Термополированное стекло

Термополированное стекло (также известное как флоат-стекло, наплывное стекло) — стекло, полученное наливом расплавленной стекломассы («флоат-метод») на слой расплавленного легкоплавкого металла, обычно олова, но ранее применялись свинец и другие легкоплавкие сплавы. Данный метод обеспечивает стекло равномерной толщины и с высоким качеством поверхности.^[1]

Использование термополированного стекла на железнодорожной станции Кристал Пэлэс, Лондон.

Современные окна сделаны с использованием флоат-стекла. Большая часть стекла, получаемого флоат-методом, натриевые, но небольшие количества боросиликатного стекла также получают этим методом.^[2] Стекла для плоскопанельных дисплеев тоже получают этим методом.^[3] Флоат-процесс также известен как «Пилкингтон-процесс», названный в честь компании Pilkington, которая впервые использовала эту технологию (изобретенную сэром Алистером Пилкингтоном) в 1950-е на своей фабрике в Сент-Хеленс (Великобритания).

История

Старое окно, содержащее пластинку флоат-стекла в левой верхней части стекла. Йена, Германия. Остальные стекла в окне, вероятно, не флоат-стекло, что видно по искажению отражения деревьев на поверхности.

До XVI века оконные стекла получали разрезая большие диски из стекла, получаемых вручную. Большие по размеру пластинки стекла получали по цилиндрическому методу — выдувая большой цилиндр из стекла и расплющивая затем его стенку в пластину. Большая часть оконных стекол 19 века получена цилиндрическим методом. «Цилиндр» имел 180—240 см в длину и 25 — 36 см в диаметре, что ограничивало максимальный размер получаемых пластинок стекла, из-за чего окна приходилось делать разделенными рамой на несколько частей.

Первые разработки в автоматизации производства стекла были запатентованы английским инженером Генри Бессмером в 1848 году.^[4] Его система формировала стеклянную ленту, формуя ее при помощи роликов. Это был дорогой процесс, так как требовал последующей шлифовки и полировки стекла. Если бы можно было вылить стекло на идеально гладкую поверхность, это позволило бы получить идеально гладкое стекло и тем самым снизить его стоимость. Им были предприняты попытки сформовать стекло выливая на поверхность расплавленного олова — одной из немногих жидкостей, обладающих плотностью большей чем у стекла и при этом стабильной при температуре плавления стекла. На этот метод были получены патенты,^[5] но технологию было невозможно реализовать в то время.

До внедрения флоат-процесса большие листы стекла получали выливая стекломассу на стальную плиту с последующей шлифовкой и полировкой стекла с обеих сторон, что значительно повышало стоимость стекла. Начиная с начала 1920х были разработаны линии, где непрерывная лента из стекла проходила серию шлифующих и полирующих механизмов.

Стекло низкого качества получали вертикальным вытягиванием из расплава, лента которого удерживалась и вытягивалась за края ленты роликами. По мере остывания стекло разрезали на листы. Толщина такого листа стекла была неоднородной, а качество поверхности невысоким. Тем не менее этот процесс получения стекла использовался многие года и после изобретения флоат-процесса.

Между 1953 и 1957 сэр Алистер Пилкингтон и Кеннет Бикерстаф (Kenneth Bickerstaff) разработали процесс получения листового стекла путем свободного растекания стекломассы по поверхности ванны расплавленного олова.^[6] Успех этого процесса зависит от аккуратного баланса количества стекла, растекающегося по поверхности ванны с расплавом олова под силой собственного веса.^[7] Значимые продажи стекла, полученного новым методом, начались в 1960.

Производство

Флоат-стекло обычно использует рецептуру легкоплавких натриевых стекол (содержит песок, карбонат натрия, доломит, известняк, сульфат натрия и т. д.) Также в стекло могут вводить добавки для окраски, придания особых свойств. Стеклобой и отходы, брак также вводятся в шихту для вторичной переработки. Шихта загружается в печь и разогревается до 1500 °C. Типовая печь имеет размеры 9 м в ширину, 45 м в длину, и вмещает более 1200 тонн стекла. После расплавления температура стабилизируется в районе 1200 °C для равномерности состава.

Расплавленное стекло подается в ванну из расплава олова (около 3-4 м шириной, 50 м длиной, 6 см глубиной) Специальные бортоформирующие приспособления не допускают стекло за пределы оловянной ванны.^[8] Специальный механизм контролирует количество стекла, подаваемого на поверхность ванны.

Олово — подходящий материал для ванны, так как обладает большой плотностью, остается жидким в широком диапазоне температур, и при этом не смешивается со стеклом. Олово окисляется на воздухе до SnO₂. Диоксид олова прилипает к стеклу. Для предотвращения этого пространство над ванной поддувается избыточным давлением защитными газами — азотом и водородом.

Лента из стекла, проплывая по поверхности ванны, формирует гладкие поверхности (сверху и снизу) и разравнивается по толщине. Пока стекло движется по ванне с оловом оно остывает с 1100 °C до примерно 600 °C когда полотно может быть поднято с зеркала расплава на ролики. Регулируя скорость вращения роликов можно добиться вытяжки стекла с уменьшением его толщины и тем самым регулировать толщину получаемого полотна стекла.

Затем стеклянное полотно движется примерно через 100-метровый тоннель, где медленно охлаждается для предотвращения образования внутренних напряжений, которые могут привести к растрескиванию стекла. Остывшее стекло из тоннеля разрезается на листы механизмами.

Применение

На сегодняшний день большая часть используемого в быту и строительстве стекла получена флоат-методом. Такое стекло сочетает в себе ряд полезных свойств — высокое качество поверхности, низкую цену, и такое стекло может быть сформовано в любую форму при помощи нагрева. Такие стекла используются в:

• Автомобильные стекла (окна, зеркала, лобовые стекла)
• Зеркала
• Мебель (в том числе столешницы и полки)
• Защитные стекла
• Окна и двери

Большая часть специализированных стекол: закалённое стекло, матовые стекла, ламинированные, звукозащитные получаются из флоат-стекла последующей обработкой.

Рынок

В 2009 году на мировом рынке стекла (исключая Россию и Китай) доминировали следующие компании:Asahi Glass, NSG/Pilkington, Saint-Gobain, и Guardian Industries. Другие компании включают Sise Cam AS, PPG, Central Glass, Hankuk (HanGlas), Zeledyne, and Cardinal Glass Industries.^[9]

См. также

• Боросиликатное стекло
• Закалённое стекло