Изготовление натриево-известкового стекла из сырья

Натрий-известковое стекло представляет собой трёхкомпонентную систему: диоксид кремния (SiO₂, стеклообразователь), сода (Na₂O из карбоната натрия, плавень) и известь (CaO из известняка, стабилизатор). Каждый компонент необходим. Чистый диоксид кремния плавится при 1713 °C и образует случайную сетку связей Si–O, которая придаёт стеклу аморфную структуру. Сода разрушает часть мостиков Si–O–Si и значительно снижает температуру плавления по сравнению с чистым диоксидом кремния, однако натрий-силикатное стекло без извести растворимо в воде (силикат натрия, в торговле известный как «растворимое стекло»). Известь заполняет промежутки, оставленные содой, не слишком сильно повышая температуру плавления, и образует стабильное, водостойкое стекло.

Типичный состав натрий-известкового стекла в оксидных массовых долях: 72–74% SiO₂, 12–14% Na₂O, 8–12% CaO, с небольшим количеством MgO, Al₂O₃ и Fe₂O₃ из примесей в сырьевых материалах. Железо является самой важной примесью: даже 0,1% Fe₂O₃ придаёт зеленоватый оттенок. Древнее стекло почти всегда зелёное или янтарное, поскольку в песке содержалось железо. Бесцветное стекло требует либо очень чистого песка, либо добавки обесцвечивателя, такого как диоксид марганца (MnO₂), который смещает зеленоватый оттенок железа в сторону бесцветности.

Выберите самый чистый доступный кварцевый песок. Идеальный песок для стекловарения содержит не менее 95% SiO₂ при минимальном содержании железа — железо является основной причиной нежелательного окрашивания стекла. Подойдут речной песок, пляжный песок и измельчённый кварц, но чем чище источник, тем прозрачнее будет конечное стекло. Ищите белый или светлый песок; оранжевый, красный или тёмный песок указывает на высокое содержание железа и даст зелёное или янтарное стекло.

Для партии в 500 грамм вам потребуется примерно 365 грамм песка. Если используется природный песок из русла реки или с пляжа, его необходимо тщательно промыть, чтобы удалить глину, органические остатки, фрагменты ракушек и железосодержащие минералы. Коммерчески доступный силикатный песок («песок для детских площадок» или «песок для фильтров бассейнов») предварительно промыт и часто чище природных источников.

Поместите песок в ведро и залейте чистой водой. Энергично перемешайте, чтобы взвесить мелкие глинистые частицы и органические вещества, затем дайте песку осесть в течение 30 секунд — тяжёлые зёрна кварца опускаются сразу, а глина и лёгкий мусор остаются во взвеси. Аккуратно слейте мутную воду. Повторяйте промывку 3–5 раз, пока промывная вода не станет прозрачной.

После последней промывки равномерным тонким слоем (менее 2 см) распределите влажный песок по плоской поверхности. Дайте ему полностью высохнуть на солнце или рядом с мягким источником тепла. Любая оставшаяся влага в песке вызовет бурное выбрасывание пара при загрузке в горячий тигель — перед использованием песок должен быть абсолютно сухим.

Пропустите высушенный песок через мелкое сито (60–80 меш, размер ячеек примерно 0,18–0,25 мм). Это удаляет крупные зерна, гальку и любые оставшиеся органические фрагменты. Однородный размер зерен обеспечивает равномерное плавление: крупные зерна дольше растворяются в расплаве и оставляют нерастворённые включения (в стекловарении называемые «камнями»), которые ослабляют готовое изделие.

Соберите просеянный песок и отвесьте ровно 365 граммов. Отложите в чистую сухую емкость.

Известняк (CaCO₃) является источником оксида кальция (CaO), который стабилизирует стекло. Измельчите известняк в мелкий порошок с помощью ступки и пестика или завернув куски в ткань и измельчив их молотком. Чем мельче порошок, тем быстрее он растворяется в расплаве — ориентируйтесь на консистенцию, похожую на муку, без видимых зёрен крупнее 1 мм.

Известняк разлагается в расплаве при температуре примерно 900 °C: CaCO₃ → CaO + CO₂↑. Выделяющийся газ CO₂ способствует образованию пузырей в расплаве, которые впоследствии необходимо удалить на этапе осветления. Более мелкий порошок известняка разлагается быстрее и равномернее, образуя меньше крупных пузырей.

Отвесьте 60 граммов измельчённого порошка известняка.

Карбонат натрия (Na₂CO₃), известный как кальцинированная сода, является плавнем. Отвесьте 75 граммов. В расплаве кальцинированная сода разлагается примерно при 850 °C: Na₂CO₃ → Na₂O + CO₂↑. Оксид натрия (Na₂O) разрушает кремнеземную сетку, поэтому эта шихта полностью расплавляется в печи на 1400–1500 °C, используемой здесь, вместо того чтобы требовать 1713 °C, необходимых для чистого кремнезёма.

Весовое соотношение шихты такое: 73% кварцевого песка, 15% кальцинированной соды, 12% дроблёного известняка (365 г + 75 г + 60 г = 500 г общей шихты). После разложения карбонатов это даёт стандартный состав известково-натриевого стекла. Многие древние стеклоделы использовали натрон (природный минерал карбоната натрия из эвапоритовых озёрных отложений) в качестве плавня; он поставляет тот же оксид натрия, что и современная кальцинированная сода.

Смешайте 365 граммов просеянного кварцевого песка, 75 граммов кальцинированной соды и 60 граммов измельчённого известняка в чистой, сухой емкости. Перемешивайте вручную или деревянной лопаткой в течение нескольких минут, пока компоненты не распределятся равномерно по всему объёму. Смесь должна иметь однородный цвет без видимых комков и слоёв.

Тщательное перемешивание имеет решающее значение. Если сода сконцентрируется в одной части тигля, эта зона расплавится первой и образует низковязкую лужу, которая не будет эффективно растворять окружающий песок. Непроменявшиеся участки песка останутся в готовом стекле в виде «свиля» (полос иного состава) или «камня» (нерастворившихся зёрен) — оба эти дефекта ослабляют изделие.

Постройте небольшую угольную печь из огнеупорного кирпича, уложенного так, чтобы образовалась изолированная камера примерно 30 см во внутреннем диаметре и 40 см в высоту, с воздухозаборником у основания для мехов. Печь должна поддерживать температуру 1400–1500 °C в течение нескольких часов — для этого необходима хорошая теплоизоляция (стенки из огнеупорного кирпича толщиной не менее 10 см) и мощная подача воздуха под давлением.

Расположите сопло мехов у основания печи, слегка наклонив его вверх. Заполните печь древесным углём твёрдых пород (кусковым, а не брикетами) примерно на две трети объёма. Разожгите уголь и начните осторожно качать меха, чтобы создать базовый огонь. Работайте на открытом воздухе или под хорошо проветриваемым навесом — горение древесного угля выделяет угарный газ.

Поместите тигель из огнеупорной глины на край отверстия печи и дайте ему постепенно прогреваться в течение 20–30 минут. Холодный тигель, помещённый сразу в горячую печь, растрескается от термического удара — огнеупорная глина неравномерно расширяется при слишком быстром нагреве. Постепенно придвигайте тигель ближе к источнику тепла, а затем опустите его в камеру печи, когда он достигнет тусклого красного свечения (примерно 600–700 °C).

Тигель должен быть достаточно глубоким, чтобы вместить партию массой 500 грамм с запасом места для расширения и вспенивания расплава на начальной стадии выделения газов. Рекомендуется тигель внутренним объёмом не менее 500 мл. Графитовые тигли выдерживают более высокие температуры, чем глиняные, но стоят дороже — для этого процесса подойдёт любой из них.

Когда тигель раскалится до оранжево-красного свечения внутри печи, добавляйте смешанную шихту небольшими порциями — примерно по одной четверти за раз, выдерживая 5–10 минут между добавлениями. Добавление всей шихты сразу резко снижает температуру тигля и может привести к тому, что расплав застынет вокруг непроплавленного материала. Каждая порция будет бурно вспениваться по мере разложения карбонатов с выделением CO₂.

После каждой добавки увеличивайте работу мехов, чтобы поддерживать температуру. Шихта сначала спекается (зёрна сплавляются в точках контакта при температуре около 800–900 °C), затем постепенно плавится в вязкую жидкость по мере роста температуры. Белая пена на поверхности — это нормально: так выходит CO₂ из разлагающейся соды и известняка.

Когда вся шихта загружена, увеличьте работу мехов до максимальной устойчивой скорости. Цель — 1400–1500 °C: при такой температуре внутреннее пространство печи светится ярким жёлто-белым цветом, а стекломасса превращается в текучую светящуюся оранжевую жидкость. Постоянная энергичная работа мехов необходима; без принудительной подачи воздуха угольная печь обычно достигает лишь 1100–1200 °C, чего недостаточно для полного расплавления.

При 1400 °C последние песчинки растворяются в расплаве. Расплав чрезвычайно вязкий по сравнению с водой — скорее похож на густой мёд, но достаточно текучий, чтобы его можно было вытекать и разливать. Поддерживайте эту температуру не менее 30 минут, чтобы все сырьевые материалы полностью растворились. Нерастворённые песчинки видны как белые точки в оранжевом расплаве.

Осветление — это процесс удаления газовых пузырьков (называемых в стекловарении «семенами») из расплава. CO₂, выделяющийся при разложении карбонатов, захваченный воздух и водяной пар образуют пузырьки, которые должны подняться к поверхности и выйти наружу. При 1400–1500 °C вязкость стекла достаточно низка, чтобы мелкие пузырьки могли подниматься, но это требует времени. Выдерживайте расплав при максимальной температуре в течение 1–2 часов.

Во время осветления поддерживайте равномерную работу мехов и регулярно подсыпайте древесный уголь в топку. Поверхность расплава должна быть гладкой и светиться оранжевым без видимой пены. Если пена сохраняется, температура ещё слишком низка или карбонаты не полностью разложились. Терпение на этом этапе определяет прозрачность стекла: спешка приводит к стеклу, полному мелких пузырьков.

Введите предварительно нагретый стальной или железный стержень (длиной не менее 1 метра, чтобы держать руки подальше от отверстия печи) в расплав и медленно перемешивайте круговыми движениями. Перемешивание служит двум целям: оно гомогенизирует состав (устраняя «шнур» — полосы с различным показателем преломления, вызванные градиентами состава) и помогает мелким пузырькам сливаться в более крупные, которые поднимаются быстрее.

Перемешивайте в течение 2–3 минут, затем извлеките стержень. Расплавленное стекло будет налипать на стержень — это нормально. Не встряхивайте стержень, чтобы удалить стекло возле печи. Положите стержень в сторону на термостойкую поверхность (шамотный кирпич или песок) и дайте прилипшему стеклу остыть и сжаться; после остывания оно отколется.

Опустите кончик предварительно нагретого железного стержня в расплав и медленно извлеките его. От поверхности должна потянуться нить расплавленного стекла. Осмотрите нить: если она прозрачная и гладкая, стекло хорошо проварено и осветлено. Если она выглядит зернистой, непрозрачной или содержит видимые пузырьки, продолжайте осветление при максимальной температуре ещё 30 минут и проверьте снова.

Цвет остывшей нити указывает на содержание железа. Бледно-зелёный или сине-зелёный означает умеренное содержание железа — типично для природных песков и вполне допустимо. Почти бесцветный означает, что использовался песок с низким содержанием железа или расплав очень хорошо окислен. Янтарный или коричневый указывает на высокое содержание железа, что также нормально для природного песка.

Пока расплав осветляется, подготовьте ровную, термостойкую поверхность для отливки. Подойдут толстая каменная плита, стальной лист или слой чистого сухого песка. Если используете каменную плиту или стальной лист, предварительно прогрейте их, поставив рядом с печью: если вылить расплавленное стекло на холодную поверхность, из-за термического удара сразу же образуются трещины на поверхности.

Для простого плоского диска или пластины из стекла лучше всего подходит предварительно прогретый стальной лист или плоский камень. Для фигурного изделия вдавите форму во влажный песок, чтобы создать простую полость для литья. Древние стеклоделы отливали стекло в открытые каменные формы или на плоские поверхности, а затем, пока стекло ещё было мягким и горячим, придавали ему форму инструментами.

Длинными тигельными щипцами аккуратно извлеките тигель из печи. Двигайтесь обдуманно — не торопитесь. Тигель и его содержимое имеют температуру 1400+ °C. Плавно наклоняйте тигель, чтобы вылить расплавленное стекло на предварительно нагretую литейную поверхность единым непрерывным потоком. Не останавливайтесь и не начинайте заново — прерванная заливка создаёт дефекты слоистости (называемые «наплывами»).

Стекло растекается в толстую лужу или диск в зависимости от поверхности. На плоской плите оно образует округлый диск диаметром примерно 8–12 см и толщиной 1–2 см из партии в 500 граммов. Во время заливки стекло ярко светится оранжевым, а по мере начала остывания переходит через жёлтый к тёмно-красному. Работайте быстро — стекло быстро густеет после извлечения из печи.

Отжиг — это контролируемое медленное охлаждение стекла для снятия внутренних напряжений. Без отжига стекло остывает неравномерно: поверхность сжимается, а внутренняя часть ещё горячая, что вызывает огромное напряжение. Неотожжённое стекло может треснуть, расколоться или взорваться через часы и даже дни после отливки. Температура отжига натриево-известкового стекла составляет примерно 510–520 °C; точка деформации (strain point) — примерно 470 °C.

Переложите горячую стеклянную заготовку (всё ещё раскалённую до красного свечения) в теплоизолированную камеру для медленного охлаждения. Простейшая печь для отжига — это коробка из шамотного кирпича, заполненная вермикулитом, сухой золой или сухим песком. Закопайте стеклянную заготовку в изоляционный материал и закройте коробку. Это значительно замедляет скорость охлаждения: стеклу требуется не менее 8–12 часов, чтобы достичь комнатной температуры.

Не открывайте камеру отжига и не трогайте стекло в течение как минимум 8 часов — желательно на ночь. Критический диапазон охлаждения составляет от 520 °C до 470 °C (от точки отжига до точки деформации). Если стекло охлаждается слишком быстро в этом диапазоне, в нём закрепляется постоянное напряжение. Ниже 470 °C более быстрое охлаждение безопасно, но спешить не имеет смысла.

Не поддавайтесь соблазну проверить стекло раньше времени. Даже кратковременное открытие изолированной камеры впускает холодный воздух к поверхности стекла, создавая именно тот градиент напряжений, которого отжиг призван избежать. Оставьте его нетронутым, пока изоляционный материал не остынет настолько, что его можно будет трогать руками.

Извлеките остывшее стекло из камеры отжига. Смахните прилипший пепел или песок. Готовое изделие должно представлять собой сплошной диск или плиту с гладким нижним краем (поверхность контакта) и слегка шероховатым верхним краем (свободная поверхность). Поднесите его к свету, чтобы оценить прозрачность, цвет и наличие пузырьков.

Качественное натрий-кальциевое стекло из чистого песка имеет бледно-зелёный оттенок или почти бесцветно и частично прозрачно. Некоторые пузырьки в стекле, полученном в плавильной печи, являются нормой: полное удаление пузырьков требует температур и выдержки, которые небольшая угольная печь не может обеспечить. Поверхностные дефекты можно шлифовать и полировать последовательно более мелкими абразивами, если требуется гладкая отделка.

Вы получили натрий-кальциевое стекло, стеклообразное твёрдое вещество из трёх распространённых минералов. Исходя из этого, становятся возможными все виды стеклоделия: выдувание, литьё, витражное окрашивание, лэмпворкинг и оптическая шлифовка, и все они начинаются с этой основной варки.