Стъкло

от Уикипедия, свободната енциклопедия

За британския телевизионен сериал вижте Стъкло (филм).

Стъклото, в чистата си форма, е прозрачен, относително здрав, твърд, по същество инертен и биологически неактивен материал, който може да бъде оформен в много гладка непропусклива повърхност. Тези качества водят до множество употреби на стъклото. Стъклото, обаче, е крехко и се чупи на остри парчета. Тези свойства могат да се модифицират или дори да се променят напълно с добавянето на други съставки или чрез топлинна обработка.

Метални добавки в стъклената смес могат да създадат различни цветове. Тук е добавен кобалт за получаването на синьо оцветено декоративно стъкло.

Стъклата са хомогенни аморфни материали, произвеждани обикновено при бързо охлаждане на подходящ разтопен вискозен материал, при което не се оставя време за образуването на подредена кристална решетка. Стъклата могат да бъдат направени от много материали, въпреки че обикновено се използват само няколко вида.

Обикновеното стъкло се състои предимно от аморфен силициев диоксид (SiO₂), химичното съединение, образуващо кварца или, в поликристалинната си форма, пясъка. Чистият кварц има точка на топене около 2000 °C, така че две други съставки се добавят към пясъка при производството на стъкло. Едната е натриев (Na₂CO₃) или калиев карбонат (K₂CO₃), който понижава точката на топене до около 1000 °C. Содата, обаче, прави стъклото водоразтворимо, което явно е нежелателно, така че се добавя трети компонент, вар (калциев оксид, CaO), която възстановява неразтворимостта във вода.

Съдържание

1 Общи сведения
2 История на стъклото
3 Употреба на стъклото
4 Изкуство от стъкло
5 Видове стъкло
6 Тече ли стъклото?
7 Видът на древното стъкло - митът за течащите прозорци на катедралите
8 Вижте още
9 Външни препратки

[редактиране] Общи сведения

Стъклото може да бъде прозрачно и плоско или да има други форми и цветове, като тази топка.

Едно от най-очевидните качества на обикновеното стъкло е, че то е прозрачно за видимата светлина (не всички стъкла са такива). Прозрачността се дължи на липсата на атомни преходни състояния в спектъра на видимата светлина и на факта, че това стъкло е хомогенно във всички мащаби, по-големи от приблизителната дължина на вълната на видимата светлина (нееднородностите предизвикват разсейване на светлината, нарушавайки преминаването на образа). Молекулната структура на обикновеното стъкло не позволява на по-голямата част от светлината с дължина на вълната по-ниска от 400 нанометра (ултравиолетовата светлина), да преминава през него. Това ограничение е неприемливо за някои приложения и са разработени специални видове стъкло, позволяващи преминаването на ултравиолетова светлина.

Стъклото може да бъде произведено толкова чисто, че стотици километри стъкло остават прозрачни за инфрачервени вълни в кабелите с оптични влакна.

Освен содата и варта, повечето обикновени стъкла съдържат и други добавки, изпозвани за изменение на свойствата им. Оловното стъкло е по-блестящо, заради повишения показател на рефракция, а бор се добавя, за да се променят термичните и електрическите свойства, както в Пирекс. Добавянето на барий също повишава показателя на рефракция. Ториевият оксид придава на стъклото много висок показател на рефракция и се използва при производството на висококачествени лещи. Големи количества желязо се добавят в стъкла, абсорбиращи инфрачервената светлина, като топлинни филтри на кинопроектори, а церий се изполва в стъкла, абсорбиращи ултравиолетова светлина (биологически опасна йонизираща радиация).

Метали и метлани оксиди се добавят към стъклото при производството му за промяна на цвета. Манганът се добавя в малки количества, за да премахне зеления отенък, предизвикван от желязото, или в по-висока концентрация, за да придаде на стъклото аметистово оцветяване. Както и манганът, селенът може да се използва в ниски концентрации за обезцветяване на стъклото или в по-високи за придаване на червеникав цвят. Ниски концентрации на кобалт (0,025 до 0,1%) водят до синьо стъкло. Калаен оксид с антимонов и арсенов оксид създават матово бяло стъкло, използвано за пръв път във Венеция за производството на имитация на порцелан. 2 до 3% меден оксид оцветяват стъклото в тюркоазено. Чистата мед създава много тъмно червено матово стъкло, което понякога се използва като заместител на златното рубинено стъкло. Никелът, в зависимост от концентрацията, предизвиква синьо, виолетово и дори черно оцветяване. Добавянето на титан създава жълто-кафяво стъкло. Златото, в много ниски концентрации (около 0,001%), придава на стъклото цвят на рубин, а в още по-малко количество — по-слабонаситен червен цвят, често наричан „боровинков“. Уранът (0,1 до 2,0%) придава на стъклото флуоресцентно жълт или зелен цвят. Радиоактивността на урановото стъкло обикновено не е опасна, но при стриване на прах, например при полиране с шкурка, вдишаният прах може да бъде канцерогенен. Сребърните добавки (особено сребърният нитрат) предизвикват цветове от оранжево-червено до жълто. Начинът на нагряване и охлаждане на стъклото може значително да повлияе на цветовете, предизвиквани от тези добавки. Протичащите химични процеси са сложни и не напълно изяснени. Често се изобретяват нови оцветени стъкла.

Понякога стъклото се получава естествено от вулканична лава. Това стъкло се нарича обсидиан.

[редактиране] История на стъклото

Естествени стъкла, като обсидиана, се използват още през каменната епоха. За първи път производство на стъкло е документирано в Египет около 2000 пр.н.е., когато стъклото за пръв път е използвано като глазура за керамика и други предмети. През 1 век пр.н.е. се появява техниката на духаното стъкло и дотогава крайно редките и ценни предмети стават много по-обичайни. В Римската империя вече се произвеждат много предмети от стъкло, най-вече вази и бутилки. Ранните стъкла са доста зелени, поради железните примеси в пясъка, използван при производството им. По същата причина и съвременните обикновени стъкла имат лек зелен отенък.

Стъклени предмети от 7 и 8 век са открити на остров Торчело, близо до Венеция. Те представляват важна връзка между римската епоха и по-късното значение на града за производството на този материал. Около 1000 в Северна Европа е направено важно техническо нововъведение, когато натриевият карбонат е заменен с много по-достъпен материал, калиевия карбонат, получаван от дървесна пепел. От този момент северното стъкло се различава чувствително от произведеното в Средиземноморието, където натриевият карбонат остава в масова употреба.

През 11 век в Германия се появява нов начин за производство на плоско стъкло. Материалът се издухва в сферична форма, сферите се въртят, за да се получат цилиндри, а те от своя страна се разрязват и все още горещи се изправят в плоска форма. През 13 век тази техника е доведена до съвършенство във Венеция.

До 12 век оцветените стъкла (т.е. стъкла с оцветяващи примеси, обикновено метали) не се използват широко.

От 10 век Венеция се превръща в център на производството на стъкло. Разработени са много нови техники и градът става център на печеливша експортна търговия със съдове за хранене, огледала и други луксозни предмети. Венецианското стъкло е високо ценено между 10 и 14 век, защото венецианците успяват да запазят коронния процес в тайна. Постепенно някои венециански стъклари се преселват в други части на Европа и стъкларството се разпространява заедно с тях.

Коронният процес се използва до средата на 19 век. При него около 4 кг разтопено стъкло се въртят на края на прът, докато се изравнят в диск с диаметър около 1,50 м. След това дискът се нарязва на панели. Около 1688 е разработен метод за изливане на стъклото, което разширява употребата на материала. Изобретяването на стъклената преса през 1827 позволява масовото производство на евтини стъклени предмети. В началото на 20 век Уилям Бленко изобретява цилиндричния метод.

[редактиране] Употреба на стъклото

Тъй като стъклото е здраво и нереактивно, то е много полезен материал. Много предмети от всекидневието се правят от стъкло. Чашите и бутилките често са стъклени, както и електрическите крушки, огледалата, екранните тръби на компютърни монитори и телевизори, прозорците.

В лабораториите, извършващи изследвания в областта на химията, биологията, физиката и много други области, колби, епруветки, лещи и друго лабораторно обзавеждане често са направени от стъкло. За тези цели обикновено се използва боросиликатно стъкло (като Пирекс), заради неговата здравина и нисък коефициент на топлинно разширение, позволяващи по-голяма точност на измерванията при експерименти с нагряване и охлаждане. За приложенията с особено високи изисквания се използва кварцово стъкло, въпреки че то е много трудно за обработка. Повечето такива стъкла се произвеждат масово чрез различни промишлени технологии, но много големи лаборатории се нуждаят от толкова много специфични стъклени предмети, че поддържат собствени стъкларски работилници.

[редактиране] Изкуство от стъкло

Ръчно произведени стъклени висулки показват някои от множеството цветове и форми на изкуството от стъкло.

Въпреки достъпността на масово произвежданото стъкло, ръчното производство остава популярно, заради своите естетически качества. Сред авторите на стъклени обекти са Рене Лалик, Дейл Чихъли и Луис Комфорт Тифани. Терминът кристално стъкло (от името на планинския кристал) означава висококачествено безцветно стъкло, често съдържащо олово, и понякога се използва за фино ръчно стъкло.

Съществуват множество техники за създаване на изящно изкуство от стъкло. Всяка от тях е подходяща за определен вид предмети. Освен обработката на горещо стъкло, то може да се реже с диамантен нож и да се полира в блестящи начупени повърхности.

Изкуството от цветно стъкло има дълга история. Много средновековни църкви имат красиви цветни стъклописи.

Предметите от стъкло включват съдове (чаши, вази и други), топчета, мъниста, лули и скулптури. Често се използва цветно стъкло, а понякога стъклото се боядисва, макар че много стъклари считат това за примитивно. Важно изключение е колекцията от предмети на Блашка.

Харвардският музей по естествена история притежава колекция от изключително подробни модели на цветя, направени от рисувано стъкло. Те са произведени ръчно от чешките стъклари Леополд Блашка и неговият син Рудолф, които отнасят тайната на начина за създаването им в гроба си. Стъклените цветя на Блашка са вдъхновение за много днешни стъклари.

[редактиране] Видове стъкло

[редактиране] Плаващо стъкло

90% от плоското стъкло в света се произвежда чрез технологията на плаващото стъкло, изобретена от сър Алистър Пилкингтън от Pilkington Glass. При нея разтопеното стъкло се излива в единия край на вана с разтопен калай. Стъклото се стича по калая и се подравнява, създавайки плоска повърхност от двете страни. Стъклото бавно се охлажда и втвърдява, докато преминава по разтопения калай, след което излиза от ваната като непрекъсната лента. След това стъклото се полира. Завършеният продукт има почти идеално успоредни повърхности.

Стъклото се произвежда в стандартни дебелини от 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 19 и 22 мм.

Плаващото стъкло представлява опасност при определени приложения, защото се чупи на големи назъбени парчета, които могат да предизвикат сериозни наранявания. Много строителни нормативи по света ограничават употребата на плаващо сткъло на места с висок риск от счупване и наранявания, като бани, врати и малки височини в училищата.

[редактиране] Равнинно стъкло

Преди изобретението на Пилкингтън плоското стъкло обикновено се произвежда чрез екструдиране или валцоване. Повърхностите не са оптически успоредни, което предизвиква изкривявания на образа. Оптически успоредни повърхности са постигане чрез механично полиране, което значително оскъпява продуктите.

[редактиране] Цилиндрично стъкло

Това е друг популярен метод за производство на плоско стъкло преди въвеждането на метода на Пилкингтън. Стъклото се издухва в кух цилиндър, краищата му се отрязват и той се разцепва по дължина. След това се нагрява отново и цилиндърът се разгъва в равна повърхност. Това е първият метод за производство на плоско стъкло, затова стъклата са били с малки размери. След това са известни и други методи - преди технологията на плаващото стъкло, като: Фурко, Питсбърг, Асахи и др.

[редактиране] Закалено стъкло

Закаленото (или темперирано) стъкло се произвежда чрез топлинна обработка на плаващо стъкло. Стъклото се разрязва до необходимия размер и всички обработки (като полиране на ръбовете или пробиване на отвори) се извършват преди закаляването. Стъклото се поставя в пещ, която го нагрява над точката на закаляване от 600 °C. След това стъклото бързо се охлажда с въздух. Това създава натискови напрежения по повърхността на стъклото, уравновесени от опънни напрежения в дълбочина. Схемата на охлаждане може да се види при наблюдение на стъклото с поляризирана светлина. Закаленото стъкло обикновено има якост, шест пъти по-висока от тази на обикновеното стъкло.

От друга страна закаленото стъкло има и недостатъци. Поради вътрешните напрежения всяка повреда по ръбовете на стъклото предизвиква начупване на дребни парчета. Това е причината то да бъде рязано преди закаляването и да не може да бъде обработвано след това. Освен това повърхността на закаленото стъкло е по-мека от тази на обикновеното и е по-податлива на надраскване.

Закаленото стъкло обикновено се използва в елементи без рамки (например като врати без рамки) и за конструктивни цели. Закаленото стъкло се счита за по-малко рисково от обикновеното, поради по-високата си якост и факта, че се чупи на малки заоблени парчета, които е по-слабо вероятно да предизвикат наранявания.

[редактиране] Ламинирано стъкло

Ламинираното стъкло е изобретено през 1903 от френския химик Едуар Бенедиктюс. Вдъхновен от стъклена епруветка, покрита с пласт целулозен нитрат поради лабораторна небрежност, която, изпусната се чупи, но не се разпада на парчета, той създава стъклено-пластмасов композит, за да намали нараняванията при автомобилни произшествия. Новият материал не е възприет веднага от производителите на автомобили и първото му широко приложение е в производството на противогази през Първата световна война.

Днес ламинираното стъкло се произвежда чрез свързване на два или повече слоя обикновено плаващо стъкло с пластмасов вътрешен слой, обикновено от поливинил бутарил (PVB). PVB се поставя между стъклата, които след това се нагряват до около 70 °C и преминават през валцоване, за да се извадят остатъците от въздух и да се създаде първоначална връзка.

Типична схема на ламинирано стъкло е 3 мм стъкло / 0,38 мм междинен слой / 3 мм стъкло. Това дава краен продукт, означаван като ламинирано стъкло 6,38.

Междинният слой задържа двата пласта стъкло, свързани дори след счупването им, и високата му якост предотвратява начупването на стъклото на големи остри парчета. Повече слоеве и по-дебело стъкло добълнително увеличават здравината. Бронираните стъклени панели, направени от дебело стъкло и няколко междинни слоя могат да достигнат до 50 мм дебелина.

Друго свойство на PVB е, че подобрява звукоизолиращите свойства на стъклото чрез демпферния ефект и освен това спира 99% от преминаващата ултравиолетова светлина.

Ламинираното стъкло се използва обикновено при повишен риск от наранявания. Типично приложение на ламинирани стъкла са витрините на магазини и прозорците на автомобили.

[редактиране] Самопочистващо се стъкло

Едно скорошно изобретение, отново на Pilkington Glass, е така нареченото самопочистващо се стъкло, предназначено за строителството, автомобилостроенето и други области. 50-нанометрово покритие от титанов оксид по външната страна на стъклото създава два механизма, по които стъклото се самопочиства. Първият е фотокатализиращия ефект, при който ултравиолетовите лъчи катализират разпадането на органичните съединения по повърхността. Вторият е хидрофилизиращият ефект, при който водата формира тънък слой, отмиващ разрушените органични съединения.

[редактиране] Тече ли стъклото?

Разпространено заблуждение е, че стъклото е свръхохладена течност с почти безкраен вискозитет при стайна температура, и като такава - тече, макар и много бавно. Стъклото е прието да се разглежда, по-скоро като аморфен твърд материал, отколкото като течност, макар и различни гледни точки да са оправдани, доколкото еднозначното характеризиране на стъклото като "твърдо" или "течно" не е толкова лесно [1]. Въпреки това, схващането, че стъклото тече и това е видимо в рамките на дълъг период от време, не е подкрепено от емпирични доказателства или теоритични анализи.

Съществува митът, че стъклени пръчки или цилиндри се огъват под собственото си тегло с времето. За да провери това, през 1920-те години, Робърт Джон Рейлей, син на нобеловия лауреат лорд Джон Уилям Рейлей (Нобелова награда за физика, 1904), провел експеримент с еднометров стъклен прът с дебелина 5 мм, който бил поставен хоризонтално с 300 грамова тежест в средата. Извън първоначалното огъване от 28 милиметра при поставянето на установката, позицията на теглилката в средата не се преместила въобще в рамките на наблюдението, което продължило 7 години. По това време друг човек, работник в Дженеръл Илектрик на име К. Д. Спенсър, провел подобен експеримент независимо от първия. Два месеца след Рейлей, той публикувал резултатите си, които също опровергават мита. Спенсър предположил, че митът се е създал преди 20-те години (1920), когато подобни цилиндри и пръти са се правели ръчно и естествено, някои от тях са били изкривени поначало.

[редактиране] Видът на древното стъкло - митът за течащите прозорци на катедралите

Наблюдението, че стъклата на много стари прозорци са по-дебели в долния им край, отколкото в горния, често се сочи в подкрепа на твърдението, че стъклото тече. При това схващане се приема, че стъклото е било с равномерна дебелина, но е "изтекло" в новата си форма.

Най-вероятното обяснение за горното, е че когато стъклените плоскости са били правени ръчно, от стъклодухачи, използваната техника е била да се завърта разтопеното стъкло, така че да се получи кръгла, относително равна повърхност (коронния процес, описан по-горе). От така получените плоскости впоследствие се изрязвали стъклата за прозорците. Стъклата, обаче, не били абсолютно равни - краищата на диска са се получавали по-дебели, поради центробежните сили. При влагането на стъклата в рамката на прозорец, стъклото се е поставяло с дебелия край надолу, от съображения за устойчивост и естетичен вид. Случва се да се намират прозорци с такива стъкла поставени с тънката страна надолу по невнимание.

Въпросът за течността на стъклото е широко обсъждан в alt.folklore.urban и общото мнение там, подкрепено с цитати на експерти по стъклото, е, че при стайна температура то не тече. От друга страна, стъклото, както и кристалните материали, пълзи при натоварване. Освен това при някои приложения, като някои лабораторни термометри, стъклото се нагрява над преходната температура, при която то наистина става свръхохладена течност. Това може да доведе до промяна в калибрирането на термометрите след дългогодишна употреба.

Още няколко свидетелства срещу теорията за "течното стъкло":

Ако средновековното стъкло е забележимо деформирано поради течене, древноримското и древноегипетското трябва да е деформирано пропорционално - т.е. още повече. Това не се наблюдава.
Ако стъклото тече със скорост, позволяваща промените да се видят с просто око след векове, промените в огледалата на оптичните телескопи трябва да могат да се видят чрез интерферометрия след дни. Това също не се наблюдава.
Също така не би трябвало да се виждат нютоновите пръстени между фрагменти на прозорци на възраст само десетина години, но това става лесно.