Разработка проекта и проведение исследования прочности стекла на прогиб

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшее профессиональное образование

Бирская государственная социально-педагогическая академия

Кафедра теории и методики профессионального образования

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Разработка проекта и проведение исследования прочности стекла на прогиб

Выполнил студент IV курса

Факультета ТиП

Сальников А.И.

Руководитель ст. преподаватель:

Баланюк Н.А.

Бирск 2008

Введение.

Глава 1: Стекло, его производство и свойства.

1.1. История возникновения стеклоделия.

1.2. Различные технологии изготовления стекла.

1.3. Виды стекла.

1.4. Различные свойства и характеристики стекол.

Глава 2: Разработка и изготовление установки для проверки стекла на прогиб.

2.1. Описание установки для проверки стекла на прогиб.

2.2. Исследование различных видов стекла на прогиб.

2.3. Выводы по исследованиям.

Заключение.

Список литературы.

Введение

Естественное стекло известно человеку с древнейших времён - это наконечники стрел, ножи и т. п., изготовленные первобытным человеком из природного вулканического стекла (обсидиана).

Возникновение стеклоделия связано, по-видимому, с развитием гончарного производства. Получение стекла сперва было, вероятно, случайным. Примером такой возможности является образование стекла в результате расплавления золы при пожаре зернохранилищ.

При некоторых достижениях древнего стеклоделия техника его была примитивна и переживала период застоя. Высоких температур получать не умели, плавку стекла вели в небольших глиняных тигельках, стекло получалось не проваренным, часто непрозрачным и в очень малых количествах.

Изготовление стекла считалось прежде большим искусством. Дошел рассказ, что во времена римского императора Тиберия (42 г. до н. э.) некто открыл небьющееся стекло. Тиберий приказал казнить этого человека, чтобы его открытие не привело к обесцениванию стекла. Сегодня изобретатели, работающие в области стеклянной индустрии, могут не опасаться подобной участи. Напротив, все усилия сводятся к тому, чтобы сделать стекло насколько возможно дешевле.

Главная составляющая стекол -- диоксид кремния, или кремнезем, --SiO₂. В наиболее чистом виде он представлен в природе белым кварцевым песком. Диоксид кремния кристаллизуется при переходе от расплава к твердому состоянию сравнительно постепенно. Кварцевый расплав можно охладить ниже его температуры затвердения, и он при этом не станет твердым. Существует немало и других жидкостей и растворов, которые также можно переохладить. Но только кварц поддается переохлаждению настолько, что теряет способность к образованию кристаллов. Диоксид кремния остается тогда «свободным от кристаллов», то есть «жидкообразным».

Актуальность данной темы заключается в возможности применения обычного четырех миллиметрового стекла при производстве полок для корпусной мебели в домашних условиях.

Объектом работы является изучение стекольной промышленности с использованием учебно-методической и научной литературы.

Предметом работы является проектирование установки, с помощью которой будет измерен прогиб стекла.

Целью работы является изготовление установки статической нагрузки стекла. Основной целью технологического образования является формирование технологической культуры, предполагающей овладение системой методов и средств преобразовательной деятельности по созданию материальных и духовных ценностей. Она предусматривает планирование и организацию трудового процесса и его грамотного оснащения; овладение основами творческой деятельности, выполнения проектов. В этом процессе немаловажную роль играют наглядные пособия.

Задачами данной работы являются:

1. изучить историю развития стеклоделия в России и мире.

2. изучить разновидности стекла.

3. изучить технологии изготовления различных видов стекла.

4. изучить различные свойства и характеристики стекла.

5. разработать и изготовить установку проверки прочности стекла на прогиб.

Методы работы для выполнения поставленных задач:

1. анализ научно-методической литературы по стеклоделию, химии, сопротивления материалов.

2. применение логических приемов сравнения, анализа, синтеза, абстрагирования и обобщения для построения дедуктивных и индуктивных умозаключений, представленных в изложении данной работы.

Гипотеза данной работы: возможность применения четырех миллиметрового стекла при изготовлении полок для корпусной мебели в домашних условиях.

Новизна данной темы заключается в том, что она освещает возможности применения оконного стекла не только по прямому назначению, но и в домашних условиях при изготовлении корпусной мебели.

Глава 1: Стекло, его производство и свойства.

1.1. История возникновения стеклоделия.

Производство стекла в Древнем Египте началось около 3000 лет до н. э. Из стекла делались различные украшения, амулеты. Цилиндр из светло-голубого стекла прекрасного качества, найденный в Тель-Асмаре, близ Багдада, сделан в середине 3-го тысячелетия до н. э.

Во времена Птолемеев (4--1 вв. до н. э.) в Египте существовало относительно развитое стекольное производство. Египет оставался центром стеклоделия вплоть до нашей эры; его стеклянные изделия вывозились во многие другие страны. Стеклоделие было развито также в странах Ближнего Востока, в частности в Сирии и Финикии, а также в Причерноморье. Кроме рядовой продукции, здесь изготовлялись богатые уникальные изделия, украшенные эмалью и золотом. С древних времён стекло было известно в Китае (5--3 вв. до н. э.). В источниках 5 в. говорится об умении китайцев изготовлять стекло пяти цветов.

Примерно за 1200 лет до н. э. уже была известна техника прессования стекла в открытых формах. Этим способом изготовлялись вазы, чаши, блюда, кубки, цветные мозаичные украшения.

Переворот в технологии стеклоделия был вызван на рубеже нашей эры изобретением метода выдувания полых стеклянных изделий. Тогда стали уверенно получать прозрачное стекло, выплавлять его сразу в значительных количествах.

Открытие способа выдувания стекла положило начало второму большому периоду развития стеклоделия, продолжавшемуся до конца 19--начала 20 вв. и характеризующемуся на всём своём протяжении единством технологических приёмов, не претерпевших за это время принципиальных изменений.

Первыми овладели методом выдувания стеклянных изделий мастера Древнего Рима. В римское время стекло было впервые использовано в качестве оконного материала. После падения Западной Римской империи (конец 5 в.) центр стеклоделия перемещается в Византию, где, в частности, быстро развивается особый вид художественного производства -- выплавка цветного непрозрачного стекла (смальты) для смальтовой мозаики, сменившей в раннем средневековье античную каменную мозаику.

На Руси стеклоделие было значительно развито в домонгольский период. В Киеве, в слоях 11--13 вв., раскопками вскрыты большие стекольные мастерские. Такая мастерская была обнаружена и при раскопках в Костроме. С 11 в. на Руси развилось производство смальты для монументальных мозаик. Монголо-татарское нашествие прервало стекольное производство на Руси, которое возобновилось только в 17 в. В средние века мозаика из смальты создавалась в ряде центров Грузии.

В странах Западной Европы в средние века развивается искусство витража -- картин или орнаментальных композиций из цветного стекла. Фигурно вырезанные стекла скреплялись свинцовыми перемычками и вставлялись в оконные проёмы зданий.

Ведущая роль Византии в развитии стеклоделия сохраняется до 13 в., когда главным центром производства стекла в Европе становится Венеция. Художественное стеклоделие получает здесь интенсивное развитие и достигает подъёма в 15--16 вв. Венецианские мастера изготовляют разнообразнейшие по форме и технике декоративные сосуды из топкого или окрашенного стекла, туалетные зеркала, ставшие тогда удивительной новостью, бисер, бусы и другие художественные стеклянные изделия, пользовавшиеся широчайшей известностью.

В 16 в., после открытия Америки, широко развивается промышленность в странах Западной Европы. Здесь строятся стекольные предприятия, ведущую роль в которых составляют беглые венецианские мастера, соблазнившие огромными заработками. 1612 во Флоренции была издана книга А. Пери, которую можно считать первым научным трудом в области стеклоделия. В ней даны сведения об использовании окисей свинца и бора, а также окиси мышьяка как осветляющего стекло реагента, составы цветных стекол и прочее. Книга эта сделалась надолго руководством по технологии получения стекла.

В 1615 в Англии предлагается способ использования угля в качестве топлива для стекловаренных печей. Это даёт возможность получать при высоких температурах тугоплавкое и термостойкое стекла. В 70-х годах 17 века в Англии был предложен состав стекла с окисью свинца, что повысило показатель светопреломления. Это стекло, отличающееся блеском и радужной игрой, получило распространение и в других странах. Со второй половины 17 в. первенство по производству художественного стекла в Европе переходит к Чехии, где начали изготовлять толстостенные сосуды из стекла со значительным содержанием кальция. По своей бесцветности и чистоте это стекло напоминало горный хрусталь. Большая толщина стенок изделий позволяла производить особенно глубокую огранку, и в таком виде это стекло, известное под названием богемского хрусталя, получило широчайшую известность.

Стекло в России

Что же касается истории стеклоделия, то можно отметить, что Россия занимает в этом деле далеко не последние позиции. Стекло здесь стали изготавливать в 9-10 вв., то есть намного раньше, чем в Америке и ведущих странах Европы. Одна из причин этого - промышленный подъем во время царствования Петра 1. Одновременно наблюдается и повышение спроса на продукцию из стекла. Причем уже существовавшие в то время стекольные заводы (а это Духанский, Измайловский, Черноголовский - довольно-таки мощные по тем меркам заводы) не могли удовлетворить этот спрос, а импорт стекла был достаточно дорогим и, соответственно, нецелесообразным с экономической точки зрения. Ведущий экономист того времени писал по данному поводу: "Да привозят к нам стеклянную посуду, чтоб нам, купив, разбить и бросить. И нам если заводов пять-шесть построить, то мы все их государства стеклянной посудою наполнить можем и "стеклянную посуду можно нам к ним возить, а не им к нам". Таким образом, тема стекольного производства была актуальна уже 250 лет назад. Причем ассортимент был достаточно широким. Взять, к примеру, Ямбургский завод. Даже в 1722 году там производили не только посуду бытового назначения, но и чернильницы, лампады, карманные фляги... На современном этапе развития производства, стеклоделие не потеряло своей актуальности и практической значимости. современное оборудование позволяет производить продукцию более высокого качества, различной конфигурации, с минимальными издержками. Ассортимент стеклянных изделий теперь и не перечислить! Заводы-стеклоизготовители получают сверхприбыли, реализуя свою продукцию. Наиболее известны в нашей стране ЗАО КЦ "Элвис", охватывающий 4 завода: Иванищевский, Тасинский, Золотковский и им. Воровского, Производственное предприятие "Интер-АРТ XXI" г. Тверь, ООО "Опытный стекольный завод" Гусь-Хрустальный. Они достойно конкурируют с такими гигантами-производителями стекла, как стекольные заводы "KAVALIER" Чехии, Итальянская фирма "Carlo Giannini".

На Руси новый этап развития стеклоделия начинается с 17 в., когда близ Можайска был построен в 1635г. шведом Елисеем Коэтом первый в России стекольный завод. Важнейшую роль в дальнейшем развитии стеклоделия в России сыграл государственный стекольный завод, заложенный Петром I в первые годы 18 века на Воробьевых горах под Москвой и к середине 18 в. переведённый в Петербург. Завод этот стал образцом для всех других стекольных предприятий страны, подлинной школой для русских мастеров стекольного дела и лабораторией освоения новой техники.

Среди твердых веществ неорганического происхождения (камень, металл) стекло занимает особое место. Строго говоря, отдельные свойства стекла сближают его с жидкостью. Большинство веществ в твердом и жидком состоянии ведут себя по-разному. Проще всего понаблюдать за водой и льдом. Вода находится в капельно-жидком виде. Ровно при 0°С чистая вода начинает кристаллизоваться. Температура затвердения сохраняется нулевой, пока вся вода не превратится в лед. Даже в Заполярье при морозе -- 50° С вода подо льдом сохраняет температуру 0°С. Только когда исчезнет вся вода, лед можно охлаждать дальше. Лед как твердое тело имеет кристаллическую структуру. Внутри его маленьких участков, кристаллов, мы обнаруживаем отчетливую симметрию. Эта симметрия распознается на рентгеновских снимках (рентгенограммах).   Другое дело стекло. В нем не найти кристаллов. Не существует в нем и резкого перехода при какой-то определенной температуре от жидкого состояния к твердому (или обратно). Расплавленное стекло (стекломасса) в большом интервале температур остается твердым. Если мы примем вязкость воды за 1, то вязкость расплавленного стекла при 1400°С составляет 13 500. Если охладить стекло до 1000°С, оно станет тягучим и в 2 млн. раз более вязким, чем вода. (Например, нагруженная стеклянная трубка или лист со временем прогибаются.) При еще более низкой температуре стекло превращается в жидкость с бесконечно высокой вязкостью.

Главная составляющая стекол -- диоксид кремния, или кремнезем, --SiO₂. В наиболее чистом виде он представлен в природе белым кварцевым песком. Диоксид кремния кристаллизуется при переходе от расплава к твердому состоянию сравнительно постепенно. Кварцевый расплав можно охладить ниже его температуры затвердения, и он при этом не станет твердым. Существует немало и других жидкостей и растворов, которые также можно переохладить. Но только кварц поддается переохлаждению настолько, что теряет способность к образованию кристаллов. Диоксид кремния остается тогда «свободным от кристаллов», то есть «жидкообразным».

Перерабатывать чистый кварц было бы слишком дорого, прежде всего из-за его сравнительно высокой температуры плавления. Поэтому технические стекла содержат лишь от 50 до 80% диоксида кремния. Для понижения точки плавления в состав таких стекол вводятся добавки оксида натрия, глинозема и извести. Получения определенных свойств достигают добавками еще некоторых химических веществ. Знаменитое свинцовое стекло, которое тщательно шлифуется при изготовлении чаш или ваз, обязано своим блеском присутствию в нем около 18% свинца.

Стекло для зеркал содержит преимущественно дешевые компоненты, снижающие температуру плавления. В больших ваннах (как называют их стекловары), вмещающих более 1000 т стекла, сначала расплавляют легкоплавкие вещества. Расплавленная сода и другие химические вещества растворяют кварц (как вода поваренную соль). Таким простым средством удается перевести диоксид кремния в жидкое состояние уже при температуре около 1000°С (хотя в чистом виде он начинает плавиться лишь при гораздо более высоких температурах). К большой досаде стекловаров из стекломассы выделяются газы. При 1000°С расплав еще слишком вязок для свободного выхода газовых пузырьков. Для дегазации его следует довести до температуры 1400--1600°С. Столь высоких температур достигают в так называемых регенеративных стекловаренных печах, изобретенных в 1856 г. Фридрихом Сименсом. В них отработанные газы подогревают камеры предварительного нагрева, облицованные огнеупорными материалами. Как только эти камеры достаточно раскалятся, в них подают горючие газы и необходимый для их сгорания воздух. Возникающие при горении газы равномерно перемешивают расплавленное стекло, иначе перемешать тысячу тонн вязкого расплава было бы далеко не просто.

Современная стекловаренная печь -- это печь непрерывного действия. С одной стороны в нее подаются исходные вещества, которые благодаря легкому наклону пода движутся, постепенно превращаясь в расплавленное стекло, к противоположной стороне (расстояние между стенками печи около 50 м). Там точно отмеренная порция готового стекла поступает на охлаждаемые валки. На всю длину сто-метрового участка охлаждения тянется стеклянная лента шириной в несколько метров. В конце этого участка машины режут ее на листы нужного формата и размера для зеркал или оконного стекла.

Сегодня листовое стекло движется по конвейеру, где на его поверхность последовательно наносится из пульверизаторов раствор соли серебра и восстановитель, который осаждает из раствора чистое серебро в тонко-дисперсной (коллоидальной) форме; после этого на тонкий слой серебра наносится слой меди, защищающий пленку серебра, и в заключение оба металла покрываются лаком. Конвейерная лента движется со скоростью около 2,5 м/мин. Месячная продукция такого агрегата около 40 000 м² зеркала.

Толщина стекла	Предельные отклонения для
	листового стекла	узорчатого стекла
3	0,2	0,5
4	0,2	0,5
5	0,2	0,5
6	0,2	0,5
7	0,3	0,5
8	0,3	+0,8/-0,5
10	0,4	1,0
12	0,4	-
15	0,5	-
19	1,0	-
25	1,0	-
Примечание: Граничные толщины стекол (например: 3,5 мм) следует относить к наименьшему номинальному значению (т.е. 3,0 мм).
Толщина стекла, мм	Допускаемые отклонения от плоскостности, %, не более
	Для стекла без покрытия	Для стекла с покрытием
3-5	0,3	0,4
6-25	0,2	0,3
Толщина стекла, мм	Допускаемые отклонения от плоскостности, %, не более
	Для стекла без покрытия	Для стекла с покрытием
3-5	0,3	0,4
6-25	0,2	0,3

Справочные значения расчетного сопротивления стекла на растяжение при изгибе: листового - 120 МПа, узорчатого - 90 МПа.

1.2. Различные технологии изготовления стекла.

Рассматривая процесс изготовления стеклянных изделий в совокупности, можно выделить несколько составляющих этапов, а именно: обработка сырья, приготовление шихты, варка стекломассы, формирование изделий, отжиг изделий, первичная и последующая декоративная обработка.

Обработка сырья включает очищение глины, песка и других составляющих стекла от нежелательных примесей. Также применяется на данном этапе измельчение компонентов и их просеивание.

Шихта - это смесь материалов в сухом виде, включает в себя точное взвешивание компонентов согласно определенному рецепту, их перемешивание до полной однородности. Далее проводится изготовление прогрессивными методами брикетов и гранул из шихты; шихта по-прежнему должна сохранять свою однородность для ускорения процесса варки. Варку полученной стекломассы из шихты осуществляют в специальных ваннах и горшковых печах при максимальной температуре 1450-1550°С.

Варка характеризуется протеканием в ней сложных химических процессов с образованием, а также последующим плавлением синдикатов и свободного кремнезема. После варки полученную стекломассу необходимо очистить от газовых включений. Для этого используют осветлители. далее стекломассу перемешивают, добиваясь однородности состава и равномерности вязкости. при нарушении процесса варки возможны дефекты, проявляющиеся в образовании различных включений: газовых (пузырь. мошка), кристаллических (камни), стекловидных (свиль, шлир). Возможно также возникновение нежелательного оттенка стекломассы.

Процесс формирования изделий может варьироваться. Можно понизить температуру стекломассы - понизится вязкость, можно повысить поверхностное натяжение стекла - поверхность изделия будет более гладкой и блестящей. Всё зависит от конфигурации самого изделия, его толщины, окраски. Для формирования изделий пользуются ручным и свободным выдуванием, механизированным выдуванием, прессованием, прессовыдуванием, многостадийным методом, моллированием (гнутьем), центробежной формовкой.

Что же касается механизированного выдувания на автоматах (ВС-24, Р-24, ВМ-16, Р-28, ВР-24 и др.), то здесь имеется возможность получать только бесцветные изделия, с простыми конфигурациями и очертаниями, например, стаканы.

Далее следует процесс прессования полученных изделий, он осуществляется на автоматических металлических прессах с использованием давления сердечника. Изделия могут быть как цветными, так и бесцветными. Формы также могут быть самыми разнообразными. Толщина стенки составляет более 3 мм, на стенках видны швы, оставшиеся после соединения составных частей, на изделиях применяют рельефный узор, который придает некоторое разнообразие изделиям. Причем при прессовании используют различные автоматы в зависимости от того, какой результат должен быть в конечном итоге при изготовлении рюмочных изделий - это автомат "интергласс", при изготовлении графинов и других, более фигурных изделий применяют автоматы Г-28, ПМВ, ЛАМ-2 и др. Для придания объема изделие выдувают, дно изделия прессуют и сваривают с основной частью изделия, но и в этом процессе возможны различные дефекты - ассиметричность различных частей изделия, мелкие царапины, вдавливания и пр. При наличии таких дефектов неизбежно саморазрушение изделия, для повышения прочности здесь используют отжиг изделия при температуре 530-550 С. Отжиг является обязательным. т.к. он обеспечивает целостную прочность изделия.

Технология изготовления флоат-стекла и его модификации

В соответствии с технологией изготовления флоат-стекла расплавленная стеклянная масса при температуре примерно 1000 (С) выливается на поверхность расплавленного блока, по которой она растекается и плавает за счет разности в плотностях. Это обеспечивает совершенно гладкую поверхность как верхнему, так и нижнему слою стекла. По мере продвижения стекла вдоль ванны с обовом ее температура уменьшается с 1000(С) до 600(С) и стекло постепенно затвердевает. Толщина стекла определяется скоростью движения потока стекла по бассейну, и может варьироваться от 1 до 25 мм. Затем стеклянная лента попадает на движущиеся ролики и проходит через длинный охлаждающий туннель, где происходит дальнейшее снижение температуры, после чего стекло режется. Ширина стеклянной ленты около 3,5 м, включая края, где расположены зубчатые колеса, двигающие стекло. Хотя длина и лимитируется, флоат-стекло покидает конвейер с размерами 3,2 на 6 м (таковым является максимальный размер стекла для его транспортировки). Такая линия имеет около 400 м в длину.

Основные этапы производства флоат-стекла на ультрасовременных заводах во всем мире таковы:

* Доставка материалов

Материалы для производства из стекла доставляются кораблями, по железной дороге или при помощи автомобильного транспорта в количестве 180 000 тонн в год, по 600 тонн в день, после чего доставленное сырье помещается на склады и проверяется в лаборатории на чистоту и качество.

* Смешивание

Кварцевый песок, сода, доломит и другое сырье на этом этапе взвешиваются и смешиваются согласно установленным точным пропорциям. После этого в шихту добавляется примерно 20% битого стекла для улучшения процесса плавления.

* Плавление

Огромная печь имеет размеры 60 метров в длину и 30 метров в ширину. Шихта загружается с передней стороны печи. С каждой из боковых сторон имеет 23 очага горения природного газа. Потоки пламени расположены горизонтально и плавят шихту при температуре 1550°С. Имеется три массивных рекуператора тепла, в которых холодный входящий воздух, который нужен для окисления, предварительно нагревается, что уменьшает потребление энергии примерно на 30%.

* Очистка

После плавления стекло должно выпустить пузырьки газа. Это происходит при охлаждении стекла до температуры примерно 1200°С, при этом стекло приобретает правильную вязкость (подобно меду) для процесса формовки.

* Рециркуляция уходящих газов

Образующиеся при изготовлении стекла газы имеют очень высокую температуру т давление, поэтому их направляют через котел К на газовую турбину Т, которая связана с генераторами, вырабатывающими электроэнергию. Таким образом вырабатывается две трети от потребностей завода в электроэнергии. После этого газы поступают в башню реакции Р, где из продуктов горения удаляются окислы серы, затем они пропускаются через специальный электрофильтр и модуль удаления вредных веществ, только после чего через трубу выбрасываются в атмосферу.

* Формовка

В ванне из расплавленного олова стекло формируется в непрерывную стеклянную ленту, движущуюся по поверхности олова. Толщина и ширина стеклянной ленты контролируется специальными роликами, которые скользят по верхней поверхности мягкого стекла. При свободном течении толщина стеклянной ленты составляет около 6 мм. Для получения боле тонкого стекла ролики вращают в сторону движения стеклянной массы, а для получения более толстого - в противоположную сторону.

* Охлаждение

В тоннеле охлаждения, который имеет длину около 100 м, стекло охлаждается с 600°С до 60°С. Медленный и контролируемый процесс охлаждения гарантирует, что стекло испытывает минимальные и равномерные внутренние напряжения, а это обеспечивает прочность и легкую порезку стекла.

* Контроль качества

Стеклянная лента на конвейере невольно и автоматически подвергается контролю качества. Лазерный луч проверяет непрерывность стекла, наличие трещин и других механических повреждений. Постоянно контролируется толщина стекла и наличие на нем дефектов (пузырьков, содовых пятен и других “неприятностей”). Обнаруженные дефектные участки запоминаются, на участке резки отбраковываются и идут в стеклобой. Для проверки оптического качества и других характеристик с производственной линии постоянно отбираются образцы для лабораторного исследования и новых разработок.

* Резка стекла

На этом этапе из непрерывной стеклянной ленты нарезаются куски разной длины. Закаленное металлическое колесо со скоростью, определяемой компьютером, режет стеклянную ленту по длине. Кроме того, стекло подрезается по ширине для удаления следов от роликов. Тут же подрезаются и отбракованные ранее участки, которые идут на изготовление стекла. Стандартный размер получаемого стекла - 3,2 на 6 метров. В отдельной машине для резки стекло нарезается до других заказанных клиентом размеров.

* Товарный склад

На товарном складе обычно имеется огромный запас примерно в 10 000 тонн стекла. Как правило. Оно представлено во всех стандартных размерах и в различной толщине.

* Отгрузка

Конечная продукция отправляется клиентам с помощью специального автомобильного транспорта или по железной дороге.

Технологии изготовления витражей

Обладая богатым прошлым (древнейшая мозаика из небольших пластинок цветного стекла датируется 1 в. до н.э.), витражи и по сей день составляют неотъемлемую часть изысканного интерьера, придавая ему неповторимую индивидуальность. С течением времени простейшая наборная мозаика усовершенствовалась в сложнейшие композиции. Современные материалы наряду с передовыми технологиями производства дают неограниченные возможности в дизайне самых различных витражей, от подвесных витражных потолков до абстрактных композиции из хрусталя.

При создании витражей используются различные методы, однако к каждому отдельному заказу мы подходим индивидуально, поскольку каждый витраж уникален и может требовать комбинирования нескольких технологий.

Техника Тиффани

Подавляющее большинство современных витражей исполнено по методу Тиффани. Эта технология позволяет создавать композиции, включающие мельчайшие детали. Принцип ее состоит в том, что шлифованные торцы стекол оборачиваются медной самоклеющейся фольгой, затем фрагменты витража раскладываются на кальке в соответствии с эскизом и спаиваются между собой оловянным припоем. Обычно готовый витраж покрывается патиной. За счет использования большого количества мелких деталей, такие витражи отличаются более тонким и изящным рисунком, им можно придать выпуклую или вогнутую формы (объемные витражи изготовляются именно по технике Тиффани).

Впервые подобным образом сборку осуществил американский художник и дизайнер Луи Камфорт Тиффани (1848-1933). Именно он инициировал массовое производство изделий из художественного стекла. Сам Тиффани оклеивал торцы стеклянных фрагментов тонкими полосками свинца, а затем спаивал их.

Фьюзинг

Новшеством в современном дизайне интерьеров является фьюзинг (спекание) стекла. Технология фьюзинг позволяет исключить использование металлического профиля. Рисунок составляют на отдельном листе стекла, накладывая на него цветные кусочки, стеклянные гранулы, а затем все спекают в печи в единый слой. Чтобы избежать проявления трещин, используются лишь серии стекол, заведомо спаиваемые между собой, а толщина спекаемого «пирога» обычно не превышает 3 слоев. В зависимости от желаемого эффекта цветные пятна смешиваются, или их контуры остаются четкими; слои растекаются полностью или нет; создается специальная фактура и разнообразный рельеф. В данной технологии любое усложнение процесса требует предварительных проб, что отражается на времени создания витража.

Детали декора, изготовленные методом фьюзинга, неизменно оригинальны и разнообразны в применении: их можно вставлять в готовый витраж или использовать в качестве отдельных элементов интерьера (в настенных светильниках, дверях, потолочных межкомнатных перегородках, плафонах, зеркалах, панно, и т.д.).

Другие технологии изготовления витражей

Классическая технология изготовления витража предполагает набор из кусочков стекла, скрепленных металлической протяжкой. Протяжка может быть свинцовой, латунной, мельхиоровой, медной, реже бронзовой. Самый древний из существующих, классический свинцовый паяный витраж в наше время заменен на латунный. Используются латунные профили различных сечений: Н-образный между стеклами и П-образный по периметру. Профили спаиваются и патинируются.

Классический витраж способен объединить крупные фрагменты стекла, что позволяет создавать витражи практически неограниченных размеров.

Фацетный витраж (от франц. facet- грань) исполняется из предварительно ограненных секций стекла. Для получения широкой фаски требуется стекло толщиной от 4 мм. Собирается фацетное стекло обычно в прочные латунные профили (классическая технология) или спаивается в технике Тиффани. Грани «играют» при преломлении света, а золотистый оттенок латунной оправы придает всей композиции чрезвычайно привлекательный вид. Дополнительно стекло может быть матировано, к примеру, путем пескоструйной обработки.

Техника пескоструйной гравировки заключается в обработке стекла специальным аппаратом, подающим под давлением кварцевый песок (или другой абразив) на нужный участок. Таким методом можно придать стеклу шероховатость и матовость, а также создавать сложные рельефные композиции. В комбинации с трафаретом и специальными защитными покрытиями, можно создавать самые причудливые композиции: матовые на прозрачном фоне, прозрачные на матовом.

Витраж с росписью по стеклу являются одним из наиболее трудоемких. Художественная роспись выполняется специальными силикатными красками с дальнейшим закреплением рисунка путем обжига. После обжига стеклянной картины краски спекаются со стеклом, составляя единое целое. Такой рисунок невосприимчив к выгоранию и выглядит крайне живописно.

1.3. Виды стекла

Оконное полированное

Полированное оконное стекло (так же известное под названием флоат-стекло) сегодня самое распространенное из различных типов листового оконного стекла. Свое второе название «флоат-стекло» оно получила из-за названия метода, которым и происходит его изготовление, - флоат-метод. Во время производства расплавленное стекло поступает из печи выплавки в виде ленты, охлаждающейся и обрабатывающейся в большом сосуде, наполненным расплавленным оловом. Полученным методом стекло отличается отличной ровностью и отсутствием различных дефектов. Так же весомым плюсом является, что стекло будет иметь постоянную толщину.

Оконное неполированное

Неполированное стекло сегодня маловостребовано в связи с качествами, намного уступающими полированному стеклу. В частности это такие дефекты, как волны, рябь и прочие не приятные для глаза дефекты. Возникновение этих дефектов вызвано способом приготовления данного типа стекла: используется метод вертикальной «вытяжки».

Стоит отметить, что неоднородности, сопровождающиеся микротрещинами, появившимися во время приготовления стекла на его поверхностях, снижают прочность числа в 90-100 раз. И поэтому, мы вам рекомендуем задуматься: стоит ли получить кроме выгоды за покупку данного стекла еще и проблемы, которые обязательно из-за него возникнут?

Узорчатое

Узорчатое стекло, имеющие и второе название - рифленое, применяется для остекления окон, дверных проемов, перегородок, витражей, в быту и в промышленности - там, где необходимо рассеять световой поток. Цены на данный вид стекла очень сильно варьируются: отечественные производители предлагают 1 кв. метр по цене от 120 рублей до 600 рублей. На изменение цены очень сильно влияет толщина, качество и покупаемая партия. Но не стоит надеяться найти стекло хорошего качества по низкой цене, не зря при выборе стекла существует только одно правило: для качественного остекления - дорогое стекло.

Цвет и рисунок поверхности узорчатого стекла должен соответствовать утвержденным эталонам. Глубина рельефных линий - от 0,5 до 1,5 мм.

Светопропускание бесцветных узорчатых стекол составляет 75-80%. У цветных узорчатых стекол определяется составом, цветом стекла и покрытий и составляет обычно 30-60%.

Многослойное

Многослойное стекло (или ламинированное стекло) состоит, как следует из его названия, из нескольких слоев, удерживаемых между собой при помощи пленки или ламинирующей жидкости. Слои могут быть выполнены как из одного типа, так и из различных. Помимо этого слои могут быть прямые или гнутые в соответствии с заданной формой. Несколько слоев применяется специально для увеличения прочности стекла: оно сможет защитить от проникновения взломщиков через окна, без проблем защитит человека от огня и некоторых техногенных происшествий. Многослойное стекло - одно из составляющих частей изолирующих стеклопакетов. Ламинирование не служит для увеличения прочности стекла, его основная функция предотвратить разлетание осколков в разные стороны, путем воздействия эластичной пленки. Так же стоит отметить, что многослойное стекло хорошо защищает от ультрафиолетовых лучей, что замедляет процесс выцветания мебели.

Армированное

Армированное стекло - стекло с применением металлической сеткой внутри, призванной сделать листовое стекло более прочным и пожаростойким. Под действием высокой температуры при пожаре стекло может треснуть, но это не вызовет его рассыпания - арматура продолжит удерживать части стекла на их прежних местах. Армированное стекло применяется при остеклении окон, световых фонарей, перегородок в производственных, общественных и жилых зданиях, для устройства балконных ограждений. Данный вид стекла не имеет большой механической прочности при сравнение с обычным стеклом, оно даже уступает обычному стеклу в 1, раза, но наличие арматуры препятствует выпадению осколков из переплетов при механическом повреждении. Сторона квадратной ячейки может варьироваться от 12,5 мм до 25 мм. Сетка располагается по всей площади листа и находится на расстоянии 1,5 мм от поверхности стекла.

Закаленное

Стекло, создаваемое при применении различных химических реакций, призванных повысить прочность к ударам и перепадам температуры. Как правило закаленное стекло прочнее обычного в 5-7 раз и при разбиение не образует множество длинных и прочных осколков с острыми клиновидными кромками, а образует многочисленное количество мелких остатков с притупленными краями. Отделкой закаленного стекла подвергаются витражи, витрины, душевые комнаты, балконы, автобусные остановки. Также из закаленного стекла изготавливают различные предметы интерьера, такие как - двери, мебель, различные декорации. В последние годы наблюдается повышения спроса на данный вид стекла, что приводит к его постоянному улучшению, вызванному жесткой конкурентной борьбой.

Тонированное (цветное)

Тонированное представляет собой прозрачное цветное в массе стекло. Для изготовления стекла применяют уже упоминавшеюся флоат-технологию. Цвет придается стеклу в процессе плавки добавлением окислов металлов. Одна из основных черт данного вида стекла - высокая светопоглащающая способность, в то время как отражающие свойства меньше чем у обычного прозрачного оконного стекла. Стекло данного вида характерно приятным мягким светом внутри помещения и адсорбцией солнечной энергии. Основные цвета - серый, перламутровый, зеленый, синий, серый. Стекло применяется для отделки витрин, окон, дверей, фасадов и различных межкомнатных отгородок.

Рефлективное

Рефлективное стекло - стекло, уменьшающее пропускание солнечной радиации. Ограничение пропускания солнечного тепла достигается при помощи покрытия по типу зеркального, что позволяет так же достигнуть эффекта максимального количества естественного освещения. При этом в дневное время будет наблюдаться «зеркальный» эффект с внешней стороны и «тонированный» эффект при взгляде изнутри помещения. Высокие отражающие качества этого стекла сделают внутреннее пространство помещения не просматриваемым снаружи, но обеспечит визуальный комфорт благодаря отсутствию отражения света, который слепит глаза.

Флоат-стекло

Флоат-стекло от ведущих мировых производителей имеет множество модификаций это различные энергоэффективные, солнцезащитные, закаленные, ламинированные и другие стекла, все шире использующиеся в современном строительстве. Рассмотрим некоторые из современных уникальных оконных модификаций:

SILVERSTAR 1.1 Neitral - стеклопакет с таким стеклом имеет высокую прозрачность 79%, при этом уровень теплозащиты стеклопакета аргоном составляет 1,1 Вт/м² °С. Стекло имеет высокий показатель пропускания солнечной энергии, которая может пассивно использоваться для дополнительного обогрева помещения. Представляет собой стекло с низко-эмиссионным покрытием, получаемое магнетронным напылением на готовое стекло с помощью ультрасовременной линии, размещенной на заводе (так называемое I-стекло)

SILVERSTAR 1.0 E - это I-стекло с низко-эмиссионным покрытием высшего класса. За счет применения дополнительных слоев напыления при прозрачности стеклопакета в 75% его уровень теплозащиты составляет 1,0 Вт/м² °С. На сегодняшний день это один из лучших в мире показателей энергосбережения для стекла.

EUROWHITE -стекло с повышенным уровнем прозрачности. В этом стекле практически отсутствуют окислы железа, которые придают любому стеклу зеленоватый оттенок, поэтому оно является идеально белым и очень прозрачным. Здания с таким стеклом являются эстетически крайне привлекательными.

LUXAR - стекло со специальными антирефлекторными свойствами. Коэффициент отражения такого стекла меньше 0,5%, что позволяет с успехом применять его для витрин шикарных магазинов, экранов и в других случаях, когда отражение является нежелательным.

EUROLAMEX - ламинированное стекло, обеспечивающее прежде всего функции защиты от несанкционированных вторжений, а также снижающее опасность от разлетающихся осколков или падающего стекла. Такое стекло также примерно на 3 дБ увеличивает звукоизоляционные свойства остекления.

SILVERSTAR Combi, SILVERSTAR Sunstop - цветные солнцезащитные стекла различного назначения. Используются для остекления фасадов общественных зданий, снижая нагрузку на системы кондиционирования, и обеспечивая высокие эстетические качества фасадов.

Современные технологии позволяют изготавливать высококачественное стекло и модифицировать его в зависимости от назначения. Высокие технологии, тем не менее, должны окупаться, поэтому надеемся, что в скором времени стеклопакеты станут нормой для любой среднестатистической семьи.

Электрохромные стекла

Электрохромные (ЭХ) стекла отличаются от обычных тем, что за счет специальных слоев, из которых они состоят, способны менять свой цвет и соответственно плотность светопропускания в зависимости от интенсивности светового излучения. В результате ЭХ стекла могут либо не давать тепловому излучению попадать в помещение летом, либо удерживать его зимой. Крупнейшими производителями ЭХ стекол в мире являются такие иностранные предприятия, как Flabeg Group, SAGE Electrochro-mics, UMU-Nippon Sheet Glass, Towns-end Group и другие. По словам Олега Меркушева, профессора Санкт-Петербургского государственного технологического института, в России такие стекла не выпускают.

"По расчетам ученых, экономия электроэнергии от использования электрохромного стекла составляет 40-50%. А летом отсутствует необходимость в использовании кондиционеров, жалюзи. ЭХ стекло имеет пять функциональных слоев, на два из них нанесен специальный электропроводящий слой. Под действием слабого электрического тока происходит тонирование стекла до нужной степени.

СОСТАВ СТЕКЛА

Стекло - это твердый прозрачный материал. Наибольшее распространение имеют силикатные стекла, основным компонентом которых является оксид кремния (IV) SiО₂.

Обычное оконное стекло представляет собой сложную систему, содержащую: Na₂O, CaO, SiO₂

и различные добавки Ai₂O₃, MgO и др. Иногда обычному стеклу приписывают формулу: Na₂O*CaO*6SiO₂

Однако эта формула лишь приближенно отражает состав стекла.

Химический состав	Стекло
	Оконное	Тарное	Посудное	Хрусталь	Химико- лабораторное	Оптическое	Кварцоидное	Электроколбочное	Электровакуумное	Медицинское	Жаростойкое	Термостойкое	Термометрическое	Защитное	Радиационно-стойкое	Стеклянное волокно
SiO2	71,8	71,5	74	56,5	68,4	41,4	96	71,9	66,9	73	57,6	80,5	57,1	12	48,2	71
B2О3	-	-	-	-	2,7	-	3,5	-	20,3	4	-	12	10,1	-	4	-
Al2O3	2	3,3	0,5	0,48	3,9	-	-	-	3,5	4,5	25	2	20,6	-	0,65	3
MgO	4,1	3,2	-	-	-	-	-	3,5	-	1	8	-	4,6	-	-	3
CaO	6,7	5,2	7,45	1	8,5	-	-	5,5	-	7	7,4	0,5	7,6	-	0,15	8
BaO	-	-	-	-	-	-	-	2	-	-	-	-	-	-	29,5	-
PbO	-	-	-	27	-	53,2	-	-	-	-	-	-	-	86	-	-
Na2O	14,8	16	16	6	9,4	-	0,5	16,1	3,9	8,5	-	4	-	2	1	15
K2O	-	-	2	10	7,1	5,4	-	1	5,4	2	2	1	-	-	7,5	-
Fe2O3	0,1	0,6	0,05	0,02	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
SO3	0,5	0,2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

Таблица. Состав некоторых промышленных стекол

Роль добавок велика, они придают стеклу особые свойства. Так, Мg повышает химическую устойчивость и механическую прочность стекла; Al₂O₃ увеличивает термическую и химическую стойкость стекла, твердость и прочность, улучшает однородность, B₂O₃ увеличивает термостойкость стекла и улучшает его оптические свойства. Для получения специальных оптических стекол в шихту добавляют диоксид германия GeO₂ и диоксид титана TiO₂. Специальные добавки обеспечивают окраску стекла: Mn₂O₃ придает стеклу фиолетовую окраску, CoO- синюю, Cr₂O₃ или Fe₃O₄- зеленую, CuO- голубую, CdS- желтую.

"Стеклом называют все аморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава, независимо от их химического состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым". Это определение стекла, данное комиссией по терминологии при Академии наук СССР, охватывает наиболее характерные свойства, присущие любой стекловидной системе.

Для стекловидного состояния характерно наличие небольших участков правильной упорядоченной структуры, отсутствие правильной пространственной решетки, изотропность свойств, отсутствие определенной температуры плавления.

Строительное стекло содержит (%): 75-80% SiO₂, 10-15% CaO, Около 15% Na₂O.

Химическая стойкость стекла зависит от его состава, более стойкими из силикатных стекол являются такие, в которых содержится мало щелочных окислов. При замене Na₂O на двух-, трех- и четырехвалентные окислы химическая стойкость стекла повышается.

Основными оптическими свойствами стекла является: светопропускаемость (прозрачность), светопреломление, отражение, рассеивание и др. Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Изменяя химический состав стекла и его окраску, можно регулировать светопропускание стекла. Показатель преломления строительного стекла (1,46-1,53) определяет светопропускание при разных углах падения света. Так, при изменении угла падения света с 0° (перпендикулярно плоскости стекла) до 75° светопропускание стекла уменьшается с 92 до 50%.

Плотность обычного стекла 2500кг/мі, наибольшую плотность имеют стекла с повышенным содержанием окиси свинца (тяжелые флинты) - до 6000 кг/мі. Модуль упругости стекол изменяется от 48000 до 83000 МПа, для кварцевого стекла - 71400 МПа. Присутствие окислов CaO и B₂O₃ (до 12%) повышает модуль упругости.

Стекло обладает высокой прочностью на сжатие 700-1000 МПа и малой прочностью при - 35-85 МПа. Прочность закаленного стекла в 3-4, иногда в 10-15 раз больше, чем отожженного.

Твердость обычных силикатных стекол 5-7 по шкале Мооса. Кварцевое стекло, а также боросиликатные малощелочные стекла обладают большой твердостью.

Стекло плохо сопротивляется удару, т.е. оно хрупко: прочность при ударном изгибе составляет около 0,2 МПа. У закаленных образцов стекла она в 5-7 раз выше, чем у отожженных. Присутствие в стекле борного ангидрида, окиси магния увеличивает сопротивление стекла удару.

Теплоемкость стекол определяется их химическим составом. При комнатной температуре значения теплоемкости находятся в пределах от 0,63 до 1,05 кДж/(кг·°С).

На термическое расширение стекол также влияет химический состав. Наиболее низкий коэффициент температурного расширения у кварцевого стекла - 5,8 10-7 1/°С, у обычных строительных стекол - 9 · 10-6 -15 · 10-6 1/°С.

Теплопроводность обычного стекла при температуре до 100°С составляет 0,4-0,82 Вт/(м · °С). Наибольшую теплопроводность имеет кварцевое стекло - 1,340 Вт/(м · °С). Малой теплопроводностью обладают стекла, содержащие большое количество щелочных окислов. Боросиликатные стекла имеют высокую термостойкость, наиболее термостойко кварцевое стекло.

Электропроводность стекол изменяется с изменением температуры. Наибольшее влияние на электропроводность оказывает содержание в них окиси лития; чем больше ее в составе стекла, тем выше электропроводность. Понижают электропроводность стекла окислы двухвалентных металлов (больше всего BaO), а также SiO₂ и B₂O₃. следует учитывать поверхностную проводимость стекла, которую обуславливает пленка, образующаяся на поверхности стекла в результате гидролиза силикатов. Эта пленка поглощает значительное количество влаги и вызывает повышенную активность стекла.

Стекло поддается механической обработке: его можно пилить циркулярными пилами с алмазной набивкой, обтачивать победитовыми резцами, резать алмазом, шлифовать, полировать. В пластичном состоянии, при температуре 800-1000°С, стекло поддается формованию. Его можно выдувать, вытягивать в листы, трубки, волокна, можно сваривать.

1.4. Свойства и характеристики стекол

Физико-химические свойства и характеристики стекол. Совокупность физико-химических свойств и характеристик стекол позволяет осуществлять технологические процессы варки стекла, формования и обработки изделий, а также определяет внешний вид и эксплуатационную надежность изделий. Физико-химические свойства и характеристики зависят от химического состава стекол и могут быть определены расчетным путем.

Вязкость. Вязкость является основным свойством стеклообразующего расплава. Вязкость характеризует внутреннее трение, возникающее при перемещении одного слоя расплава относительно другого. Вязкость выражается силой (на единицу площади соприкосновения двух слоев), которая достаточна для поддержания определенной скорости перемещения одного слоя относительно другого. Единица измерения вязкости Па.с. Вязкость имеет важное значение для технологических процессов получения стекла и изделий из него. Вязкость расплава во многом определяет скорости варки, осветления и гомогенизации стекла. Скорость растворения и химического взаимодействия компонентов в расплаве и диффузионных процессов тем больше, чем меньше вязкость стекломассы. Скорость осветления, которая выражается скоростью подъема газовых пузырей, также увеличивается с уменьшением вязкости. Широкий диапазон изменения вязкости обеспечивает возможность формования стекла различными способами. С вязкостью связаны процессы термической обработки стеклоизделий. При отжиге вязкость определяет скорость снятия внутренних напряжений. При закалке быстрое возрастание вязкости “замораживает” определенное распределение напряжений и изделие приобретает повышенную прочность.

Важнейшей технологической характеристикой является зависимость вязкости стекла от температуры. Характер изменения вязкости стекла при изменении температуры служит основой для определения температурных режимов варки, формования и термообработки.

Как известно, по характеру температурной зависимости вязкости стекла различного химического состава можно разделить на “длинные” и “короткие”. При одинаковых рабочих интервалах вязкости температурные интервалы формования для этих стекол будут различными: для “длинных” стекол -- большими, для “коротких” -- меньшими.

Пусть рабочий интервал вязкости для принятого способа формования равен h1-h2. Температурный интервал формования стекла 1 больше, чем стекла 2. При одной и той же температуре начала формования стекло 2 быстрее достигнет вязкости, соответствующей концу формования. Следовательно, стекло 2 “короче”, чем стекло 1, что выражается в более крутом ходе температурной зависимости вязкости. Примером “длинного” стекла может служить свинцовый хрусталь, примером “короткого” -- тарное стекло.

Из всех физико-химических свойств стекла вязкость особенно сильно зависит от его химического состава.

К оксидам, повышающим вязкость стекла, относят кремнезем, оксиды алюминия и циркония; к оксидам, понижающим вязкость, -- оксиды натрия, калия, лития, свинца, бария. Часто, особенно при высоких температурах, понижает вязкость стекла оксид цинка. Оксид магния повышает вязкость стекла, но слабее, чем, например, оксид алюминия. Весьма сложно влияют на вязкость борный ангидрид и оксид кальция. Борный ангидрид значительно понижает вязкость стекла при высоких температурах; при низких температурах при введении приблизительно до 15% В₂О₃ вязкость стекол повышается, и только при дальнейшем увеличении содержания В₂О₃ она уменьшается.

Оксид кальция при низких температурах повышает вязкость стекла; при высоких температурах небольшое его количество (до 8-10%) снижает вязкость стекла, при дальнейшем увеличении содержания оксида кальция вязкость стекла возрастает. При замене оксида кальция оксидом магния вязкость стекла при высоких температурах увеличивается.