История на стъклото
Стъклото е твърд, аморфен материал, получен чрез преохлаждане на разтопена смес от компоненти - заряд. Преходът от течно към стъкловидно състояние е обратим. При нагряване стъклото, за разлика от кристалните твърди частици, постепенно омеква преди да се разтопи.
Има легенда, че финикийците първи изобретили стъклото. Връщайки се от дълго пътуване, те решили да спрат на близкия остров. Запалиха огън, за да сготвят храна. И тъй като нямаше камъни, сложиха под казана буци сода. След известно време финикийците забелязали, че черупките, содата и пясъкът се превърнали в някаква течност. Това беше стъклото. Но тази легенда има опровержение: учените са доказали, че с открит огън е невъзможно да се постигне точката на топене на компонентите.
Древните хора са можели да държат стъкло в ръцете си, без дори да имат представа за неговото приготвяне, тъй като наред с изкуственото има и естествено (вулканично) стъкло - перлит, обсидан. Такова естествено стъкло се използва за направата на режещи инструменти и бижута.
След това се научили да правят стъкло чрез нагряване на сода и пясък до много висока температура - това се случило преди около 6 хиляди години на източното крайбрежие на Средиземно море.
Използвайки примитивна технология, древните майстори още през VI хилядолетие пр.н.е. д. направи прости стъклени съдове. Най-старото оцеляло нещо от този вид е купата на Тутмос III, направена около 1450 г. пр.н.е. д. Берлинският музей съхранява бледозелени мъниста, открити от Флиндърс Петри по време на разкопки край Тива, а възрастта на находката е около 5500 години. Цилиндър от светло синьо стъкло с отлично качество, намерен в Тел - Асмар, близо до Багдад, изработен в средата на 3-то хилядолетие пр.н.е. д.; плътност 2,463, индекс на пречупване 1,515, инняма нееднородности и чужди включвания. Доста често при разкопки се намират балсамарии (флакони за тамян).
Ако по време на обиколка на Ермитажа - най-големият музей у нас - погледнете по-отблизо стъклата на прозорците, ще забележите, че те са различни. Има обикновени безцветни, има и леко оцветени в бледолилав цвят. Това са специални, аметистови стъкла - правени са по специална поръчка и са вкарвани в рамките на прозорците много отдавна, по време на строежа на Зимния дворец. За съжаление от тези старинни чаши са останали много малко, повечето вече са се счупили.
Началото на индустриалното производство на стъкло в България датира от първата половина на 17 век. През 18 век, наред с обикновените фабрики за стъкло, са основани фабрики за кристал, Дятково и Гусев.
Още в древността са забелязали, че счупеното стъкло може да бъде върнато в действие. В залива Триет на Адриатическо море наскоро беше изваден от дъното римски търговски кораб, потънал през 2-ри век от н.е. На борда е открит товар, състоящ се от голям брой стъклени фрагменти. По документи можело да се установи, че се транспортират за претопяване.
Основателят на научния подход към производството на стъклени изделия у нас е М. В. Ломоносов. Изследванията му се отличават с целенасочено търсене на оптималния състав на сместа, чиито съставки той измерва точно по тегло, което не са правили неговите съвременници и предшественици. Той извърши около 2000 стопения на стъкло, като същевременно получи нови видове витражи и възстанови много изгубени рецепти. Ломоносов се ангажира да възроди "мозаечното изкуство". Мозайка - изображение, съставено от отделни парчета цветно стъкло. Изкуството на мозайката се заражда в древна Гърция, по-късно във Византия започват да правят мозайки от смалт - специално стъклокубчета. По време на Ренесанса във Флоренция и Рим мозайките са много обичани. Българските майстори в древността също владеят това изкуство. Ломоносов преоткрива метода за получаване на смалта от всякакъв цвят. В своята работилница Ломоносов (със сътрудници) създава 40 мозайки (запазени са 23 мозайки), от които най-известните са: „Спасителят Неръкотворен“ (1753) и портрет на Петър I (1755-1757), сега се намират съответно в Историческия музей и Ермитажа. В портрета на Елизабет Петровна той използва изобретената от него яркочервена и зелена смалта.
Нека сега разгледаме някои области на приложение на стъклото в съвременния свят.
Най-важните части на всички оптични инструменти са направени от стъкло. Но не без помощта на оптичните методи бяха направени най-големите открития във физиката: теорията за структурата на атома, квантовата теория, теорията за гравитацията и разширяващата се вселена и др.
През 1961 г. е възможно да се получи лазерен ефект върху стъкло от типа "баритна корона", активиран с редкоземния елемент неодим. Оттогава специални видове очила се използват активно в лазерната технология.
Има много други видове стъкла: електровакуумни, електрически и други видове. Мнозина са чували за нови материали (стъклокерамични материали), чиято гама е необичайно широка:
от ежедневието до космоса.
През последните години бяха синтезирани "биокристали", които се използват ефективно в хирургията, и различни видове кристали с редки свойства.
Наред с неорганичните стъкла, получени на базата на традиционни силикатни стъклообразуващи системи (както и боратни, фосфатни и германатни), има така наречените органични стъкла. Това са твърди прозрачни материали, направени от полиакрилати, полиострол и други органични полимери. Физическа и химическа природаорганичните стъкла продължават да представляват интерес за много учени. Важни резултати в тази област бяха постигнати за първи път в изследванията на съветския физик П.П. Кобеко (1897-1954), който разглежда органичните стъкла от гледна точка на физическата теория на полимерите.
Бих искал да обърна внимание на обичайното стъкло на прозореца. Листовото прозоречно стъкло - прозрачни неполимеризирани листове стъкло с дебелина от 2 до 6 mm - съставлява по-голямата част от продуктите на стъкларската промишленост - 95% от всички силикатни стъкла.
Римляните са първите, които правят тънки прозоречни стъкла. Те направиха това чрез отливане и валцуване на течно стъкло във форма под формата на лист за печене, който беше направен от глина. Отливките се изваждат от формата още горещи, докато стъклото запазва пластичност. По този начин се получава прозоречно стъкло с дебелина около 10 mm и площ до 0,5 m2. Тъй като страната на листа, съседна на формата, се оказа грапава, стъклото не беше прозрачно.
Прозорците започват да се остъкляват в края на Средновековието, през 14 век. По това време те все още не знаеха как да правят плоско листово стъкло, а прозорецът се състоеше от малки стъклени пластини, които бяха свързани с помощта на оловни връзки и всички заедно вмъкнати в дървена рамка. Понякога прозорецът е бил украсен с човешки фигури или орнаменти, рисувани върху стъклото.
В домашния живот вместо стъкло те използваха намаслено бельо, бик мехур, в мразовити зими - парчета речен лед. Но това беше, разбира се, сред бедните. Прозорецът беше много скъп и в онези дни не беше обикновена домашна техника. Това беше луксозен артикул и собственикът, когато се местеше, взе прозореца със себе си. Прозорецът може да се подари, дори може да се остави в завещание!
През Средновековието стъклото за прозорци се е получавало чрез издухване. Първо се издуха топка, която в резултат на търкаляне върху плочка иразвявайки се във въздуха се превърна в нещо като голяма ампула. След отрязване на горната и долната част се получава цилиндър. Тя беше разрязана по дължина и изгладена на лист върху нажежена глинена плоча. Стъклото се оказа доста тънко, макар и малко по размер. Страната, съседна на плочата при изглаждане, също се оказа грапава, което означава, че стъклото отново е непрозрачно.
Производството на стъкло включва 6 етапа: 1) подготовка на суровините (пясък, варовик, доломит, сода, сулфат, стъклен камък), 2) подготовка на заряда (хомогенна смес от компоненти), 3) производство на стъкло, 4) формоване на продукта, 5) отгряване на продукта, 6) обработка (механична, термична и химична).
Съставът на сместа за модерни стъкла като основни компоненти включва съединения (предимно оксиди) на силиций, алуминий, калций, магнезий, бор, олово, желязо, калий и натрий.
Методи за получаване на изделия от стъкло
Разтопената стъклена маса може да се обработва по различни начини: издухана, пресована, валцована.
Издухването отдавна е един от основните методи за обработка на стъкло. Стъклодухачите работеха на ръка, като извършваха само окончателната обработка със специални инструменти. Досега специално научно оборудване, лабораторна стъклария, високохудожествени продукти се изработват ръчно. С течение на времето хората измислиха машина за издухване на стъкло, която издухва стъклен съд с помощта на вакуум. По правило ястията се правят машинно: бутилки, буркани, чаши.
Ястията се приготвят и чрез пресоване. Пресованите продукти се характеризират с малки неравности по външната и вътрешната повърхност.
За получаване на прозоречно стъкло се използва методът на издърпване. Тя се основава на наблюдението на американеца Кларк,направени през първата половина на 19 век. Състои се в това, че ако желязна пръчка („примамка“) се постави върху повърхността на течно стъкло и след това се повдигне, тогава стъклената маса ще бъде заварена (залепена) към пръчката и ще я следва под формата на лист. При охлаждане на въздух се получава стъклен лист. Следващата стъпка към развитието на механизиран метод беше изобретението на белгийския Furko. Той предложи да се постави керамична греда („лодка“) с надлъжен прорез върху повърхността на разтопената маса. Ако натиснете лодката, тогава разтопената маса се изстисква от слота. Върху него се спуска „примамка“ и се издърпва нагоре. Оказва се правилният панел с успоредни ръбове. Дебелината на листа зависи от скоростта на повдигане и скоростта на охлаждане на листа.
Стъклото се произвежда и използва изключително широко от съвременната индустрия. Очилата могат да се различават по състав, приложения, индивидуални свойства, по-специално по степен на прозрачност. Има витрини, стъклария, лабораторно стъкло, оптично стъкло, медицинско стъкло. Има термоустойчиви и радиационно устойчиви стъкла, които обратимо променят цвета и прозрачността си в зависимост от осветеността. Кварцовото стъкло се получава от чист пясък. Разтопеният пясък, охлаждайки се, образува стъкловидна маса. За разлика от обикновеното стъкло, кварцовото стъкло променя малко обема си с температурата. Ястията, направени от него, могат да се нагреят до бяла топлина, да се хвърлят в студена вода и няма да се напукат. Лабораторната стъклария е изработена от кварцов пясък. Другото му специфично свойство е способността да пропуска ултравиолетови лъчи, затова от него се правят така наречените кварцови лампи, използвани в медицината.
Стъклото се е научило да рисува във всички цветове на дъгата. За да направите това, оксидът на съответния метал се добавя към суровината. Така,например добавянето на кобалтов (II) оксид произвежда синьо стъкло. Хромният (III) оксид придава на стъклото зелен цвят - получава се зелено стъкло. Медният (II) оксид придава синьо-зелен цвят. Среброто в колоидно състояние оцветява стъклото в жълто. Звездите на Кремъл са направени от така нареченото рубинено стъкло. Това е стъкло, чийто цвят се дава от златни съединения, разтворени в него по време на готвене. За да придадат това или онова специфично свойство, например степента на прозрачност, в чашите се въвеждат и съединения на редкоземни елементи, кобалт, хром и манган. В стъклото вместо Na2O може успешно да се замени с оксиди: MgO, PbO, ZnO, BaO. В стъклото винаги има малко алуминиев оксид Al2O3, който идва от стените на съда за топене на стъкло. Всеки от тези оксиди осигурява на стъклото специфични свойства. Нискокачественото бутилково стъкло обикновено има цвят, който зависи от наличието на железни йони в него.
Най-малко половината от елементите на периодичната система, по един или друг начин, се използват в производството на стъкло. И това е гаранция за разнообразието от свойства на стъклото.
Но всички стъкла имат общи свойства. Външно те са хомогенни, твърди и доста крехки, почти всички са изотропни, тоест физическите свойства на стъклото са еднакви във всички посоки.
Относителната евтиност на стъклените строителни материали се дължи на широкото разпространение и следователно на наличието и евтиността на суровините за тяхното производство.
Обикновеното прозоречно стъкло има състав, който може да се изрази с формулата Na2O. CaO. 6SiO2
Стъклото може да бъде заварено от един кварцов пясък, чиято химическа формула е SiO2. Това обаче изисква много висока температура (над 1700º C). Постигането на такива температури в промишлени пещи е свързано с големи трудности. Конвенционални фурни, коитосе използват твърди, течни или газообразни горива, те не са подходящи за това. (За топене на кварцов пясък се използват електрически пещи със специално устройство или горелки, в които водородът се изгаря в поток от кислород.) Разтопеният кварцов пясък е толкова гъста и вискозна маса, че е трудно да се отстранят въздушните мехурчета от него и да се придаде желаната форма на продуктите.
В производството на стъкло се използват само най-чистите сортове кварцов пясък, в които общото количество замърсяване не надвишава 2-3%. Особено нежелателно е наличието на желязо, което дори в следи (десети от %) оцветява стъклото в зеленикаво. Ако към пясъка се добави сода Na2CO3, тогава стъклото може да се заварява при по-ниска температура (с 200º-300ºС). Такава стопилка ще бъде по-малко вискозна (мехурчетата се отстраняват по-лесно по време на готвене и продуктът се оформя по-лесно). Но такова стъкло е разтворимо във вода и продуктите, направени от него, са подложени на разрушаване под въздействието на атмосферни влияния. За да стане стъклото неразтворимо във вода, в него се въвежда трети компонент - CaCO3 (вар, креда, варовик).
Стъклото, чиито първоначални компоненти на заряда са кварцов пясък, сода и вар, се нарича натриево-калциев. Той съставлява около 90% от стъклото, произведено в света. При готвене калциевите и натриевите карбонати се разлагат в съответствие с уравненията: CaCO3=CaO+CO2 Na2CO3=Na2O+CO2
В резултат на това стъклото съдържа оксиди на SiO2, Na2O и CaO. Те образуват сложни съединения - силикати, които са натриеви и калциеви соли на силициевата киселина. В момента топенето на стъкло се извършва при температура 1400º-1500ºС за няколко часа. Стъкларите разделят процеса на топене на три етапа: партидно топене, избистряне (отстраняване на мушици и стрии), студка - внимателно охлаждане.
Стъкларите наричат "мушици" малки мехурчета от газ, разпределени в цялата маса на стъклото. Наличието му в продуктите се счита за брак. Мушицата е особено неприемлива в оптичните стъкла.
Нишковидните потоци се наричат стъклени ивици. Ивицата е видимата граница на две съседни секции от стъклената маса. Наличието на стрии показва лошо смесване на стъклената маса по време на топенето, тоест нейното ниско качество.
В заключение бих искал да кажа, че стъклото се използва навсякъде: от ежедневието до космоса. Дори получаваме първия си „обяд“ от стъклена бутилка.