так что стекло плавится вблизи анода, даже испаряется, оставаясь твердым в других местах», исследователи написали в своей статье.

Другими словами, материал больше не был однородным, а это означает, что эксперимент по нагреву стекла точно не меняет того, как мы применяем первый закон Джоуля.

Но это захватывающий результат, так как до сих пор мы не знали, что материал может потерять свою однородность при приложении электрического тока. (Дело в том, что никто раньше не пробовал электрически нагревать стекло до таких экстремальных температур.)

Итак, с физическими законами Вселенной все еще в порядке, раз кусок стекла их не нарушил. Но первый закон Джоуля может нуждаться в небольшой корректировке, чтобы учесть этот эффект.

И, конечно же, это еще одно понимание, которое может помочь нам и в других отношениях.

«Помимо демонстрации необходимости квалифицировать закон Джоуля, — сказал Джайн, — результаты имеют решающее значение для разработки новых технологий изготовления и производства стеклянных и керамических материалов».

Исследование опубликовано в Scientific Reports .

домашний эксперимент — Стекло с низкой температурой плавления?

спросил
8 лет, 5 месяцев назад

Изменено
3 года, 9 месяцев назад

Просмотрено
6к раз

$\begingroup$

Какое стекло можно купить, которое плавится в пламени горелки Бунзена?

Можно ли как-нибудь обработать стекло, чтобы понизить температуру плавления? Я попытался добавить немного гидроксида натрия, но стекло разбилось при нагревании.

• домашний эксперимент
• материалы
• стекло

$\endgroup$

5

$\begingroup$

Существует несколько вариантов легкоплавких стекол, которые легко плавятся при температурах воздушно-газовой горелки (например, горелки Бунзена). Я подозреваю, что известково-натриевые или свинцовые стекла будут предпочтительными для вашего применения (изготовление капель принца Руперта).

Известково-натриевое стекло должно быть подходящим выбором. Однако в некоторых случаях он может растрескиваться при неправильном отжиге.

Стекла на основе свинца имеют самую низкую температуру плавления среди всех стекол и, вероятно, самую низкую температуру плавления, применимую к вашему применению. Отжиг прост и может быть выполнен с помощью самой горелки. Свинцовые стекла также имеют большой «мягкий» температурный диапазон (диапазон температур ниже точки плавления, при которых они еще в некоторой степени пластичны).