ソーダライムガラスを原料から作る

ソーダ石灰ガラスは三成分系です：シリカ（SiO₂、ガラス形成剤）、ソーダ（炭酸ナトリウム由来のNa₂O、融剤）、石灰（石灰石由来のCaO、安定剤）。いずれの成分も不可欠です。シリカ単独では1713 °Cで融解し、ガラスの非晶質構造を与えるSi–O結合のランダムな網目構造を形成します。ソーダはSi–O–Si結合の一部を切断し、融点を純粋なシリカよりも大幅に下げます。しかし、石灰を含まないソーダ・シリカガラスは水溶性です（ケイ酸ナトリウム、商業的には「水ガラス」として知られています）。石灰は、融点を過度に上げることなくソーダによって生じた隙間を埋め、安定で耐水性のあるガラスを生み出します。

酸化物重量による一般的なソーダ石灰ガラスの組成：SiO₂ 72〜74%、Na₂O 12〜14%、CaO 8〜12%、そして原料中の不純物に由来する少量のMgO、Al₂O₃、Fe₂O₃。鉄は最も重要な不純物であり、Fe₂O₃がわずか0.1%でも緑色を帯びさせます。古代のガラスはほぼ例外なく緑色や琥珀色をしていますが、これは砂に鉄分が含まれていたためです。透明なガラスには、非常に純度の高い砂を使用するか、二酸化マンガン（MnO₂）などの脱色剤を加える必要があります。脱色剤は鉄による緑色の着色を薄めて無色に近づけます。

利用可能な最も清浄な石英砂を選んでください。理想的なガラス製造用の砂は、SiO₂が少なくとも95%で、鉄分含有量が最小限であることが必要です。鉄分は、ガラスに望ましくない色がつく主な原因だからです。川砂、海岸の砂、砕いた石英はいずれも使えますが、原料が純粋であるほど、完成したガラスは透明になります。白色または淡色の砂を選んでください。オレンジ色、赤色、または暗色の砂は鉄分含有量が高いことを示し、緑色または琥珀色のガラスになります。

500グラムのバッチには、約365グラムの砂が必要です。河床や海岸から採取した天然砂を使う場合は、粘土、有機物の残骸、貝殻の破片、鉄を含む鉱物を取り除くために、十分に洗浄する必要があります。市販のシリカ砂（「プレイサンド」や「プールろ過砂」）は、あらかじめ洗浄されており、天然の供給源よりも純度が高いことがよくあります。

砂をバケツに入れ、きれいな水を注ぎます。強くかき混ぜて細かい粘土粒子と有機物を浮遊させ、その後30秒間砂を沈殿させます。重い石英の粒子はすぐに沈み、粘土と軽い破片は浮遊したままになります。濁った水を慎重に捨てます。すすぎの水が透明になるまで、この洗浄を3〜5回繰り返します。

最後の洗浄後、濡れた砂を平らな面に2 cm未満の薄い層に広げます。日光の下または穏やかな熱源の近くで完全に乾燥させます。砂に水分が残っていると、高温のるつぼに投入した際に激しい蒸気噴出を引き起こすため、使用前に砂は完全に乾いていなければなりません。

乾燥させた砂を細目のふるい（60〜80メッシュ、目開き約0.18〜0.25 mm）に通します。これにより、大きすぎる粒子、小石、残存する有機物の破片が取り除かれます。粒度が均一であると均等に溶融します。大きな粒子は融液に溶けるのに時間がかかり、溶け残った介在物（ガラス製造では「ストーン」と呼ばれます）が生じ、最終製品の強度を低下させます。

ふるい分けた砂を採取し、正確に365グラムを量り取ります。清潔で乾燥した容器に移して保管します。

石灰石（CaCO₃）は、ガラスを安定させる酸化カルシウム（CaO）を供給します。乳棒と乳鉢を使うか、塊を布で包んでハンマーで叩いて、石灰石を細かい粉末に砕いてください。粉末が細かいほど融液中で速く溶けます。小麦粉に近い均一さを目指し、1 mmより大きな粒が目に見えないようにしてください。

石灰石は約900 °Cの融液中で分解します：CaCO₃ → CaO + CO₂↑。放出されるCO₂ガスは融液中の気泡形成に寄与し、その気泡は後の清澄工程で除去する必要があります。石灰石の粉末が細かいほど、より速く均一に分解し、大きな気泡が減ります。

砕いた石灰石粉末を60グラム計量してください。

炭酸ナトリウム（Na₂CO₃）は、ソーダ灰として知られ、融剤です。75グラムを計量します。溶融時、ソーダ灰は約850 °Cで分解します：Na₂CO₃ → Na₂O + CO₂↑。酸化ナトリウム（Na₂O）はシリカの網目構造を壊すため、このバッチは純粋なシリカの1713 °Cを必要とせず、ここで使用する1400～1500 °Cの炉で完全に溶融します。

重量による配合比は、珪砂73%、ソーダ灰15%、砕いた石灰石12%です（365g + 75g + 60g = 合計500gのバッチ）。炭酸塩が分解した後、これは標準的なソーダ石灰ガラスの組成になります。多くの古代のガラス職人は融剤としてナトロン（蒸発岩の湖沼堆積物に由来する天然の炭酸ナトリウム鉱物）を使用していました。ナトロンは、現代のソーダ灰と同じ酸化ナトリウムを供給します。

洗浄して乾燥させた容器に、ふるいにかけた珪砂365グラム、ソーダ灰75グラム、砕いた石灰石60グラムを入れて合わせます。手で、または木製のパドルを使って数分間、成分が全体に均一に行き渡るまで混ぜてください。混合物は色が均一に見え、目に見える塊や層がない状態になるはずです。

十分な混合は非常に重要です。ソーダ灰がるつぼの一部分に偏って集まると、その部分が最初に溶けて粘性の低い溜まりを形成し、周囲の砂を効果的に溶かすことができません。混ざっていない砂の塊は、完成したガラスに「コード」（組成の異なる筋）や「ストーン」（溶けていない粒）として残ります。これらはいずれも製品の強度を低下させる欠陥です。

耐火レンガを積み上げて、内径約30cm、高さ40cmの断熱された小型の木炭炉を組み立てます。炉の底部にはふいごの送風口を設けます。炉は数時間にわたり1400～1500 °Cを維持する必要があるため、良好な断熱（レンガの壁厚は少なくとも10cm）と強力な送風が必要です。

ふいごのノズルを炉の底部に、やや上向きの角度で設置します。硬材の木炭（塊状のもの、練炭ではない）を約3分の2まで炉に入れます。木炭に火をつけ、ふいごをゆっくり押して base の火を起こします。木炭の燃焼では一酸化炭素が発生するため、屋外か十分に換気された場所で作業してください。

耐火粘土製のるつぼを炉の開口部の縁に置き、20〜30分かけて徐々に温めてください。冷えたるつぼを高温の炉に直接入れると熱衝撃で割れます。耐火粘土は急激に加熱されると不均一に膨張するためです。るつぼを少しずつ熱源に近づけ、暗赤色の輝き（約600〜700 °C）に達したら、炉室内に下ろしてください。

るつぼは500グラムのバッチを収容できる深さが必要で、初期のガス放出段階で融液が膨張し泡立つ余裕も必要です。内容積が少なくとも500 mlのるつぼを推奨します。黒鉛るつぼは粘土製よりも高温に耐えますが、高価です。どちらもこのプロセスに使用できます。

るつぼが炉内で橙赤色に輝いたら、混合バッチを少量ずつ投入します。一度に約4分の1ずつ、追加の間に5〜10分待ちます。バッチ全量を一度に入れるとるつぼの温度が大きく低下し、未混合の材料の周囲で融液が固まってしまうことがあります。炭酸塩が分解してCO₂を放出する際、投入のたびに激しく発泡します。

投入のたびにふいごの送風を増やし、温度を維持します。バッチはまず焼結し（粒子が接触点で約800〜900 °Cで融着）、温度の上昇とともに徐々に粘性のある液体へと溶融します。表面の白い泡は正常です。これは分解するソーダ灰と石灰石から逃げるCO₂です。

すべてのバッチ原料を投入したら、ふいごによる送風を最大の持続可能な速度まで上げます。目標は1400〜1500 °Cです。この温度では炉内は鮮やかな黄白色に輝き、ガラス融液は流動性のある、輝く橙色の液体になります。持続的で力強いふいごによる送風が不可欠です。強制送風がなければ、木炭炉は通常1100〜1200 °Cにしか達せず、完全な溶融には不十分です。

1400 °Cでは、最後の砂粒が融液に溶解します。融液は水に比べて非常に粘性が高く、濃い蜂蜜に近いものの、流れて注げるほどの流動性があります。原料がすべて完全に溶解するよう、この温度を少なくとも30分間維持してください。溶けきらなかった砂粒は、橙色の融液の中に白い斑点として見えます。

清澄化とは、溶融ガラスからガラス製造で「シード」と呼ばれる気泡を取り除く工程です。炭酸塩の分解によって生じるCO₂、閉じ込められた空気、水蒸気はいずれも気泡を形成し、それらは表面まで浮上して外へ抜けなければなりません。1400～1500 °Cではガラスの粘性が十分に低く、小さな気泡は浮上できますが、これには時間がかかります。溶融物を最高温度で1～2時間保持してください。

清澄化の間は、ふいごによる送風を一定に保ち、木炭層を絶えず補充してください。溶融物の表面は滑らかで、目に見える泡なしにオレンジ色に輝いているのが理想です。泡が残る場合は、温度がまだ低すぎるか、炭酸塩が完全に分解していません。この工程での忍耐がガラスの透明度を決めます。急ぐと、微細な気泡だらけのガラスになります。

予熱した鋼鉄または鉄の棒（炉の開口部から手を遠ざけるため、長さ少なくとも1メートル）を溶融ガラスに差し入れ、円を描くようにゆっくりと攪拌します。攪拌には2つの目的があります。組成を均一にすること（組成勾配によって生じる屈折率の異なる筋、いわゆる「コード」を除去すること）と、小さな気泡を合体させてより速く浮上する大きな気泡にすることです。

2〜3分間攪拌したら、棒を引き抜きます。棒には溶融ガラスが付着しますが、これは正常です。炉の近くでガラスを落とすために棒を振ってはいけません。棒を耐熱面（耐火レンガや砂の上など）に置き、付着したガラスを冷まして収縮させます。冷えると自然に剥がれ落ちます。

予熱した鉄棒の先端をメルトに浸し、ゆっくりと引き上げます。表面から溶融ガラスの糸が伸びるはずです。糸を観察してください。透明で滑らかであれば、ガラスは十分に溶融し清澄化されています。粒状に見える、不透明である、または目に見える気泡を含む場合は、最高温度でさらに30分間清澄化を続けてから、再度テストしてください。

冷えた糸の色は鉄分含有量を示します。淡い緑色や青緑色は中程度の鉄分を意味し、天然の砂を原料とする場合によく見られ、十分に許容範囲です。ほぼ無色であれば、低鉄分の砂が使われたか、メルトが十分に酸化されていることを示します。琥珀色や茶色は鉄分含有量が高いことを示し、天然の砂でも一般的です。

溶融ガラスが清澄化している間に、鋳造用の平らで耐熱性のある面を用意します。厚手の石板、鋼板、または清潔で乾燥した砂の床のいずれでも使えます。石板や鋼板を使う場合は、炉の近くに置いて予熱してください。冷たい面に溶融ガラスを流し込むと、熱衝撃によって表面がすぐに割れてしまいます。

単純な平らな円盤や板状のガラスには、予熱した鋼板または平らな石が最適です。成形品の場合は、湿った砂に型を押し当てて簡単な鋳型の空洞を作ります。古代のガラス職人は、開放型の石型や平らな面に鋳込み、まだ柔らかいうちに道具で高温のガラスを成形していました。

長柄のるつぼ用トングを使い、るつぼを慎重に炉から持ち上げます。焦らず、落ち着いて動いてください。るつぼとその中身は1400°C以上です。るつぼを一定の速度で傾け、予熱された鋳造面に溶けたガラスを一度の途切れない流れで注ぎます。途中で止めて再開しないでください。注ぎが中断されると、「ラップ」と呼ばれる層状の欠陥が生じます。

ガラスは表面の形状に応じて、厚い水たまりや円盤状に広がります。平らな板の上では、500グラムのバッチから直径約8～12 cm、厚さ1～2 cmの丸い円盤状になります。ガラスは注がれる際に明るいオレンジ色に光り、冷え始めると黄色を経て濃い赤色へと変化します。炉から取り出すとガラスはすぐに硬くなるため、手早く作業してください。

徐冷（アニール）とは、ガラスの内部応力を取り除くために、ガラスをゆっくりと制御しながら冷却する工程です。徐冷を行わないと、ガラスは不均一に冷えます。表面が収縮する一方で内部はまだ高温のままのため、非常に大きな引張応力が閉じ込められてしまいます。徐冷されていないガラスは、成形後数時間、あるいは数日後にひび割れたり、砕けたり、破裂したりすることがあります。ソーダ石灰ガラスの徐冷点は約510～520 °C、歪点は約470 °Cです。

高温のガラス片（まだ赤く輝いている状態）を、ゆっくり冷却するための断熱チャンバーに移します。最も簡単な徐冷炉は、バーミキュライト、乾燥した灰、または乾燥した砂を詰めた耐火レンガの箱です。ガラス片を断熱材に埋め、箱を閉じます。これにより冷却速度が大幅に遅くなり、ガラスが室温に達するまでには少なくとも8～12時間かかるはずです。

少なくとも8時間、できれば一晩は、徐冷炉を開けたりガラスに触れたりしないでください。重要な冷却範囲は520 °Cから470 °C（徐冷点から歪み点まで）です。この範囲をガラスが急速に冷却されると、永久応力が固定されてしまいます。470 °C未満では、より速く冷却しても安全ですが、急ぐ利点はありません。

ガラスの状態を早めに確認したくなる誘惑に抗してください。断熱チャンバーを短時間でも開けると、冷気がガラス表面に達し、まさに徐冷が防ぐべき応力勾配を生じさせてしまいます。断熱材に触れても冷たく感じるまで、そのままにしておいてください。

冷却したガラスを徐冷炉から取り出します。付着した灰や砂をブラシで払い落としてください。完成品は、滑らかな底面（接触面）とわずかに質感のある上面（自由面）を持つ、中実の円盤または板状になっているはずです。光にかざして、透明度、色、気泡の含有状況を確認してください。

清潔な砂から作られた良質のソーダ石灰ガラスは、淡い緑色からほぼ無色で、部分的に透明です。炉で溶融したガラスでは、いくつかの気泡は正常です。気泡を完全に除去するには、小型の木炭炉では維持できない温度と保持時間が必要です。滑らかな仕上げが必要な場合は、表面の不完全な部分を、徐々に細かくした研磨材で研削・研磨することができます。

あなたは、3種類の一般的な鉱物からなるガラス質の固体であるソーダ石灰ガラスを作りました。この出発点から、吹きガラス、鋳造、着色、ランプワーク、光学研削など、あらゆる形態のガラス工芸が可能になります。これらはすべて、この基本的な溶融物から始まります。