Основы процессов производства и обработки стекла
4.1.Технологическая схема производства стекла
Технологический процесс производства стекла состоит из многих стадий, каждая из которых является важной и вытекает из предыдущей. Исключение или нарушение хода любой из них не позволяет получить годное изделие.
Начинается производство стекла всегда с подготовки сырьевых материалов (дробления, просева, сушки) получения из них шихты порошкообразной смеси этих материалов. Все сырьевые материалы, применяющиеся в производстве стекла делятся на основные – компоненты занимающие не менее 85 масс. % состава стекла (песок, сода, доломит, известняк, поташ и др.) и вспомогательные – красители (оксиды переходных металлов, соли, металлы), глушители (соединения цинка и фтора), осветлители (сульфаты, оксиды мышьяка и сурьмы) и каталитические добавки. От точности дозировки каждого компонента и однородности их перемешивания зависит качество получаемого стекла. Далее следует загрузка шихты в стекловаренную печь. В настоящее время подавляющее большинство промышленных стекол в мире получают на базе пятикомпонентной системы SiO2 – Al2O3 – СаО – МgО – Nа2О, разработанной в первой половине XX века выдающимся ученым в области стекла И. И. Китайгородским.
Следующий технлогический этап – варка стекла – является сложным физико-химическим процессом, на который влияет множество различных факторов. В процессе варки из порошкообразной шихты надо получить расплавленную однородную стекломaссy, свободную от кристаллических (камни) и газовых (пузыри) включений. Процесс варки разделяется на пять стадий: силикато – и стеклообразование, осветление, гомогенизация и студка. Стекловаренные печи, используемые в настоящее время, могут быть двух видов: ванные и горшковые. Последние представляют собой обогреваемые камеры, в которых находятся огнеупорные емкости – горшки, в которых происходит варка стекла. Горшковые печи малопроизводительны, но в них можно получать стекло очень высокого качества. Именно их, а также ванные печи небольшой производительности используют для варки сортовых и художественных стекол. при массовом производстве листового стекла и тары нужны большие ванные печи, способные давать до 600 тонн высококачественной стекломассы в сутки.
После окончания варки начинается формование изделий из псевдотекучей или вязкой стекломассы. Здесь проявляются уникальные способности стекла, которому можно придавать форму различными способами: вытягиванием, прессованием, прокатом и выдуванием (рис. 3.1.). Каждый из них используется для изготовления определенного вида изделий, имеет свои преимущества и недостатки и определяется, кроме всего прочего, длиной стекла.
Стеклянные изделия после формования необходимо отжигать. Дело в том, что при переходе из вязкого в твердое хрупкое состояние в стекле возникают напряжения. Если этот переход произвести быстро или неравномерно, то внутренние напряжения окажутся столь высоки, что при ведут к разрушению изделия. Отжиг (плавный, медленный переход стекла в хрупкое состояние) не позволяет возникнуть существенным напряжениям. После отжига в руках мастера оказывается изделие готовое к эксплуатации, механической обработке или другому способу декорирования.
Стекло в дизайне
На протяжении не одного тысячелетия стекло служит людям, но возможности его использования далеко не исчерпаны. И если зарождалось оно как новый материал для изготовления украшений и единичных бытовых изделий, то постепенно к XVI веку становится материалом для массового производства изделий бытового назначения, а развитие механизированного производства изделий из стекла превратило его в один из самых жизненно необходимых материалов.
Применение листового стекла в строительстве не ограничивается оконными проемами, поражающими разнообразием форм, размеров и типов используемых стекол. Благодаря появлению новых видов пленок для декорирования больших поверхностей, обладающих упрочняющими окрашивающими, отражающими, теплосберегающими и другими свойствами, стекло становится равноценным конструкционным материалом, позволяющим увеличить площадь остекления бытовых и промышленных зданий. Кроме того, с увеличением производства полированного стекла толщиной более 10 мм появились стеклянные двери и лестницы и внутренние перегородки.
Новые перспективы улучшения аэродинамических характеристик открылись у конструкторов и производителей транспортных средств, благодаря совершенствованию конструкций печей моллирования, позволяющих получать лобовые стекла практически любых профилей и размеров. Еще одна относительно молодая группа моллированных изделий из стекла – предметы санитарной техники.
И уж совсем экзотическим кажется сообщение, полученное из Японии об изобретении небьющейся стеклянной скрипки, аналогов которой нет во всем мире. По форме она такая же, как и обычные инструменты, имеет 4 струны и практически не отличается по звучанию. Ноу-хау изготовителей состоит в том, что за исключением струн, скрипка полностью изготовлена из прозрачного стекла. Инструмент немного тяжелее деревянного, но разбить его практически невозможно. На создание новинки потрачено около 50 тысяч долларов, однако авторы уверяют, что последующие экземпляры обойдутся дешевле.
Однако и привычные области использования стекла обретают новое звучание. Трудно себе представить современную кухню без электрической или микроволновой печи, которые не могут полноценно функционировать без термостойкой стеклянной посуды. И очень трудно конкурировать в гигиеничности и удобстве использования электрических плит с прозрачной термостойкой стеклокристаллической электрической панелью.
Стекло, как декоративный элемент эксклюзивной мебели (остекление дверц шкафов, полочки и т. п.), известно примерно с конца XVII столетия. Сегодня оно становится равноправным партнером металлических и деревянных конструкций, выполняя одновременно и декоративные функции. Полки, столешницы, перегородки, комнатные фонтаны и даже стулья из бесцветного стекла, декорированного одним или несколькими способами придают неповторимый колорит и офисному и домашнему интерьеру.
Говорят, что все новое это хорошо забытое старое. Это высказывание можно с полным правом отнести к возвращению в современный интерьер витража и мозаики, несмотря на то, что в технике их исполнения мало что изменилось за прошедшие годы. Интерес к витражу связан не только с расширением ассортимента выпускаемых цветных стекол. Поистине трудно представить себе оттенок стекла, которого нет в арсенале современного художника. Не менее разнообразны краски для стекла – наряду с традиционными высокотемпературными поражают разнообразием цветов и способов нанесения краски на полимерной основе. И хотя получаемые с их помощью «псевдовитражи» менее долговечны, они успешно завоевывают свое место в современном интерьере.
Мозаичные панно и картины всегда были и будут художественными изделиями, однако первоначальное использование цветных стеклянных смальт для отделки стен и полов помещений известно с глубокой древности. Сегодня современная стеклянная мозаика, пытается и зачастую успешно конкурировать с керамикой в отделке стен и полов кухонь, бассейнов, ванных и туалетных комнат.
Многообразие изделий из стекла в современном мире таково, что обо всех рассказать невозможно. Благодаря механизации и совершенствованию многих способов холодного декорирования качество стеклянной бытовой посуды поднимается до уровня художественных изделий. В этом кратком обзоре стеклоизделий не представлен обширный класс технических стекол, начиная с поражающих величиной телеэкранов, заканчивая тончайшими нитями волоконнооптических линий связи, благодаря которым XXI век стал веком информационных технологий.
Но есть еще одна группа бытовых изделий из стекла, умолчать о которых невозможно. Безусловно, это зеркала. История стеклянного зеркала уходит в древние времена на границе старой и новой эры, когда научились варить пристойное по качеству бесцветное стекло и, для придания ему отражающей способности, подкладывали металлическую фольгу. Долгие годы, даже когда венецианцы наладили его массовое производство, зеркало оставалось предметом роскоши. И, тем не менее, до появления качественного флоат-стекла невозможно было себе представить такого количества зеркального стекла в интерьере. Его смело сочетают с другими видами стекол, добиваясь совершенно неожиданных эффектов.
Декорирование стеклоизделий
В арсенале современного массового производства сортового и художественного стекла есть полностью механизированные приемы декорирования, такие как нанесение оксидно-металлических покрытий, штампов, деколей. Но все же большинство известных способов декорирования осуществляются руками человека, как и изготовления изделий с помощью ручного выдувания (графинов, кувшинов, ваз и т. п.).
Существующие способы декорирования стекла можно разделить на горячие и холодные, имея в виду, что изделиям после горячего декорирования необходим отжиг, в отличие от изделий декорированных холодным способом. Горячее декорирование появилось раньше, чем холодное, поскольку долгое время изделия производили не из жидкой, а из пластичной стекломассы и формировали, применяя многократный разогрев. К основным способам горячего декорирования относят: наклад, филигрань, миллефиори, фактурные и рифленые поверхности, воздушные пузыри и разнообразные горячие покрытия.
Полный наклад возможен при использовании следующих способов формования: выдувания изделий из сортового стекла и вытягивания двуцветного листового. При ручном изготовлении сортовой посуды используют разные виды наклада – полный, частичный, разграниченный, использование цветового пятна и цветовых переходов, декорирование стеклянной крошкой, нитью и готовыми декоративными элементами. Первой стадией ручного формования всегда является набор стекла необходимой массы на стеклодувную трубку (пулька) и изготовление из нее заготовки будущего изделия (баночки). Если в распоряжении мастера в печи находятся несколько видов цветных стекол, многоцветное изделие изготавливают последовательным набором разных стекол на стеклодувную трубку и последующим выдуванием – свободным или в форму. Но чаще варят бесцветное сортовое стекло, а для получения нужного цвета используют специальные заранее сделанные заготовки из цветного стекла (воронки, цапфы, крошку, нить, цветные декоративные изделия и т. п.). В этом случае обязательной стадией является разогрев цветной заготовки перед ее соприкосновением с пулькой или баночкой бесцветного стекла. Несомненно, высочайшее качество филигранных изделий изготовленных венецианскими мастерами служит критерием мастерства и нынешним поколениям художников. Для получения таких изделий делались специальные заготовки из стержней бесцветного и молочного (иногда цветного) стекол, которые в пластичном состоянии соединяли друг с другом, а затем вытягивали. Варьируя способы соединения, вытягивания и толщину стержней получали так называемую венецианскую нить в виде заготовок толщиной не более 0,5 – 0,6 см разнообразнейших форм и рисунков. Затем заготовки в необходимых количествах вертикально устанавливали в подготовленные формы, туда опускали баночку из бесцветного стекла, раздували таким образом, чтобы стержни прилипли к ее поверхности. Окончательное оформление изделия, как правило, осуществляли свободным выдуванием (рис. 4.2.)
Не менее интересны и изделия миллефиори, далеким прообразом которых были египетские чаши муррины, в изготовлении которых венецианцы достигли непокоренных и доныне другими мастерами высот. В отличие от венецианской нити заготовки для миллефиори делались из разноцветных стекол. Для этого цветные стержни, подобранные в соответствии с определенным рисунком, связывали вместе металлической проволокой, разогревали до полного сплавления и затем вытягивали до необходимого диаметра (диаметр заготовок миллефиори может быть разным и зависит от замысла художника, но, как правило, не превышает 0,5 см). После этого заготовку отжигали и с помощью специального приспособления – гильотины – откалывали от нее пластинки толщиной 3,0 – 4,0 мм, являющиеся точной уменьшенной копией первоначального рисунка. С помощью таких заготовок производят изделия из мозаичного стекла, украшенные сложнейшими рисунками из цветов, птиц, рыб, зверей, букв и даже портретов. Нанесение пластинок миллефиори на заготовку из основного стекла по технике ничем не отличается от нанесения обычной стеклянной крошки. Пластинки миллефиори в необходимом порядке укладывают на катальник, подогреваются и затем по ним прокатывают подготовленную заготовку будущего изделия. В соответствии с замыслом автора, до окончательного выдувания на заготовку может быть произведен набор еще одного слоя стекла и тогда рисунок окажется не на поверхности готового изделия, а в толще стекла.
Фактурирование поверхности стекла подразумевает придание ей определенного рельефа. Наиболее простой способ получения рельефной поверхности изделия – формование методами прессования или центробежного литья с использованием соответствующих форм успешно применяются в производстве изделий массового спроса. При формовании изделий методом выдувания рельеф можно получить при помощи предварительного раздувания заготовки в проволочный каркас или форму с соответствующим рельефом (волна, ямки, выпуклости и т. д.), который сохраняется после окончательного выдувания. Очень интересный способ получения рельефной поверхности, требующий от мастера высокой квалификации – тихое дутье, которое производится в разборную форму сложной конфигурации. И, конечно, «кракле». Как же овладели секретами стекла венецианцы, что научились придавая изделиям вид растрескавшегося стекла получать декоративный эффект удивительной красоты! Для получения такой поверхности раздутую баночку опускали в воду, мгновенно вынимали, делали новый набор стекломассы (или опускали в подходящую заготовку и раздували в ней), а затем окончательно выдували изделие (рис. 4.3.). Своего рода фактурирование поверхности происходит при декорировании цветной крошкой, навивании цветной нити, прикреплении готовых рельефных фрагментов (листиков, цветочков и т. д.).
Воздушные пузыри в толще стекла всегда завораживают. В случае декорирования воздушными пузырями мастер-стеклодел решает задачу противоположную основной задаче стекловара, который множество ухищрений тратит на то, чтобы избавиться от пузыря. Для получения равномерно распределенных в толще стекла пузырей на поверхности горячей заготовки распределяют газообразователь (карбид бора, соду, карбонат кальция), который разлагается при соприкосновении со слоем стекломассы второго набора. Одновременно с процессом дальнейшего выдувания изделия раздуваются воздушные пузыри между слоями стекла. Их размеры, количество и расположение зависят от размеров частиц, количества и вида газообразователя. Неоднократным повторением этой процедуры можно получить трех- и четырехслойное пузырчатое стекло. Равномерно расположенные декоративные пузыри получают при раздувании заготовок в специальные деревянные или металлические формы-машинки с шипами на внутренней поверхности, или проволочную форму для получения волны. При повторном наборе стекла в образованных углублениях остается воздух. Знаменитое атласное стекло тоже получают с помощью воздушных пузырей в сочетании со слоем цветного или молочно – белого глушенного стекла.
Нанесение на поверхность стекла серебряного покрытия, придающего ему металлический блеск, в свое время решило проблему стеклянных зеркал. Их основными недостатками были отсутствие прочного сцепления со стеклянной поверхностью и необходимость защиты серебра от взаимодействия с внешней средой. Высокотемпературные оксидно-металлические покрытия для получения поверхности с металлическим или радужным блеском (ирризация поверхности) лишены этих недостатков, поскольку образуются при разложении солей тяжелых металлов в камере печи в области температур 600 – 700°С и химическому взаимодействию горячей поверхности стекла с образовавшимся оксидом.
На самом деле приведенная классификация весьма условна и не раскрывает всех возможностей горячего декорирования стекла, которые подвластны мастеру в момент творения нового изделия.
Холодному декорированию подвергают отформованные изделия после отжига, т. е. после окончания основного производственного цикла. В производстве листового стекла доведение его до изделия называют неблагозвучным термином промпереработка, но основные методы, использованные в том и в другом случае для обработки поверхности, совпадают. Существует разделение методов обработки поверхности на механические и химические. К механическим методам обработки относятся: резка, сверление отверстий, резьба, гранение, шлифование, полирование, гравирование матирование, к химическим – матирование, полирование, металлизация.
Механическая обработка поверхности стекла производится с помощью абразивных материалов, твердость которых выше твердости стекла и основана на частичном разрушении слоя стекла с которым соприкасается инструмент. Наибольший интерес для производства сортовых и художественных изделий представляют резьба, гранение и гравирование. Задача всех этих способов в создании рельефа, усиливающего блеск хрустальных изделий, цветовых переходов у изделий из накладного стекла, рельефных картин из прозрачной и матированной поверхностей. Традиционно все они широко применяются при изготовлении изделий из хрусталя, поскольку ни одно другое стекло не сравниться с ним по игре и блеску. Существует огромное количество рисунков резьбы и алмазной грани (алмазной и потому, что в качестве абразива используют алмазную крошку и потому, что первоначально стекло обрабатывали под огранку алмазов и других драгоценных камней) и не меньшее – количество приспособлений для их нанесения. Меняя угол заточки инструмента, мастер может, как усилить, так и уменьшить блеск стекла в соответствии с изменением угла падающего на грань света. Различают простую, номерную и художественную резьбу. Простую резьбу, без смены абразивного инструмента, можно производить на автоматических станках с программным управлением, где движение резца контролирует компьютер, номерную и художественную состоящую из множества не повторяющихся элементов выполняет мастер совместно с художником.
по сравнению с гранением и резьбой гравирование более трудоемкий и длительный процесс. Различают рельефное, когда детали изображения выступают на поверхности стекла и контр рельефное, когда они наоборот утоплены в толщу стекла, гравирование. Для получения гравированной поверхности необходимого качества используют медные диски и суспензию из абразивного порошка, малые абразивные круги и бормашины. Рисунок наносят на стекло с внутренней или внешней стороны. Гравирование, так же как и резьба, и гранение может быть матовыми и полированными. Для получения блестящей поверхности применяют полировальные порошки и диски или используют химическое полирование.
Химическая обработка стекла позволяет получать практически те же декоративные эффекты, которые дают полирование и пескоструйная обработка, с помощью обработки поверхности стекла плавиковой кислотой (или ее смеси с серной) и ее солями. Сущность процесса заключается во взаимодействии раствора плавиковой кислоты с оксидом кремния, имеющимся в стекле с образованием растворимых соединений и их удалении с поверхности стекла. В зависимости от составов стекла и травильного раствора, продолжительности обработки, температуры и количества травильного раствора можно получить матовую или блестящую поверхность изделия. При прочих равных условиях, если взять избыток раствора изделие получиться полированным, если недостаток – матовым. Химическое полирование широко применяется в производстве сортовых и хрустальных изделий. Для проведения химической обработки пользуются травильными ваннами из пластиков, не подвергающихся воздействию плавиковой кислоты или из металлических сплавов, поверхность которых защищена теми же пластиками. Более удобно использование специальных матирующих паст, поскольку их можно наносить только на те части изделия, которые нужно матировать. При использовании ванн, части изделия, которые должны остаться прозрачными защищают специальными покрытиями. Наиболее эффектно выглядит глубокое травление на изделиях накладного стекла, поскольку многократное протравливание разных участков рисунка с разной скоростью позволяет получать более тонкие цветовые переходы, чем при механическом матировании. Этот способ, называемый глубоким художественным травлением, носит имя впервые применивших его в 1878 г. французских художников братьев Галле.
Видов применяющихся сегодня низкотемпературных покрытиях на стекло имеется огромное количество. Если еще 50 лет назад стекольщики имели дело с металлизацией поверхности с помощью вакуумного напыления, 30 лет назад к нему добавилось стекло «мороз», получаемое с помощью столярного клея, то бурное развитие химии полимеров привело к формированию огромного количества лаковых, пленочных и других видов декоративных покрытий. Сегодняшние деколи поражают своим качеством, разнообразием и простотой применения. Сочетание компьютерной и полимерной технологии позволяют в условиях кустарных мастерских получать качественные «картинки» на поверхности стекла без использования высокотемпературных силикатных красок.
И еще один холодный способ получения стеклянных изделий, когда не нужно думать о сочетании термических, механических и других свойствах стекла, а можно целиком полагаться на собственную фантазию и возможности – ультрафиолетовая склейка. Эти клеи не оставляют следов и не влияют на показатель преломления, прочность склейки сравнима с прочностью самого стекла и не зависит от видов склеиваемых стекол.
Заключение
Художественное стекло не ограничивается посудой и декоративными изделиями, служащими для украшения помещений. Сегодня как никогда актуальна стеклянная скульптура, полученная моллированием в форме цветного или бесцветного стекла. огромный интерес вызывают плоские картины, выполненные спеканием бесцветного стекла с одним или несколькими слоями цветного, так называемый фьюзинг. Техника изготовления витражей за свою многовековую историю не претерпела больших изменений, но приобрела опыт в применении в одном изделии стекол, декорированных горячими и холодными способами. А наибольших высот стеклоделы достигли в подражании природным материалам, поскольку подчас установить, из какого материала изготовлено украшение – стекла или натурального камня под силу только специалистам. Ни слова не было сказано о стеклянных светильниках, а их «…тьмы и тьмы и тьмы», особенно с появлением таких новых источников света как галогеновые лампы и светодиоды. ни слова не было сказано о живописи по стеклу традиционными силикатными красками, новыми полимерными и с помощью лазерного луча. Неисчерпаемо стекло, и кто знает, какие его тайны откроются сегодняшним мастерам стеклоделам.