Стъкло: състав, видове, производство, свойства и приложения

Стъклото е твърд материал, който може да се изработва в различни форми. Обикновено е прозрачно, но може да се изработва и в цветове. Стъклото се състои основно от силициев диоксид; стъклото, направено само от силициев диоксид, се нарича кварцово стъкло.

Стъклото, използвано за изработване на прозорци и бутилки, е специфичен вид, наречен содово-варовиково стъкло, съставен от около 75 % силициев диоксид (SiO2), натриев оксид (Na2O) от натриев карбонат (Na2CO3), калциев оксид, наричан още вар (CaO), и няколко незначителни добавки.

Чрез промяна на пропорциите и добавяне на различни съставки могат да се получат много видове стъкло. Цветното стъкло се получава чрез добавяне на малки количества метални оксиди. Например синият цвят се получава от малки количества кобалтов оксид.

Кристалното стъкло се произвежда чрез добавяне на оловни и цинкови оксиди. Всъщност то не е кристал, защото всяко стъкло е некристално твърдо тяло. Кристалното стъкло се нарича шлифовано стъкло, ако е шлифовано на ръка:

""Рязано стъкло" е стъкло, което е декорирано изцяло на ръка с помощта на въртящи се колела. Прорезите се правят в иначе напълно гладката повърхност на стъклото от работници, които държат и движат парчето срещу различни по размер метални или каменни колела".

Тъй като стъклото се използва за направата на лещи, думата "очила" често означава очила.

Митът, че стъклото всъщност е течност, се дължи на факта, че старите прозорци на къщи и църкви (на 200-300 години) понякога са с малко неправилна форма: по-дебели в долната част, отколкото в горната. Това всъщност се дължи на процеса на производство на стъкло в миналото, в резултат на който стъклото е по-дебело в единия край, отколкото в другия. Разумно е било прозорците да се монтират с дебел ръб в долната част. Понякога може да се намери прозорец с дебел ръб в горната част на прозореца.

Стъклото може да се рециклира отново и отново. Стъклените бутилки и буркани могат лесно да се рециклират, за да се направят нови стъклени бутилки и буркани, или да се използват в промишлеността като агрегат (строителен материал) или пясък.

Състав и химични компоненти

Основната съставка на повечето обикновени стъкла е силициев диоксид (SiO2). При содово-варовиковото стъкло, широко използвано за прозорци и бутилки, типичните съставки и приблизителни дялове са:

• SiO2 (~70–75%)
• Na2O (натриев оксид) — идващ от натриев карбонат
• CaO (калциев оксид — "вар")
• Малки количества Al2O3, MgO и други окиси като стабилизатори и буфери.

Други видове стъкло съдържат допълнителни компоненти: боросиликатното (Pyrex) добавя B2O3 за по-нисък коефициент на термично разширение; кристалното (lead glass) съдържа оловни оксиди, които увеличават плътността и пречупването; цветните стъкла получават оттенъци чрез метални оксиди (например кобалтов оксид за синьо, хром за зелено, мед за бирюзено и т.н.).

Производство и формиране

Производственият процес обичайно включва следните стъпки:

• Сухо смесване (батч): съставките се смесват в прахообразна форма.
• Плавене: сместа се стопява във фурна при високи температури (за обикновено стъкло ~1200–1600 °C), докато стане хомогенна течност.
• Рафиниране: отстраняване на газови мехурчета и примеси.
• Формиране: различни методи за получаване на крайни форми — духане (ръчно или машинно), пресоване, листово изтегляне, процесът "float" за равномерни стъклени плочи, екструзия и др.
• Закаляване и охлаждане (анилиране): бавно охлаждане в леща (lehr) за премахване на вътрешни напрежения; при закаляване повърхността се охладява бързо, за да се постигнат компресионни напрежения и по-голяма якост.

Специални обработки включват химично закаляване (обмен на йони), нанасяне на покрития (антирефлексни, нискоемисийни), ламиниране с полимерни междинни слоеве за безопасност и др.

Видове стъкло

• Содово-варовиково стъкло — най-разпространено, за бутилки и прозорци.
• Боросиликатно стъкло — устойчиво на термични удари (лабораторно и кухненско приборно стъкло).
• Кварцово (силициево) стъкло — висока чистота, използва се в оптика и полупроводникова техника.
• Оловно кристално стъкло — високо пречупване, лесно за шлифоване и декорация.
• Закалено (темперовано) стъкло — повишена якост; при разрушаване се разпада на дребни, по-безопасни парчета.
• Ламинирано стъкло — с междинен пласт (напр. PVB), задържа парчетата при счупване — използва се в автомобилни предни стъкла.
• Оптично стъкло и оптични влакна — високочисто SiO2, често допирано с GeO2 за контрол на пречупването.

Свойства

Стъклото има набор от характерни свойства:

• Оптични: прозрачност в широк спектър, рефракционен индекс зависи от състава (за обикновено стъкло ~1.5).
• Механични: крехко (чупи се предимно поради слаба пластичност), склонно към конхоидален фрактурен модел; закаленото стъкло е значително по-здраво от анлираното.
• Термични: коефициент на термично разширение варира по вид — боросиликатното е с по-нисък коефициент и е по-устойчиво на термичен шок.
• Химични: устойчиво към много химикали, но агресивните флуороводородни кислоти го нападат; повърхността може да се корозира при дълъг контакт с вода, в зависимост от състава.

Обработки и безопасност

За да се подобрят механичните и безопасностни характеристики, стъклото може да бъде:

• Закалено (темперовано) — чрез бързо охлаждане, увеличава се якостта и се променя начина на счупване.
• Ламинирано — слепване с междинен полимер, който задържа осколките.
• Покрито — енергоспестяващи (Low‑E), антирефлексни или защитни покрития за соларни панели и фасади.

Приложения

Стъклото има широк спектър от приложения:

• Стъклопакети и фасади в архитектурата.
• Опаковки — бутилки, буркани.
• Оптични елементи — лещи, микроскопи, телескопи.
• Оптични влакна за телекомуникации.
• Автомобилни стъкла (ламинат и закалено).
• Лабораторни съдове и прибори.
• Изкуство и витражи — декоративни и религиозни приложения.

Рециклиране и екологичен аспект

Стъклото е 100% рециклируемо и може да се топи многократно без значителна загуба на качество. Включването на cullet (счупено стъкло) в производствения батч намалява консумацията на енергия и емисиите, защото понижава температурата и времето за плавене. За ефективно рециклиране често се извършва сортиране по цвят и премахване на чужди материали (корки, метал, керамика).

Популярни митове и исторически бележки

Често срещаната заблуда, че стъклото е "течност", произлиза от наблюдението, че някои старинни стъклени прозорци изглеждат по-дебели в долния край. Това не е резултат от течливост при стайна температура, а от исторически методи на производство и монтаж — поради начина на изработка и обсега на ръчно изтеглени листове стъкло, по-плътната част е била монтирана надолу.

Историческият и художествен аспект е илюстриран от намерените примери за стъкло през вековете (виж изображенията по-горе): римски чаши, прости съдове и сложни витражи в катедрали.

Кратко резюме

Стъклото е многофункционален, некристален (аморфен) материал с богато приложение както в ежедневието, така и в индустрията и науката. Чрез промяна на състава и технологията на обработка се постигат различни свойства и форми — от тънки оптични влакна до масивни архитектурни фасади. Рециклирането и модерните производствени технологии допринасят за по-ефективно и устойчиво използване на този материал.

Въпроси и отговори

В: От какво е направено стъклото?

Въпрос: Как могат да се добавят различни цветове към стъклото?

В: Какво означава терминът "шлифовано стъкло"?

В: Откъде идва митът, че стъклото е течност?

В: За какво често се използват стъклата?

В: Кристалът всъщност кристал ли е?

Търсене по буква