В какой стране производили стекло разных сортов. Как, где и когда изобрели стекло. Изобретение процесса выдувания стекла
До сих пор неизвестно точно, кто и когда изобрел стекло. Использовалось оно с древних времен. Главными компонентами для его изготовления являются сода и песок. Они встречаются по всей планете, поэтому установить место изобретения стекла по ним невозможно.
Плиний Старший (23–79 годы н. э.) в «Естественной истории» писал, что стекло изобрели финикийские купцы. Они плыли на корабле из Сидона с разными товарами. Начался шторм. Они решили переждать его на берегу, развели костер и захотели приготовить еду. Для котла нужны были камни. Камней нужного размера они не нашли и решили взять огромные блоки соды, которые были на корабле. После приготовления еды соду они не обнаружили. Но вместо нее в костре купцы нашли неизвестное вещество, которое появилось при смешении соды с песком и воздействии на эту массу высоких температур. Считается, что так появилась технология изготовления стекла и необходимые материалы для его выплавки.
В середине ХХ века, группа активистов решила проверить достоверность этой информации. Выполняя все, как описано в истории изобретения стекла, у них ничего не получилось. Причиной, по их мнению, стала низкая температура, из-за которой не произошло сплавления соды с песком, поскольку необходимый жар можно получить только в печи. Поэтому, сейчас принято считать изобретателем стекла помощника гончара из Египта. Он уронил горячий горшок в смесь песка и соды, а затем, не очистив его, сунул в печь для обжигания. В итоге весь керамический горшок покрылся тонким стеклом. Это и стало началом появления стекла.
Прежде чем попасть к нам в том виде, в каком мы сейчас его знаем, стекло проделало долгий путь длиной в несколько тысяч лет.
Жилища наших прародителей, древних людей, стёкол вообще не имели. Свет проникал через узкие проходы в скалах или каменистых пещерах.
Но изобретение стекла - не привилегия человека. Образцы этого материала людям показала… природа. Природные стёкла образовывались из лавы, выливавшейся во время . Стекло то было мутным, тёмным по цвету. Сегодня мы знаем его как обсидиан.
Изобретатели стекла
История этого материала так далека во времени, что изменялась не один раз в свете археологических открытий и всё ещё считается спорной. На первенство в стеклоделании претендуют Египет, Средиземноморье, Африка и Древняя Месопотамия.
Образцы египетского стекла - это стеклянная глазурь на фаянсовых плитках пирамиды Джессера, время создания которой - XXVII век до н. э. Есть и ещё более ранние образчики - фаянсовые украшения возрастом около 5 000 лет.
Сначала стекло у египтян выходило мутного синеватого или зеленоватого оттенка - в зависимости от того, где добывали песок для его производства и какие примеси он содержал. Бесцветное стекло люди научились делать гораздо позднее, вероятно - в I веке уже нашей эры: для обесцвечивания стали использовать марганец.
В Месопотамии археологи нашли стеклянную цилиндрическую печать возрастом примерно 4 500 лет. Сосуды для благовоний - одна из частых находок учёных при раскопках территории Старовавилонского царства.
Древнее производство стекла
Всё больше исследователей склоняются к тому, что стекло возникло независимо сразу в нескольких местах. Как это случилось - пока загадка. Стекло было настолько ценным материалом, что хранились в строжайшем секрете. Лишь немногие сведения дошли до нас.
Так, египтяне плавили песок и соду в глиняных сосудах на открытом пламени. Когда ингредиенты спекались, их бросали в ледяную воду для растрескивания. Полученные куски - фритты - размалывали в пыль, а потом снова плавили. Технология получила название фриттование и использовалась несколько веков.
Интересен и тот факт, что первые стеклянные изделия были сплошь фигурными - печати, крошечные сосуды, бусины. Связано это с неумением древних людей делать плоское стекло - они просто выдували из стеклянной массы разнообразные формы.
Плоское, бесцветное стекло появилось массово в европейских государствах только в XIII веке. Однако при раскопках Помпеи учёные обнаружили образцы плоских стёкол, значит - технология была известна давно.
Как стекло завоёвывало мир?
Первое застеклённое окно появилось в помещении греческой бани в Помпеях. Его размер составлял метр на полтора метра. Чуть позже небольшие окна появляются в залах для пиршества греческой знати. Причём, только с южной стороны. Но это – что касается мужчин. На женской половине жилья окон в то время вообще не полагалось.
Наибольший расцвет стекло переживает в Древнем Риме. Именно здесь окно появляется в том виде, в каком мы сейчас его знаем – помещённое в раму из металла. Чаще всего из бронзы. Тогда же появляются и первые «дамские» зеркала, предназначенные для женщин из числа римской знати.
Гораздо больший расцвет стекло переживает в средние века в Венеции. Причём изготавливается оно в самых разных видах - как оконное стекло, зеркала и изящная стеклянная посуда. Именно Венеция в XVI – XVII веках становится едва ли не мировым производителем стекла.
В то же самое время в домах простых людей стекло оставалось непозволительной роскошью. В роли оконного стекла здесь выступает обычный бычий пузырь, который натягивали на деревянные, небольшого размера рамы.
В России стекло начинает широко применяться в царствование династии Романовых. Именно тогда им начинают украшать входы в виде цветных витражей и даже фасад зданий. Первый стекольный завод был построен в середине XVII века в Воскресенске. Здесь из стекла начинают делать стеклянную посуду и украшают цветным стеклом дворцы знати.
При российском императоре Петре I в России действует уже шесть стекольных заводов. Однако у простого люда оконные стёкла по-прежнему заменяет промасленная бумага и пузырь.
Стекло - твердое тело, аморфное по своему строению. Стекла бывают природные и искусственные, изготовленные человеком. С глубокой древности человек научился использовать природное стекло в качестве орудии труда. Среди природных стекол, которыми пользовался человек еще в доисторические времена, различают тектиты и обсидианы. И те, и другие находят на стоянках людей каменного века.
Древний человек использовал природные стекла для изготовления различных рубил, скребл, наконечников для стрел и копий, ножей и других орудии труда. Тектиты облюбовывались древними и как амулеты.
Очень давно научился человек и производить стекло. На заре человеческой культуры в печах-ямах, используемых для обжига глиняных горшков и отапливаемых соломой, тростником или деревом, первую глазурь на стенках этих горшков дала, плавившаяся при не очень высокой температуре, зола. Стекая со стен горшков и смешиваясь с песком на дне этих ям, зола дала первую стекломассу. Таким образом, колыбелью стеклоделия можно считать ямную печь. И, надо сказать, что зола, содержащая до 40% щелочи, оставалась еще до середины 19 в. важным компонентом шихты на многих стекольных заводах, назначение щелочи понижать температуры плавления стекол. Наряду с золой, как источник щелочи, применяли еще в 1-ом в. н.э. полученные из нее поташ и соду, подразумевая под ними два основных вида экстракта из зол разных растений. В Египте использовали природную соду.
Помимо золы, второй основной компонентой стекла служит кварцевый песок. В древности, в ранние этапы стеклоделия славился сирийский песок с реки Белус. Этот песок практически не содержал окислов железа.
Кроме этих основных стеклообразующих компонентов применяют различные добавки - красители, глушители и специального назначения, придающие стеклу те или иные свойства.
Многие исследователи считают, что стеклоделие впервые зародилось в Месопотамии около 5000 лет тому назад. В Сирии были обнаружены осколки стекла, относящиеся к 2500 г. до н.э. Доподлинно известно, что в 16-14 вв. до н. э. стеклоделие в Египте было высоко развито. Раскопки, производимые Фливдерсом Петри в Тедь-аль-Амарне (близ Фив) в 189I-1892 гг.выявили остатки стеклодельческой мастерской времени одного из фараонов 18 династии. Были обнаружены остатки печей фрагменты тиглей для плавки стекла, битое стекло и другие предметы.
В начале нашей эры центр стеклоделия, переносится в Рим. Во времена Нерона (54-68 г.н.э.) применение стекла в Риме столь широко распространилось, что простой стеклянный бокал можно было купить за медную монету. В Риме появляется оконное стекло. Оно не было похоже на наше. Приготовленное выдувным способом оно представляло собой диски небольшого размера, вставляемые в переплеты деревянных или каменных решеток. В литературе тех времен сохранилось описание процесса варки стекла. Плиний Старший писал, что тончайший белый песок истирали и смешивали с 3 объемами соды. Смесь расплавляли, затем переносили в другую печь, где образовывалась масса, называемая Плинием "аммонитр". Аммонитр вновь переплавлялся в чистое белое стекло. Римские мастера вначале пользовались ввозимой из Фракии содой, затем перешли на добычу ее из золы водорослей.
Перенеся в 330 г. столицу из Рима в Византию, в Константинополь, Константин перевел в нее множество ремесленников, в том числе и стеклоделов.
Значительного развития в Византии достигла такая ветвь стекольного производства, как мозаика. Потребность в мозаике была огромная в связи со строительством большого числа храмов и особенно Софии Константинопольской, где мозаика как декор использовалась очень широко.
В 1204г. крестоносцы, а среди них были и венецианцы, взяли Константинополь и почти одна треть территории Византии отошла к Венеции. Заполучив на востоке мастеров и их секреты, венецианцы начинают активно осваивать стекольное дело. В конце XIII в. на острове Мурано, в двух км. от Венеции, уже существуют стеклодельные мастерские.
В 14-13 веках художественная ценность венецианского стекла общепризнанна. Расцвет его приходится на 16 в.. Это тончайшее, чистейшее и очень изящное стекло. Формы изделий исключительно многообразны. Преобладают рюмки, бокалы, посуда на ножках. Наряду с бесцветным применялось и цветное стекло,
позолоченное. Изобретение филиграни - прозрачного стекла с сетчатыми переплетениями молочно-белых нитей, еще более увеличило и без того всемирную славу венецианского стекла в 16 в.. О том насколько дорожили мастерами стеклоделия в Венеции говорит тот факт, что когда французский король Генрих III посетил Венецию, то он пожаловал всем первым мастерам Мурано французское дворянство.
Только в 17 в. венецианское стеклоделие начало клонится к упадку. В это время в Чехии в 1609г. Кашпаром Леманом был изобретен рецепт массивного, твердого стекла, получившего название хрусталь за сходство с горным хрусталем. В стекло стали добавлять кальций, придавший чистоту и прозрачность, твердость, больший показатель преломления и, следовательно, игру света. Чешский хрусталь, или как его еще называют богемский, в то время позволял применять глубокую гравировку - резьбу по стеклу. С этого времени начинается новая эпоха в истории художественного стеклоделия.
Несколько позднее в Англии в стекло стали добавлять свинец. Свинцовый хрусталь обладает поразительным блеском и светопреломлением с великолепной игрой света - дисперсией. Кроме того, свинцовый хрусталь обладает красивым звоном. В 18 в. производство хрусталя возникает во Франции - знаменитая фирма Баккара, действующая и поныне.
История производства стекла в России
В России, после татаро-монгольское нашествия разрушившего стекольное и многие другие ремесла в Киеве, Рязани и т. д, первые упоминания о производстве стекла относятся к 1630-31 гг., когда приглашенным из Швеции пушечных дел мастером Юлием Койетом был основан стекольный завод в 40-50 верстах от Москвы в с. Духанино, неподалеку от Нового Иерусалима.
Второй стекольный завод был выстроен при Алексее Михайловиче. Завод решено было ставить в Измайлове на реке Серебрянке. В 1669 г. завод был готов. Мастеров было по первоначалу трое: 1 иностранец, 2-русских. В Измайлове изготовляли всевозможные сулеи, кувшины, кружки, братины, лампадки, аптекарские скляницы и другие изделия. Измайловское стекло поставлялось на дворцовые нужды, часто шло на продажу.
Общий промышленный подъем, начавшийся при Петре, захватил в стекольное дело.
В 1706 г. был построен стекольный завод на Воробьевых Горах под Москвой. Основными видами продукции Воробьевского завода служили литые зеркала и увеличительные стекла. Стекло варилось, затем выливалось на медную доску, прокатывалось медным катком, шлифовалось, полировалось и под него подводилась амальгама. При этом размеры зеркал были поразительные: до 2,75 на 1,68 м. Это были самые большие по тем временам зеркала в Европе.
Во времена правления Петра I помимо казенных заводов, возникают частные стекольные заводы, из них пять под Москвой и один под Владимиром.
Один из пяти подмосковных заводов принадлежал купцам Мальцовам.
Развитие стекольного дела в Московских землях и под Санкт-Петербургом, повлекло за собой уничтожение значительной части лесов. Ведь лес шел на дрова, и была велика опасность пожаров. В 1747г. указ Сената запрещает строить винокуренные и стекольные завода в радиусе 200 верст от Москвы и Санкт-Петербурга.
Мальцовы переводят завод частично в Трубчевсний уезд Орловской губернии и во Владимирскую губернию на речку Гусь.
Хрусталь начали варить на Гусевском заводе с самого момента его основания. В Праге и Богемии закупаются образцы изделий и отправляются в Гусь. Русские мастера полностью воспроизводят их. На первых порах отличить богемский хрусталь от гусевского невозможно.
Мальцовский хрусталь быстро завоевывает призвание на российское рынке. В 1857r. Гусевскому заводу было разрешено изображать на своих изделиях государственный герб. Ассортимент изделий завода был чрезвычайно широк - от дворцовых хрустальных сервизов до обычных бытовых стакан. Приемы гравировки очень характерны для русского хрусталя.
Для русской гравировке очень свойственна свобода композиции сюжета, живописность рисунка, растительные узоры. На заводе известны целые поколения мастеров, передававших свое искусство гравировки по наследству - самая известная фамилия Травкиных. Работы мастеров Травкиных во множестве представлены в гусевском музее.
Если в 18 веке для декорирования хрусталя использовалась главным образом гравировка, то к началу 19 в. появляется мода на алмазную грань. Гравировка отступает на задний план, переносится на тонкую посуду. Англичане внесли в искусство хрусталя технику высокой алмазной грани, идущую от приемов обработки драгоценных камней. Такая обработка давала высокую игру света. Русские мастера Зубановы создали алмазный растительный рисунок и назвали ого очень поэтично "светлое растение". Они же авторы морозных узоров, наносимых на хрусталь в технике алмазной грани.
Как сохранить хорошее зрение
Телевизоры, компьютеры и электронные гаджеты постоянно испытывают наши глаза на прочность. Как же поддерживать здоровье глаз и остроту зрения в течение многих лет. . .
Задолго до наших дней изготовление стекла считалось трудоемким процессом, подобным созданию произведения искусства. По этой причине его цена была очень высока. В эпоху правления Тиберия один из мастеров создал небьющееся стекло, однако, по приказанию императора, он был казнен, поскольку это открытие могло стать причиной резкого снижения стоимости стекла.
Сегодня все изменилось, и ученые, работающие в этой сфере, стремятся сделать стекло как можно более дешевыми.
Археологические находки свидетельствуют о том, что первое стекло было сделано на Среднем Востоке примерно в 3000 г. до н.э. Вначале производство стекла было медленным и дорогостоящим. В древние времена стекло было предметом роскоши, и лишь немногие могли себе его позволить.
Древнейшими стеклянными предметами являются бусы и кулоны, созданные ещё в додинастическую эпоху в Древнем Египте. Египтяне знали также мозаику из стекла. Разноцветные стеклянные пластины разогревались до сплавления, а затем вытягивались для получения тонких и очень длинных полосок, нередко изображавших просто иероглифы. Эти произведения отличались удивительной тщательностью исполнения, но в то же время египтяне никогда не стремились добиться прозрачности стекла.
В Индии, Корее, Японии найдены стеклянные изделия, возраст которых относится к 2000 году до нашей эры. Раскопки свидетельствуют, что на Руси знали секреты производства стекла более тысячи лет назад.
Считается, что рукотворное стекло было открыто случайно, как побочный продукт других ремесел. В те времена обжиг глиняных изделий происходил в обычных ямах, вырытых в песке, а топ-ливом 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. А древнеримский историк Плиний-старший (79 - 23 гг. до н.э.) писал, что стеклом мы обязаны финикийским морским купцам, которые, готовя пищу на стоянках, разводили на прибрежном песке костры и подпирали горшки кусками извести, создав тем самым условия для возникновения стекломассы.
Действительно, 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.
Сегодня основным сырьем для изготовления стекла является диоксид кальция - SiO2, представляющий собой белый кварцевый песок. Его главное преимущество, по сравнению с другими веществами, заключается в том, что диоксид кальция может переходить из расплавленного состояния в твердое, минуя процесс кристаллообразования. Это дает возможность его использования для создания различных видов стекол. Кварц имеет чрезмерно высокую температуру плавления, поэтому каждая стекольная мастерская изготавливает стекло, содержащее 50-80% SiO2. Для понижения температуры плавления в стекломассу добавляют различные вспомогательные вещества: известь, оксид натрия, глинозем.
В последнем веке до н. э. стеклоделие интенсивно развивалось в Римской империи. Четкая политическая и экономическая организация, бурное строительство, разветвленные торговые связи - все это создавало условия для процветания стекольной промышленности во владениях Рима в Средиземноморье и в Западной Европе. Во времена императора Августа изделия из стекла вывозились во Францию, Германию и Швейцарию. Именно римляне первыми начали использовать стекло в архитектурных целях - особенно после открытия прозрачного стекла путем введения в стекломассу оксида марганца, случившегося около 100 гг. до н. э. в Александрии. Александрия в то время была и центром производства изделий из стекла. Всемирно известна Портлендская ваза (из двухслойного непрозрачного стекла) - возможно самый известный шедевр александрийских мастеров.
В средние века, после развала Римской империи, перемещение технологий и секретов мастерства стеклодувов сильно замедлилось, поэтому восточная и западная стеклянная посуда постепенно приобретали все больше и больше индивидуальных отличий. Александрия так и оставалась центром производства стекла на Востоке, где делалась изящная стеклянная посуда.
К концу первого тысячелетия, существенно изменились методы производства стекла в Европе. В первую очередь это коснулось состава сырья для производства. Учитывая трудности с доставкой такого компонента смеси как сода, его заменили на поташ, полученный в следствии сжигания дерева. Поэтому стекло, сделанное к северу от Альпийских гор, стало отличаться от изделий, произведенных в средиземноморских странах, например в Италии.
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 невысоким, но практичес-ки полностью повторяло химический состав современных оконных стекол. Этими стеклами стеклили окна церквей и замков знатных вельмож. На этот же период приходится и расцвет изготовления витражных окон, в которых использовались кусочки цветного стекла.
В конце Средневековья центром европейского стекловарения становится Венеция. В тот исторический период венецианский торговый флот бороздил воды всего Средиземно-морья, что способствовало быстрому перенесению новейших технологий (особенно, с Востока) на благодатную венецианскую землю. Производство стеклянных изделий было важнейшим ремеслом в Венеции, о чем свидетельствует количество стеклодувов в этом городе - более 8000 человек. В 1271 году вышел специальный указ, которым узаконивались некоторые протекционистские меры по защите интересов стекловарения, запрещался импорт иностранного стекла, прием на работу иностранных мастеров и вывоз за границу сырья для изготовления стекла.
В конце XIII века в Венеции насчитывалось уже более тысячи стекловаренных печей. Однако, частые пожары, вызываемые их круглосуточной работой, вынудили городские власти перенести производство на расположенный поблизости остров Мурано.
Эта мера также давала некоторые гарантии в вопросе сохранения тайны производства венецианского стекла, так как мастера не имели права покидать территорию острова.
Во второй половине XV века стекольные мастера острова Мурано разработали новую технологию получения особо прозрачного стекла, в которой использовались кварцевый песок и поташ, сделанный из морских водорослей. К концу 16-го столетия 3000 жителей из 7000-го населения острова были вовлечены в стекольное производство.
В XVII веке лидерство в развитии технологии производства стекла постепенно перешло к английским мастерам, в частности, благодаря изобретению Джорджем Равенкрофтом в 1674 г. нового способа производства хрусталя. Он сумел получить более качественный состав стекломассы, чем итальянские мастера. Равенкрофт заменил поташ оксидом свинца высокой концентрации и получил стекло с высокими светоотражающими свойствами, которое очень хорошо поддавалось глубокой резке и гравировке.
Франция тоже не стояла в стороне от процесса развития стекольного производства. В 1688 году в Париже наладили новый процесс производства зеркального стекла, оптические качества которого до того времени оставляли желать лучшего. Расплавленная стекломасса выливалась на специальный стол и раскатывалась до плоского состояния. Затем начинался многоступенчатый процесс полировки поверхности, сперва грубыми чугунными дисками, затем – абразивным песком разных фракций, а в конце – фетровыми дисками. В результате получалась зеркальная поверхность с невиданными оптическими свойствами. Из такого стекла, покрытого с обратной стороны слоем серебра, получали высококачественные зеркала. Французы переманивали к себе способных венецианских мастеров, обладающих хорошими профессиональными навыками и знающих секреты мастерства. Французские власти предлагали венецианским мастерам множество стимулов: например, французское гражданство после восьми лет работы и почти полное освобождение от налогов.
Но только в конце XIX века стеклоделие из ремесленного стало перерастать в массовое промышленное производство. Одним из «отцов» сов-ременного стекольного производства можно назвать немецкого ученого Отто Шотта (1851 – 1935 гг.), 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 гг.), профессором из 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, чем ранее.
В конце XIX века американский инженер Майкл Оуэнс (1859 –1923 гг.) 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 на 3.21 м., а толщина листа может быть от 2 до 25 мм.
В настоящее время в мире производится около 16 500 миллионов тонн листового стекла в год. Как же выглядит процесс изготовления стекла сегодня? Прежде чем из набора химических элементов появится изящное зеркало, красивая ваза или легкая стеклянная мебель, эти вещества должны пройти ряд процедур. Создавая стекло или зеркало, первым делом в огромных ваннах, которые вмещают до тысячи тонн стекла, расплавляют вещества, имеющие низкую температуру плавления. Затем туда добавляют кварцевый песок, который успешно расплавляется при температуре 1000 градусов. Но на этом процесс нельзя считать законченным: необходимо произвести дегазацию полученной стекломассы. Для этого ее нагревают в специальных регенерационных печах до температуры 1400-1600 градусов. В процессе выхода на поверхность газы способствуют равномерному перемешиванию стекла.
Печь для производства стекла работает в непрерывном режиме. С одной стороны, туда подаются ингредиенты, в результате смешения которых будет создано стекло. Постепенно они превращаются в расплавленную стекломассу и впоследствии поступают на специальный конвейер, на котором стекло охлаждается и разрезается на листы нужного размера. Для того, чтобы создать не обычное стекло, а зеркало, мастера в процессе движения застывшего стекла по конвейеру покрывают его сначала тончайшим слоем серебра, затем - слоем меди и, наконец, лаком. За одну минуту такой обработки удается создать зеркало длиной 2,5 метра, а за месяц на такой печи производят зеркало площадью 40 000 кв. м.
Мне нравится
35В этой статье описывается история возникновения стекла и развития стекловарения в мире от времен Древнего Египта до наших дней. Особое внимание уделено методам производства оконного стекла , использовавшимся в различное время.
Происхождение стекла
Изготовление листового стекла началось около 2000 лет назад. Но до его появления уже существовали основные приемы работы с расплавленным стеклом и разнообразная техника изготовления несложных изделий из стекла в виде бус, сосудов и браслетов.
Возникновение древнего стеклоделия восходит примерно к III тыс. до н. э. К этому периоду древними мастерам создан новый материал – стекло. Создание стекла по масштабам открытия - колоссальное научно-техническое достижение, его появление в истории техники и культуры может быть сопоставлено с открытием металлов, керамики и металлических сплавов.
Как, где, когда и кто начал делать искусственное стекло? На этот вопрос существуют разные версии. Стекло – искусственный материал, который создан человеком, но известны и природные стекла - обсидианы, которые образуются в магматических расплавах при высоких температурах во время извержения вулканов и падение метеоритов. Обсидианы представляют собой полупрозрачные черные стекла, обладающие высокой твердостью, и коррозионной стойкость и использовались в древности в качестве режущего инструмента. Некоторые считают, что именно обсидианы толкнули человека на создание их искусственных аналогов, однако области распространения природных и искусственных стекол не совпадают. Наиболее вероятно, что представления о стекле развивались в тесной связи с изготовление гончарных изделий и металлообработкой. Возможно, на ранних стадиях стеклоделия древние мастера увидели аналогии в свойствах стекла и металлов, которое и определили технологические приемы обработки стекла. Признав стекло аналогичным металлу (пластичность в горячем состоянии, твердость в холодном), древние создали возможность перенести в стеклоделие приемы обработки металлов. Таким путем были заимствованы тигли для варки стеклянной массы, формы для отливки изделий, технологические приемы горячей обработки (литье, сварка). Этот процесс происходил постепенно, особенно на первых этапах, настолько различны по своей природе стекло и металл.
Наиболее ранняя «теория» происхождения стекла – предложена римским ученым Плинием Старшим в «Естественной истории»:
«Однажды, в очень далекие времена, 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 обложили костер большими кусками соды. Поутру, разгребая золу, купцы обнаружили чудесный слиток, который был тверд как камень, горел огнем на солнце и был чист и прозрачен как вода. Это было стекло».
Рассказ этот мало достоверен, даже сам Плиний начинает его cловами «fama est…..» или «по слухам…», потому что образование стекла при температуре пламени костра на открытом пространстве произойти не может. Всего вероятнее предположение немецкого ученого Вагнера, который связывает появление стекла с получением металлов. В процессе плавления меди и железа образовывались шлаки, которые могли под действием тепла превращались в стекло. Сейчас трудно установить, как именно было изобретено стекло, но без сомнений это открытие было случайным.
Самые древние изделия имели только стекловидный слой на поверхности фаянса, и найдены в гробнице фараона Джосера (III династия Древнего царства в Египте, 2980-2900 г.г. до н.э). Образцы стекла в виде слитков, датируемые XXII-XXI вв. до н. э., обнаружены при раскопках в области Древнего Двуречья.
Стеклоделие в Древнем Египте и Месопотамии
Наиболее ранние археологически известные стекольные мастерские датируются серединой II тыс. до н. э. Необходимо отметить, что сначала был получен сам материал (стекло), а затем осознается его новизна, и раскрываются его свойства. Приемы обработки нового материала подбираются применительно к его свойствам: вытягивание, сгибание, накручивание. Лишь со временем были подобраны и приспособлены и другие приемы: литье, прессование, обкатка.
История стеклоделия начинается с изготовление бус. Новый материал нашел свое применение в непроизводственной сфере, и изделия из него приравнивались к ценностям благородных камней и самоцветов. К древнейшими изделиями из стекла считаются стеклянные бусы царицы Хатшепсут, которая правила Египтом в 1525-1503 гг. до н. э. и стеклянный кубок, имеющий иероглифическую надпись с именем фараона Тутмоса III, относящийся ко времени Нового царства.
К середине II тыс. до н. э. стеклоделие сложилось в основных чертах почти одновременно в разных очагах древнейших цивилизаций Египте и Месопотамии. Единственным источником, на основании которого можно судить о становлении и начальных этапах истории стекла и его происхождении являются готовые изделия: бусы, вставки, сосуды. Как считают ученые, бусы для египтян выполняли функцию амулетов.
Начиная с середины VIII в. до н. э. набор найденных находок расширяется и к бусам и сосудам прибавляются перстни, браслеты, ритуальная и туалетная посуда, которых стали находить не только в районе Средиземноморье, но и на Кавказе и Западной Европе. Значительно повышаются декоративность и сложность найденных изделий. Техника изготовления изделий усложняется, мастера наряду с формовкой, навивкой и литьем, освоили и другие приемы работы с расплавленным стеклом: резание, гравировку, шлифовку, полировку и прессование в формах, различных по конструкции и материалу. Технические приемы обработки стеклянной массы сопровождалось усложнением инструментария и оборудования мастерской.
Изобретение процесса выдувания стекла
К началу римского периода стеклоделием был накоплен весьма большой производственный опыт и знания, чтобы сделать подлинный переворот в области технологии изготовления изделий из стекла.
Первой «революцией» в стекловарении считается изобретение метода выдувания стекла. Процесс выдувания изделий из расплавленной стекломассы начался с важнейшего изобретения – стеклодувной трубки сирийскими мастерами между 27 г. до н. э и 14 г. н. э. С открытием процесса выдувания стеклянных изделий Сирия на целые сотни лет становится крупнейшим центром стеклоделия. Изобретение выдувания привело к рождению нового качества и составило основу не только древнего, но и современного методов изготовления стеклянной посуды, а впоследствии и оконного стекла
Выдувание – ранее вспомогательная операция, в римское время стало использоваться как самостоятельный прием. После набора стекломассы на стеклодувную трубку мастер выдувал исходную заготовку в деревянную форму и получал различные стеклянные полые изделия в виде кувшинов, банок, кубков флаконов. Наряду с простой посудой мастера выполняли и декоративные уникальные предметы, украшенные нитями и накладом из цветного стекла.
Первое оконное стекло
Первое оконное, по настоящему плоское стекло впервые появилось значительно позже, в Древнем Риме. Оно было обнаружено при раскопках Помпеи и датируется годом извержения вулкана Везувий, 79 г. н. э. Оконное стекло получали методом литья на плоскую каменную поверхность. Конечно, качество стекла при этом сильно отличалось от современного. Это стекло было окрашенным в зеленоватые тона и матовым (бесцветное стекло в то время изготавливать еще не умели), содержало большое количество пузырей, что говорило о низкой температуре варки, и было довольно толстым (около 8-10 мм). Но, тем не менее, это был первый случай применения стекла в архитектуре, что дало значительный толчок к дальнейшему развитию стекловарения и распространению стекла по всей Европе.
Краун процесс
2-я революция в стекловарении произошла приблизительно в начале II в., когда сирийские мастера изобрели совершенно новую для тех времен технологию производства плоского стекла – краун (crown) или как его в России называли лунный способ. Это идея возникла, возможно, при выдувании больших плоских тарелок. Стекло изготавливались методом выдуванием больших пузырей, которые на следующей стадии отделялись от стеклодувной трубки, и прикреплялась к другой трубке - понтии. После интенсивного вращения на понтии, исходная заготовка под действием центробежных сил утончалась и превращалась в плоский круглый диск (см. рис.). Диаметр этого диска мог достигать 1,5 м. Из него уже после охлаждения вырезали куски стекла квадратной и прямоугольной формы. Центральная часть диска имела утолщение – след от понтии, который назывался «бычьим глазом». Как правило, эта часть диска не использовалась и шла на переплавку, однако, в некоторых средневековых зданиях эти кругляшки до сих пор сохранились (см. рис.).
Эта технология позволяла получать стекло довольно хорошего для тех времен качества, практически без искажений. Неудивительно, что эта технология просуществовала вплоть до середины XIX века. Так, известный всем и один из старейших в мире производителей стекла - английская компания Пилкингтон (Pilkington) полностью прекратил использовать краун процесс только в 1872 г.
Однако существовала и проблема - ограничение по размерам. С помощью краун процесса невозможно было получить стекло большого размера. Поэтому на протяжении многих лет в разных странах Европы осуществлялись попытки усовершенствования этой технологии, что привело к созданию нового метода производства стекла – метода выдувания цилиндров.
Производства оконного стекла цилиндрическим способом
В целом этот метод был очень похож на краун процесс, но при этом стеклодув набирал стекло из горшка в несколько приемов и раздувал заготовку (пульку) в форму цилиндра при постоянном вращении. Для формования цилиндрической формы мастер раскачивал заготовку в специальной прямоугольной яме. После затвердевания заготовки, суженные концы отделяют специальным нагретым крюком. Затем внутри охлажденного цилиндра делают продольный разрез и выправляют в плоские листы в особых “правильных печах”, где цилиндры постепенно разогреваются до размягчения на плоских основаниях их глины и разглаживаются в лист деревянной чуркой, закрепленной на железный стержень. К концу XIX века для выдувания цилиндров стали использовать воздушные насосы, а вскоре появился и метод механического вытягивания цилиндров (см. рис.).
Применение более эффективного метода производства оконного стекла позволил увеличить размер листового стекла и снизить количество отходов стеклянного боя. Так, установленные в 1910 году на одной из английских фабрик Пилкингтон (Pilkington) воздушные машины американского инженера Джона Любберса (John H. Lubbers) позволили получать стеклянные цилиндры длиной до 13 м и диаметром до 1 м.
Производство оконного стекла методом вытягивания из расплава
Уильям Кларк из Питтсбурга первый предложил способ производства листового стекла вытягиванием со свободной поверхности расплав. В 1857 г. он представил английский патент, согласно которому, формование плоского листа осуществляется медленным вертикальным вытягиванием затравки с поверхности расплава. В течение последующих 50 лет старались решить основную проблему – сужение ленты стекла при вытягивании, но все попытки были неудачными.
В 1871 году бельгийский изобретатель Ф.Вэллин (F.Vallin) получил французский патент (№ 91787) на производство оконного стекла механическим вытягиванием стекла. Для непрерывной подачи расплава он предложил систему горшков, которые связаны между собой трубкой, так что стекломасса из одного горшка поступала в другой. В последний большой овальный горшок, который был заключен в трубу, опускалась металлическая пластина (затравка). Формование плоского листа происходило при движении этой пластины вверх. В трубе также располагались по бокам стекла воздушные трубки с отверстиями для охлаждения стекла. Лист стекла поддерживался роликами, покрытыми асбестовой тканью. Вытягивание стекла может происходить в двух направлениях: вертикальном и горизонтальном. В последнем случае предусматривался специальный металлический валок. Вэллин был гениальным изобретателем и предложил практически все основные элементы механического вытягивания, которые в 20 столетии будут применяться во всех способах вытягивания стекла. В то время, когда ванные печи были неизвестны, он представил систему стекловаренных горшков, в которых осветленная стекломасса поступала снизу по трубкам из одного горшка в другой, до основного, из которого происходило вытягивание стекла. Эта система непрерывной подачи расплава стала основой появления ванных стекловаренных печей. В 1890 году Вэллин основал в Гифорсе компанию по производству оконного стекла механическим вытягиванием.
В 1905 году бельгийский инженер Эмиль Фурко (Emile Fourcault) предложил свой способ вертикального вытягивания стекла. При этом старейшем способе (ВВС) используется шамотная лодочка, из щели которой под действием гидростатического давления вытекает постоянный поток стекла. Скорость вытягивание можно регулировать глубиной погружения лодочки. Лента стекла из лодочки поступала в шахтную камеру, где с двух сторон находятся водо-охлаждаемые трубки, и далее по роликам поступала в печь отжига. Для предотвращения сужения ленты по краям ленты были установлены бортоформующие ролики и охлаждаемые трубки. Толщина ленты стекла определялась скоростью вытягивания и температурой в зоне вытяжки («луковицы»). Первые машины Фурко для вытягивания листового стекла были установлены в Бельгии и Чехии в 1913 году. Производительность 11 машин, установленных на одной ванной печи, составляла 250 тонн стекла в день.
Процесс вытягивания стекла позволил производить дешевое оконное стекло с огненно-полированными поверхностями Основной дефект тянутого стекла появляется при формовании (вытягивании) и связан с нарушением плоскостности стекла. Такие нарушения приводят к оптическому эффекту линзы и искажению изображения. Тянутое (машинной выработки) оконное стекло широко применялось в строительстве для остекления окон и теплиц.
Производство оконного стекла методом литья и шлифования
Как уже говорилось выше, и краун процесс и метод выдувания цилиндров, да и метод ВВС имели ряд недостатков, связанных либо с наличием оптических дефектов и искажений, либо с невозможностью получить листы стекла большого размера. Поэтому как альтернатива с начала XIX века в Европе использовался также еще один способ производства методом литья и последующего отжига литого прокатного стекла. В нем горшок с расплавленным стеклом выливался прямо на разливочный стол и прокатывался роликами. Для отжига применялась специальная печь с несколькими рядами полок, позволяющая увеличить загрузочную мощность. Прокатное стекло могло быть изготовлено любого требуемого размера и толщиной 3-6,5 мм. Этим методом изготавливали цветное и бесцветное узорчатое стекло, а также большие листы неполированного оконного стекла. Особой популярностью пользовалось узорчатое цветное стекло для остекления окон в церквях и соборах.
В дальнейшем с появлением потребности в более качественном стекле на финальном этапе стали применять абразивную обработку поверхностей стекла. В то время это был трудоемкий, длительный и многоступенчатый процесс, который включал перемещение горшка с расплавом стекла, отливку и раскатку в лист, отжиг, шлифовку и полировку. Время обработки стекла составляло около 17 часов.
В начале XX века рост автомобильной промышленности стимулировал развитие более эффективных высокопроизводительных методов производства полированного стекла. Одним из пионеров этого метода была также компания Пилкингтон (Pilkington), которая в 1923 году совместно с компанией Форд Моторс разработала и запустила непрерывный процесс производства прокатного стекла. Расплав стекла плавился в ванной печи и через сливное устройство непрерывным потоком проходил через водоохлаждаемые валы и прессовался до заданной толщины. Основная проблема заключалась в получении качественного расплава в ванной печи. В 1925 году этот метод был дополнен машиной для односторонней шлифовки и полировки. Следующим шагом к автоматизации производства была разработка машин для двухсторонней шлифовки и полировки стекла. После долгих экспериментов и трудных сборочных работ первая поточная линия производства полированного стекла была запущена на фабрике Пилкингтон в Донкастере (Великобритания) в 1935 году. Непрерывная лента стекла длиной 300 м двигалась со скоростью 66 м/час и обрабатывалась одновременно с двух сторон огромными плоскими шлифовальными дисками. Введение этой технологии явилось наиболее значительной разработкой в длинной истории производства полированного стекла.
Более дорогое полированное стекло обладало хорошим оптическим качеством, и с успехом использовалось для остекления зданий, витрин, транспорта, изготовления зеркал. Но процесс производства полированного стекла всегда отличался большой энергоемкостью, высокими операционными и капитальными затратами. Отходы стекла при шлифовке и полировке доходили до 20%. Так, например, производственная линия двухстороннего непрерывного шлифования и полировки компании Пилкингтон (Pilkington) в Коули Хилл (Великобритания) в 1944 году, включая стекловаренную печь, лер, станки для шлифовки и полировки растягивалась на более чем 430 м. Современники замечали с гордостью или сожалением, что производственная линия была на 21 м длиннее самого большого в то время океанского лайнера «Queen Mary».
К середине XX века назрела необходимость использования новых более простых и дешевых методов производства высококачественного стекла.
Переход на новые способы производства оконного стекла – флоат-процесс
Заслуга создания революционного способа производства полированного стекла (флоат процесс) принадлежит Сэру Аластару Пилкингтону (Alastair Pilkington).
Лайонел Александр Бетин (Аластар) Пилкингтон родился в 1920 году, после окончания школы в Шерборне поступил в Тринити Колледж в Кембридже, где получил свою первую научную степень в области механики. Во время войны он покинул университет и поступил на службу в Королевскую артиллерию. Участвовал в военных действиях в Греции и на Крите. После освобождения из плена в конце войны, он вернулся в Кембридж для продолжения учебы и решил продолжить карьеру как гражданский инженер. В марте 1947 году он был назначен техническим помощником на фабрике листового стекла Пилкингтон, а через два года выполняет обязанности производственного менеджера на фабрике в Донкастере. В 1952 году Аластар возвращается в Сент-Хеленс, и под его руководством начинаются экспериментальные работы над разработкой флоат процесса. В результате первых экспериментов, он предложил для формования и транспортировки ленты стекла использовать расплав металла. В 1953 году на первой опытной установке был изготовлен образец флоат-стекла (float-glass) шириной 300 мм. В 1955 году на новой экспериментальной установке было получено флоат-стекло шириной 760 мм, и правление Пилкингтон принимает смелое и рискованное решение о строительстве производственной флоат линии (float-line) шириной 2540 мм. Компания надеялась на успех, но в тоже время понимала, что в случае неудачи финансовые потери будут составлять миллионы фунтов. С другой стороны, успешный запуск линии гарантировал значительный и революционный скачок в технологии листового стекла за всю длительную историю производства стекла.
Производственная линия, работающая по флоат-методу, была введена в Коулей Хилле (Великобритания) 6 мая 1957 года. Многие в то время не верили в новый процесс, и говорили, что эта линия не произведет даже 1 m² стекла. Только через 14 месяцев было получено первое качественное флоат-стекло (float-glass) толщиной 6,5 мм, и 20 января 1959 года компания Пилкингтон официально опубликовала пресс-релиз, в котором представила флоат-процесс следующими словами:
«Флоат-процесс является наиболее фундаментальным, революционным и важным достижением в производстве стекла в 20 столетии»
В соответствии с разработанной компанией Пилкингтон (Pilkington) флоат-способом стекломасса из студочного бассейна при температуре 1100°С непрерывной лентой поступает из стекловаренной печи на поверхность расплавленного олова. Лента выдерживается при достаточно высокой температуре для удаления всех дефектов и неровностей на поверхности стекла. Так как поверхность расплавленного металла является идеально ровной поверхностью, то стекло приобретает “огненно-полированную” блестящую поверхность, которая не нуждается в дальнейшей шлифовке и полировке. При проведении экспериментов установлено, что расплавленная стекломасса не растекается бесконечно на поверхности расплавленного олова. Когда силы тяжести и поверхностного натяжения уравновешиваются, лента приобретает равновесную толщину около чуть меньше 7 мм. Для получения ленты стекла различной толщины были созданы методы, основанные на регулировании вязкости стекла в зоне формования и величины растягивающего усилия. Если необходимо получить толщину ленты стекла больше 7 мм, то ее сжимают несмачивающими бортовыми ограничителями.
В начале работе возникла проблема выбора расплавленного металла, который должен находиться в жидком состоянии в пределах температурного интервала от 600 до 1050°С, иметь низкие значения давления паров, а величина плотности должна быть выше, чем стекла. Исследования показали, что всем этим требованиям соответствует олово, которое почти не взаимодействует со стеклом, и является вполне доступным и дешевым продуктом. Но олово при высоких температурах окисляется кислородом с образованием оксидных соединений. Поэтому, чтобы исключить окисление поверхности расплава олова, во флоат-ванне необходимо создавать инертную атмосферу азота с малой добавкой водорода. После формования лента стекла охлаждается до 620°С и транспортируется в печь отжига.
