Древний способ изготовления стекла

Как делают стекло

Первооткрыватели

Имён и лиц тех достойных людей, кто подарил миру стекло, история, как водится, сохранить не потрудилась. Собственно, ничего удивительного в этом нет: как утверждает римский историк Плиний Старший, первооткрывателями были финикийские моряки. Причём открытие, как и большинство ему подобных, было сделано случайно.

Если отвлечься от высокого слога и древней латыни, которой написана «Естественная история» Плиния, рассказ получается следующим. Однажды финикийский торговый корабль, застигнутый сильной бурей, вынужден был бросить якорь в небольшой бухте. Усталые и озябшие моряки вышли на берег. Они стали искать, где бы развести костер, чтобы сварить себе похлебку и согреться. Берег был песчаный, и нигде не видно было камней, на которые можно было бы поставить котел. Тогда одному из моряков пришло в голову вытащить из трюма корабля глыбы соды, которую везли на продажу, и на эти глыбы поставить котел.

Так вот, на эти-то содовые глыбы и поставили финикийские моряки котел с водой. Костер получился на редкость удачный. Моряки сытно поели и легли спать. Утром, собираясь в путь, один из них разбросал тлеющие остатки костра. Вдруг он заметил в золе какие-то блестящие кусочки. Они не были похожи ни на дерево, ни на металл, ни на глину, ни на камень. Таких странных светлых кусочков не видел до тех пор ни один финикиянин. Это новое загадочное вещество — по утверждению Плиния — и было стеклом: сплавом берегового песка с содой.

Этот рассказ, скорее всего, вспомнят все, кто в школе читал учебник истории. Отчего-то эта версия любима многими и по сей день. Но вот насколько она правдоподобна? Увы, современные стекловары вполне убедительно доказали: древний историк ошибся. Или что-то пересказал неверно. Но факт остаётся фактом: сварить стекло из соды и песка в пламени костра нельзя.

Более реальным кажется предположение о том, что по случайности смесь песка и соды попала на глиняный горшок перед обжигом. А гончар, вынувший готовое изделие из печи заметил тонкую блестящую плёночку, покрывшую бока сосуда.

В общем, по поводу того, кому повезло с открытием стекла остаётся только гадать и верить либо истории про финикийских моряков, которые вообще были замечательными ребятами, либо поддерживать версию о везучем и внимательном гончаре. Изучающие историю происхождения этого материала когда-нибудь придут к единому мнению и относительно места — Египет, Финикия или Месопотамия, Африка или Восточное Средиземноморье и т.д., — и относительно времени — «около 6 тысяч лет назад», но характерную «синхронность открытий» можно наблюдать, причём не имеет большого значения разница даже в сотни лет, в особенности, когда в реконструируемом способе варки стекла прослеживаются существенные различия.

Технология изготовления стекла

Как вы думаете, кто впереди планеты всей в области древнего стекловарения? Правильно — древние египтяне. Примерно до 4 тыс. до н.э. древние египтяне варили так называемый «египетский фаянс» из стеатита, мягкой кварцевой муки или цельного природного кварца.

Существует мнение, что наиболее ранние образцы изготовлены из стеатита. Минерал этот по составу представляет собой силикат магния, он присутствует в природе в больших количествах. Изделия, вырезанные из куска стеатита, для получения глазури покрывались порошкообразной смесью из сырых материалов, входящих в её состав, и обжигались. Глазурь эта, по химическому составу представляющая собой силикат натрия с небольшой примесью кальция — не что иное как легкоплавкое стекло, окрашенное в голубые и зеленовато-голубые тона медью, иногда с изрядной примесью железа.

Египетские стекловары плавили стекло на открытых очагах в глиняных мисках. Спёкшиеся куски бросали раскалёнными в воду, где они растрескивались. Получившиеся обломки, так называемые фритты, растирали в пыль жерновами и снова плавили.

Фриттование использовалось в качестве основной технологии изготовления стекла даже по окончании Средневековья, поэтому на старых гравюрах и при археологических раскопках мы всегда находим две печи — одну для предварительной плавки и другую для плавки фритт.

Необходимая температура проплавления составляет 1450 °C, а рабочая температура — 1100—1200 °C. Средневековая плавильная печь («гуть» — по чешски) представляла собой низкий, топящийся дровами свод, где в глиняных горшках плавилось стекло. Выложенная только из камней и глинозёма, долго она не выдерживала, но надолго не хватало и запаса дров. Поэтому, когда лес вокруг гуты вырубали, её переводили на новое место, где леса было ещё в достатке.

Ещё одной печью, обычно соединяемой с плавильной, была отжигательная печь — для закалки, где готовое изделие нагревалось почти до точки размягчения стекла, а затем — быстро охлаждалось, чтобы тем самым компенсировать напряжения в стекле (предотвратить кристаллизацию).

В виде такой конструкции стеклоплавильная печь продержалась до конца XVII века, однако нехватка дров вынуждала некоторые гуты, особенно в Англии, уже в XVII веке переходить на уголь. Со сменой топлива возникли очередные неудобства: улетучивающаяся из угля двуокись серы окрашивала стекло в жёлтый цвет. Чтобы избежать этого, англичане начали плавить стекло в так называемых крытых горшках.

Интересны сведения о том, что стекло, в общем смысле, за время своего существования не претерпело практически никаких изменений (самые ранние образцы того, что стали называть стеклом, ничем не отличаются от известного всем — бутылочного), однако в данном случае речь идёт о веществе и материале минерального происхождения, нашедшем применение в современной практике.

Состав стекла

Чистый кремнезем (SiO2) имеет точку плавления примерно 2000 градусов, и в основном используется для получения стекла для специальных приборов. Обычно в состав смеси добавляют еще два вещества, чтобы упростить процесс производства. Во первых – это углекислый натрий (Na2CO3), или углекислый калий, который понижает точку плавления смеси до 1000 градусов. Однако, эти компоненты способствуют растворению стекла в воде, что является крайне нежелательным. Поэтому в состав смеси добавляют еще один компонент – известь (окись кальция, CaO), чтобы придать составу нерастворимость. Такое стекло содержит примерно 70%-ый кремнезем и называется известково-натриевым стеклом. Доля такого стекла в общем объеме производства составляет примерно 90%.

Так же как известь и углекислый натрий, к обычному стеклу добавляют и другие компоненты, чтобы изменить его физические свойства. Добавление в стекло свинца – увеличивает показатель преломления света, заметно увеличивает блеск, а добавка в состав смеси бора – изменяет тепловые и электрические свойства стекла. Оксид тория придавал стеклу высокий показатель преломления и низкую дисперсию, что необходимо в производстве высококачественных линз, но из-за его радиоактивности был заменен на оксид лантана в современной продукции. Добавки железа в стекло, используются для поглощения инфракрасного излучения (тепла).

Металлы и их оксиды добавляют в состав стекла, чтобы изменить его цвет. Например, марганец добавляют в малых количествах, чтобы придать стеклу зеленый оттенок, или при более высоких концентрациях – цвет аметиста. Так же как и марганец, селен используют в малых дозах, чтобы обесцветить стекло, или в больших концентрациях – чтобы придать красноватый цвет. Малые концентрации кобальта придают стеклу синеватый оттенок. Оксид меди придает бирюзовый свет. Никель, в зависимости от концентрации.

Помимо стекла обычного существует несколько разновидностей, представляющих собою историческую, культурную и художественную ценность. Например, чешское и муранское стекло. Но о них — в следующих материалах. Следите за новостями.

Источник

Из глубины веков: как развивалось производство стекла

Мы уже писали о том, как возникло стекло и как древние мастера применяли его в архитектуре. А сегодня поговорим о технологическом производстве стекла с древности и до наших дней.

История стекла уходит своими корнями в незапамятные времена.

Самые ранние предметы из стекла находят среди остатков материальной культуры древнейших цивилизаций Древнего Египта и Передней Азии. Стекловидные полупрозрачные или непрозрачные, различно окрашенные шлаки, получавшиеся при оплавлении песка в контакте с щелочной древесной золой, которые древние мастера находили в печах после плавки металла или обжига керамики, вероятно, и явились тем материалом, из которого развилась глазурь, а затем и стекло.

Изготовление глазури было распространено в IV тысячелетии до нашей эры в Месопотамии, Египте, на территории современной Сирии. Уже с конца V тысячелетия до н.э. египетские мастера, покрывая каменные бусы глазурью, окрашенной медными окислами, имитировали бирюзу, которая высоко ценилась в ту пору.

Технология нанесения глазури заключалась в том, что каменную или фаянсовую заготовку покрывали мелкотолченым кварцем, смешанным с некоторым количеством окрашивающих и вяжущих веществ, а затем подвергали обжигу в закрытой камере. Порошкообразный кварц, оплавляясь, образовывал слой глазури.

Техническое открытие глазури было первым шагом на пути, который в дальнейшем привел к производству стекла. Полагают, что стеклянные бусы появились уже в IV тысячелетии до н. э., отдельные находки подтверждают это.

Но самая ранняя мастерская по производству стекла, обнаруженная археологами, относилась к более позднему времени, ко II тысячелетию до н. э., и располагалась в окрестностях древнего города Тель-эль-Амарна в Египте.

Известный египтолог У. М. Флиндерс Питри реконструировал процесс изготовления стекла, относящийся ко временам Аменхотепа IV. По мнению ученого, египтяне около 1400 г. до н. э могли изготавливать прозрачное, но не вполне бесцветное стекло. Оно содержало чистый кремний в виде толченого кварцевого песка или гальки и щелочи древесной золы. Варили такое стекло в глиняных лоточках или горшках емкостью около 0,25 л.

Первые стеклянные изделия получали, вероятно, двумя способами.

Первый состоял в том, что из расплава стекла, а он в те времена был достаточно вязким из-за низких температур варки, вытягивали нить и навивали ее на каменную заготовку или сердечник. Сердечник, изготовленный из песка, смешанного с каким-нибудь органическим вяжущим, после остывания изделия выдалбливался, в результате получался стеклянный сосуд. При втором способе заготовку или сердечник многократно погружали в расплавленное стекло, что по сути было процессом нанесения глазури.

Свидетельства о том, что на территории Месопотамии во II-I тысячелетиях до н. э. было высоко развито стеклоделие, содержатся в древнейших письменных источниках, глиняных клинописных табличках, времен XVIII-VIII вв. до н. э. В них приводятся рецепты цветных, прозрачных и позолоченных стекол, излагаются правила подбора топлива, описываются приемы работы с плавильной печью и др.

Красота стекла, особенно цветного, определила его использование на этой стадии для изготовления украшений, небольших флаконов и сосудов, для инкрустации посуды и других предметов.

Уже во II тысячелетии до н. э. изготовляли стекла широкой цветовой гаммы: голубое, синее, аметистовое, пурпурное, рубиново-красное, зеленое, желтое, коричневое, черное и др.

Древние мастера получали цветные стекла, добавляя в шихту различные металлы: медь, кобальт, марганец, сурьму, железо и т. д. Для глушения стекла, превращения его в непрозрачное применяли сурьму, олово, мышьяк, фосфор или медь.

К 1200 г. до н. э. египтяне начали изготовлять литое, а затем и прессованное стекло. Далее в развитии стеклоделия не наблюдалось заметного прогресса вплоть до рубежа нашей эры. Кроме глазурованной плитки, инкрустации стеклом каменных и керамических изделий, бус и небольших сосудов, казалось, не было попыток применить стекло в других изделиях. Стекло еще не родилось как строительный материал.

Настоящая революция в технологии стеклоделия произошла только с изобретением процесса выдувания.

Некоторые источники относят это событие к I в. до н. э., другие – к более раннему периоду III в. до н. э. Среди первых изобретателей называют древних вавилонян, древних греков и римлян.

Другое значительное достижение в стеклоделии – совершенствование конструкции печей, что повысило температуру плавки и надежность осветления стекла. В этот период на стекло обратили внимание зодчие; рождение нового строительного материала состоялось.

Считают, что римляне первыми начали применять стекло для остекления окон. Наиболее древнее римское оконное стекло относится к I и II в. н. э. Это голубоватые, зеленоватые или даже коричневые пластины стекла толщиной 3-6 мм с оплавленными краями. В III и IV вв. качество стекла улучшилось. Дошедшие до нас образцы свидетельствуют о том, что это были почти бесцветные или зеленоватые стекла.

Известно, что в средние века и эпоху Возрождения оконные стекла изготавливали тремя способами, суть которых не менялась со времен античности, а технология оттачивалась только за счет новых инструментов.

Первый способ получения плоского (оконного) стекла состоял в том, что расплав стекла раскатывался подобно лепешке на каменной плите. Полученные пластины стекла имели небольшие размеры, их поверхность не отличалась высоким качеством, а толщина была значительна.

Второй способ, «цилиндрический», заключался в том, что из шарообразной стеклянной заготовки на конце трубки выдували длинный цилиндр. После охлаждения дно и верхнюю часть откалывали, а цилиндр разрезали по длине и помещали на глиняную плиту в плавильную печь, где он распрямлялся в лист. Этот способ позволял получать тонкие листы прямоугольной формы, но их поверхность сохраняла следы превращений цилиндрической поверхности в плоскую.

Третий способ позволял получать диски толщиной 2-3 мм и диаметром до 1,5 м. Выдували большой стеклянный шар, который служил заготовкой. Дно его прикрепляли к специальному стержню (понтии), откалывали от выдуваемой трубки, а затем путем вращения превращали в плоский диск.

В истории стеклоделия отразились судьбы народов и цивилизаций.

До начала нашей эры наиболее мощные центры стеклоделия располагались в Египте и Сирии. В VI в. н. э. к ним присоединилась Византия. Здесь в основном вырабатывались цветные стекла для посуды и смальта.

В период Римской империи стекло распространилось по всей ее территории. Образовались новые центры стекольного производства в Европе вплоть до Британских островов. Они быстро и успешно развивались. Их расцвету способствовало изобретение бесцветного стекла «кристалле», которое вначале использовалось для изготовления бус и посуды, линз, а затем оконного стекла и знаменитых венецианских зеркал. В XV в. особую славу приобрели венецианские стеклоделы.

Значительный вклад в развитие производства стекла внесли европейские стеклоделы.

Так, французские мастера нашли способ отливать зеркальные стекла высокого качества при помощи медных плит и последующей прокатки, в также способ травления стекол (начало XII в.). Английский мастер Роберт Манзель впервые применил каменный уголь в качестве топлива для варочной печи (1615 г). Мастер из Богемии Михаил Мюллер изобрел твердое, необыкновенно прозрачное калиево-кальциевое стекло. Чешские ремесленники развили технологию гравировки стекла.

Во второй половине XVII в. немецкий алхимик Иоганн Кункель открыл способ получения «золотого рубина» и опубликовал книгу «Экспериментальное искусство стеклоделия». В XVIII в. в Англии начали производить хрустальные стекла и применять алмазную грань.

В Древней Руси стекольное производство концентрировалось в основном в юго-западных областях, но в период татаро-монгольского ига стекольные мастерские были разрушены. Производство стекла возродилось только в XVII в. Огромная заслуга в восстановлении стеклоделия в России в этот период принадлежит М. В. Ломоносову. Он не только способствовал организации стекольных заводов, но возродил и развил искусство смальтовой мозаики.

До конца XIX в. стекольное производство было основано на ручном труде.

Только в 1900 г. была сделана попытка механизировать изготовление листового стекла: с помощью сжатого воздуха выдувались стеклянные цилиндры длиной до 12 м диаметром около 0,75 м, которые разрезались по образующей. Дальнейшая обработка листового стекла оставалась такой же, как и при цилиндрическом способе.

Подлинной революцией в стеклоделии явилось изобретение в начале XX в. непрерывного процесса варки и формования листового стекла. Механизация производства всех видов стекла была осуществлена только во второй половине XX в. На этот период приходится и появление новых видов стекла и изделий из него.

Вплоть до 50-х гг. ХХ века практика стеклоделия опережала теоретические знания в этой области. Однако научно-техническая революция в стеклоделии привела к разработке технологии принципиально новых видов продукции из стекла: фотохромных, солнцезащитных, теплозащитных, сверхпрочных и закаленных видов и др.

В 1959 г. в СССР впервые был синтезирован шлакоситалл — одна из разновидностей непрозрачного «стеклофарфора», прочного и экономичного вида стекла, который можно окрашивать керамическими красками в любой цвет и широко применять в воплощении архитектурных замыслов.

Появилась технология изготовления триплекса – стекла, состоящего из отдельных листов, склеенных прозрачными синтетическими пленками в единый пласт. Для звукоизоляционного остекления стали применять листы стекла с нанесенными на одну из поверхностей прозрачными пластмассовыми пленками для изменения частоты собственных колебаний.

Электрохимеская обработка стекла, напыление пленок, изготовление стекловолокна – все это примеры сложной технологии стеклоделия середины прошлого века.

Современное стекло представляет собой аморфный материал, получаемый из расплавов силикатов, алюминатов или боратов натрия, калия, кальция и ряда других элементов. Характерной чертой неорганических стекол является способность при нагревании до определенной температуры размягчаться, не плавясь. При определенных температурных условиях стекло может кристаллизоваться.

Производство стекла слагается из следующих процессов: подготовка сырьевых компонентов, получение шихты, варка стекломассы, ее охлаждение, формование изделий и их отжиг и в случае необходимости — обработка (термическая, химическая, механическая).

Компоненты, входящие в состав стекла, определяют его физико-механические свойства. Так, окись алюминия повышает химическую и термическую стойкость стекла, механическую прочность. Углекислый калий придает стеклу чистоту, блеск, прозрачность и применяется для производства лучших сортов стекла. Введение окислов кальция, магния, цинка и свинца повышает механическую прочность м химическую устойчивость стекла, увеличивает показатель светопреломления и улучшает внешний вид изделий.

О том, какие возможности открывает перед архитекторами стекло, читайте здесь.

Источник