Стекло – древнейший материал, оттого и досконально изученный и не раз модифицированный. Классификаций стекла несколько: по цвету, химическому составу, виду, способу изготовления… словом, не повезет тому студенту-химику, которому на экзамене выпадет «стеклянный» билет.
Разобраться во всех видах стекла непрофессионалу и правда очень трудно – слишком много нюансов, классификаций и групп. Но есть общие моменты, которые помогут ориентироваться в стеклянном мире. Любое стекло – это в первую очередь химический материал, соединение разных веществ, принявших твердую форму. Для этого сначала создается шихта – смесь компонентов. На заводе ее очищают от примесей и отправляют в печь, температура в которой достигает +2500 °C. Если такую печь отключить, то остывать она будет 6–7 суток. Из нее стекломасса попадает в камеру, где охлаждается до 1000 °C (слово «охлаждается» тут даже немного иронично). Затем ее помещают в печь для обжига, которая в длину достигает сотни метров. Стекло движется по ленте и остывает до температуры 250 °C. После его нарезают, получая на выходе готовые стеклянные листы. А вот каким именно они станут стеклом, зависит от того, что будет в сырой шихте, – об этом дальше.
Заварочный чайник, двери, очки, вазы, бутылки с лимонадом – мы сталкиваемся со стеклом каждый день. В основном мы имеем дело с силикатными стеклами – в их основе лежит кремнезем. Это кристаллы, которые есть почти во всех горных породах, – например, кварц, аметист, агат, опал и другие. Чаще всего как основной компонент стекла используют кварц, то есть обычный песок. Тот самый, который мы привыкли видеть на пляже или детских площадках. На самом деле он абсолютно прозрачный, но из-за преломления света песчинки (кристаллы кварца) обретают цвет. Рецепт чистого кварцевого стекла прост – это однокомпонентный материал, в составе которого только плавленый кварц. При этом песок должен быть без примесей – чем он чище, тем прозрачнее получится стекло. Пройдя весь путь от плавления до застывания, сырье становится стеклом. У него высокий коэффициент светопропускания, около 92 % – то есть оно максимально прозрачное. Кроме того, кварцевое стекло (как и все силикатные) имеет высокую прочность и термическую стойкость, и его не пугают перепады температур. Толщина может быть любой и зависит от производителя – от 1 мм до 1 см. Благодаря свойствам кварцевого стекла его используют при изготовлении вещей, которые попадают в разные температуры: например, баллонов галогенных ламп или лабораторной посуды. А также в оптоволокне, оптических приборах, изоляторах, при оформлении стеллажей и прилавков и т. д.
Разумеется, освоив производство стекла, люди начали подмешивать в шихту разные вещества. В составе других силикатных стекол компонентов больше, стандартная формула выглядит так: кремнезем + оксиды щелочных металлов + известь. Так, например, получилось боросиликатное стекло (пирекс) – схема та же, только в сырье добавляют большое количество (12–13 %) оксида бора. Благодаря этому достигается высокая термостойкость, из-за чего стекло еще называют термоустойчивым – оно не трескается при резких перепадах температуры и спокойно выдерживает от –80 до +525 °С. Так что чашку или стакан из боросиликатного стекла можно прямо с кипятком внутри ставить в холодильник (или наоборот – достать чашку из морозилки и налить в нее кипяток). Поэтому боросиликатное стекло особенно популярно в изготовлении посуды и емкостей для запекания. Еще одно преимущество пирекса – устойчивость к разным химическим веществам: кислотам, солям, щелочам и большинству органических соединений. Поэтому боросиликатное стекло более популярно при изготовлении лабораторных емкостей, оптики, хирургических инструментов.
Еще одна известная группа силикатного стекла – хрусталь. Здесь уже в качестве кремнезема выступает горный хрусталь, к которому добавляют не менее 24 % окиси свинца. Благодаря этой примеси увеличивается показатель преломления, что придает стеклу типичное сверкание. Также свинец увеличивает пластичность материала, что помогает при его обработке: огранке, гравировке, шлифовке и резьбе. Из хрустального стекла делают высококачественную посуду и декоративные вещицы. Оно блестит, переливается и издает музыкальный звон, из-за чего и приобрело репутацию парадного, торжественного стекла.
В начале XX века Эдуарду Бенедиктусу удалось создать сверхстекло: триплекс. Это два или более слоя силикатных стекол, склеенные между собой полимерной пленкой. Наверняка вы видели, как в случае аварии лобовое стекло машины не разбивается, а трескается, становясь похожим на паутину. Это и была цель изобретателя: спасти людей от острых осколков. Триплекс очень прочный и устойчив к сильным ударам, его применяют в остеклении транспортных средств (автомобили, поезда, метро, суда), фасадов зданий, бронетехники. В 2018 году после нападения вандала на картину Репина «Иван Грозный и сын его Иван» в Третьяковке защитное остекление всех экспонатов заменили на триплекс. До этого картины находились под обычным стеклом, и шедевр оказался серьезно поврежден осколками.
Пластмассовый мир победил: оргстекло
В заключение стоит рассказать об альтернативе силикатным стеклам. Синтетическое, акрил, оргстекло, пластиковое – все это разные названия стекла, которое делают не из природных силикатов, а из синтетических материалов. Стеклом его зовут только по внешнему сходству – по сути это обычный пластик из акриловой кислоты. Отсюда название «акриловое», а приставка «орг» связана со способом производства: он основан на методах органической химии.
Пластиковое стекло менее термоустойчиво, и максимальная температура его эксплуатации – всего 80 °C. Для повседневных задач, конечно, хватит, но это значительная разница с кварцевым или боросиликатным стеклом. Акрил может «размягчиться» при 100 °C, легко воспламеняется, и его проще поцарапать. Зато он намного легче силикатного (в 2,5 раза), обладает той же прозрачностью и степенью светопропускания, и у него меньшая температура плавления (160 °C). Оргстекло также можно сделать цветным, матовым или тонированным. Основной предпосылкой для его разработки когда-то стали потребности авиации: в 1930-е годы необходимы были материалы, пригодные для полетов на большой высоте. Сейчас, кроме самолетов, такое стекло применяют в машиностроении, при остеклении яхт и аквариумов.
Помимо популярных видов стекла, есть и другие, узкого назначения: например, фотохромные, термохромные и атермальные стекла, темнеющие на свету, часто используются в очках, пористое стекло – в медицине, а прозрачная броня незаменима в защите людей и военной техники. Но это уже сфера деятельности узких специалистов.Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
