Способ изготовления стекла гластэль
GLASS MAKING METHOD FOR MANUFACTURING GLASSTELLE GLASS

Область техники
Изобретение относится к области стекольной промышленности, а именно к способу изготовления художественного окрашенного стекла гластэль, используемого для создания произведений искусства, таких, как картины, вазы, панно и других арт-объектов, декоративного украшения интерьеров, изготовления различного вида эксклюзивных ювелирных украшений и изделий и т.п.
Уровень техники
Цветное стекло известно с давних времен, оно появилось даже раньше прозрачного, так как первоначально при варке стекла использовались компоненты с примесями. Затем для придания определенного цвета люди научились вводить в состав стекла добавки некоторых металлов. Стекла получались красивыми, похожими на драгоценные камни, стоили дорого, а искусство окраски стекла было средством личного обогащения. С развитием стеклоизделия мастера научились получать стекла разных цветов с яркой и чистой окраской, но секреты его изготовления также хранили в тайне и передавали из поколения в поколение.
Сегодня цветное стекло - недорогой и эстетичный материал, получаемый различными способами - от дорогих до бюджетных. Оно находит применение при производстве и отделке разнообразных изделий из стекла. Возможности цветного стекла если не безграничны, то очень широки и универсальны. Везде, где бы ни применялось цветное стекло, оно добавляет ярких красок и поднимает настроение.
На данный момент известно множество различных способов изготовления окрашенного стекла для различных применений. Известные методы позволяют получать однотонные окрашенные стекла, многоцветные, стекла с изображениями и рисунками.
Из авторского свидетельства SU 1253965 А1, опубликованного 30.08.1986, известен способ изготовления декоративно-облицовочных изделий, включающий изготовление заготовки, состоящей из внутреннего конструктивного и внешнего декоративного окрашенного слоев. Термообработка заготовки заключается в одновременном нагреве слоев до 160-200°С и последующем нагреве до температуры плавления стеклофазы, затем выдерживают при температуре кристаллизации стеклофазы и охлаждают.
Из иностранной заявки CN 1706761А1, опубликованной 14.12.2005, известен непрерывный процесс производства окрашенного стекла, с контролируемой поставкой цветных материалов и контролируемой мешалкой. Процесс непрерывного производства окрашенного стекла включает в себя контроль количества притока основного стекломатериала с помощью машины подачи основного материала и автоматического регулятора уровня жидкости; контроль расплавленного стекловолокна с питающим устройством для подачи красителя. Осуществляют перемешивание материала для окрашивания стекла и основного стеклянного материала в перемешивающей емкости до заданного состояния смешивания. Указанный процесс контролируется компьютером. Во время производства код продукта вводится в компьютер для производства цветного стекла с разработанным цветом и рисунком.
В патентной заявке RU 94035210 А1, опубликованной 20.07.1996, описан способ изготовления цветного декоративно-облицовочного материала, принятый нами за прототип, включающий послойную засыпку в форму конструкционного слоя из смеси гранул стекла с песком и декоративного слоя из гранул стекла и последующее спекание. Декоративный слой получают из смеси гранул стекла конструкционного слоя и керамического пигмента, смешанного со стеклянной мукой фракций менее 0,1 мм в соотношении 1:/9-10/, и 10%-ного раствора жидкого стекла. Гранулы стекла конструкционного слоя и декоративного слоя имеют одинаковый коэффициент теплового расширения.
Недостатком прототипа и других известных способов является то, что они не позволяют получить художественное стекло определенного вида, которое не было бы известно из уровня техники. В основном все они направлены на получение рисунка на поверхности или непосредственно окрашенной поверхности. Получать объемные изделия с рисунком внутри известные способы не позволяют. Известные способы также являются сложными и материалоемкими.
Задачей, на которую направлено предложенное изобретение, является создание простого способа изготовления стекла гластэль, который является менее материалоемким и позволяет получать окрашенное художественное стекло гластэль высокого качества.
Перечень чертежей
Приложение - фотографии (фото 1-3) образцов стекла гластэль, полученных предложенным способом.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом предложенного изобретения является обеспечение способа изготовления стекла гластэль, который является простым и менее материалоемким и позволяет получать окрашенное художественное стекло гластэль высокого качества. Способ позволяет получать стекло, которое является не просто окрашенным, а содержит объемный рисунок как внутри изделия (в общей массе), так и на поверхности.
Способ изготовления стекла гластэль включает следующие стадии:
необязательное покрытие огнеупорной плиты разделителем, препятствующим прилипанию расплавленного стекла и его неравномерному растеканию,
- на плиту, необязательно покрытую разделителем, наносят стекло (1) в виде порошка и слой необязательно трамбуется,
- на стекло (1) наносят, по меньшей мере, один слой стекла (2) в виде порошка, причем коэффициент теплового расширения (КТР) стекол (1) и (2) одинаковые, а по меньшей мере один из слоев стекла (1) и (2) является окрашенным,
- плиту, необязательно покрытую разделителем, с нанесенными слоями стекла помещают в печь и разогревают до температуры плавления стекол,
- выдерживание плиты с нанесенными слоями стекла в печи в течение заданного времени,
- охлаждение плиты.
Используемая в изобретении огнеупорная плита представляет собой любую жаростойкую конструкцию (плита, полка печи, лещадь), которая имеет ровную поверхность. Может быть частью конструкции печи, либо самостоятельной конструкцией, помещаемой в печь.
Выбор печи не ограничивается какой-либо конкретной конструкцией, но наиболее оптимальный вариант - это высокотемпературная муфельная печь с рабочей температурой до 1500°С.
Огнеупорную плиту далее необязательно покрывают разделителем. Разделитель (сепаратор) для плиты - специальный состав, препятствующий прилипанию расплавленного стекла к плите (далее - разделитель). Разделитель - это состав из различных веществ (каолин, гипс, тальк, кремнезем и т.д.), выполняющий две функции: 1) предотвращение прилипания расплавленного стекла к жаропрочной плите печи; 2) предотвращение излишней смачиваемости расплавленного стекла, в результате которой расплавленное стекло не растекается равномерно по поверхности плиты, а образуются дыры, стекло собирается в комки (капли).
Вид разделителя не влияет на способ и может быть порошком, пленкой, но не ограничен данными вариантами. Разделитель может вообще отсутствовать для огнеупорных плит определенного вида, которые не обладают сродством к используемому стеклу.
На плиту, необязательно покрытую разделителем, наносят стекло (1) в виде порошка и слой необязательно трамбуется. Стекло (1) используется на двух этапах, для двух целей. На первом этапе стекло (1) выступает в роли второго компонента разделителя и используется всегда. На втором этапе стекло (1) используется для визуальных составляющих текстуры. На втором этапе стекло (1) может не использоваться. Стекло (1) может быть прозрачным или окрашенным.
Далее на стекло (1) наносят слои стекла (2) в виде порошка, причем коэффициент теплового расширения (КТР) стекла (1) и КТР стекла (2) должны быть одинаковые. Стекла (2) являются окрашенными или прозрачными.
Важным является то, что, по меньшей мере, один из слоев стекла (1) и (2) является окрашенным для получения визуального эффекта рисунка. Например, стекло (1) может быть прозрачным, а, по меньшей мере, один из слоев стекла (2) окрашенным. Также стекло (1) может быть окрашенным, а стекло (2) прозрачным или также окрашенным. Различные слои стекла (2) могут быть прозрачными и окрашенными. Цвет стекол может быть абсолютно разный.
Тепловое расширение стекла - это изменение размеров в процессе нагревания. Коэффициент теплового расширения характеризует отношение изменения размеров стекла к вызвавшему его изменению температуры и к начальным размерам. КТР стекла (как цветного, так и прозрачного) определяется специализированным прибором - дилатометром. На КТР влияют химический состав и первичный процесс изготовления стекла из кремнезема. Поэтому КТР - это свойство конкретного образца стекла. В дальнейшем, при нагревании, плавлении образца стекла его КТР не изменяется.
Сплавлять можно только стекла с одинаковым КТР. В стеклах с различным КТР при сплавлении образуются физические напряжения и трещины, что может привести к физическому разрушению стекла после того, как расплавленное стекло начет остывать. Стекло сплавленное из стекол с различным КТР может треснуть и через некоторое время после того, как остынет до комнатной температуры, через час, через несколько суток, вследствие наличия внутренних физических напряжений и изменения температуры окружающей среды.
20-300
20-300
-7
-1
-7
-1
Способ применим к любым стеклам с одинаковым КТР. В зависимости от значения КТР изменяется температура размягчения и плавления стекла. Для каждого типа текстуры, изготавливаемого по технологической карте, определен диапазон значений КТР и соответственно диапазон значений температур, в котором данная текстура может быть изготовлена («выращена»). Опытные образцы получены для значений КТР от α=50×10град. до α=200×10град. Данный способ не ограничен данным диапазоном КТР (от 50 до 200) и может быть реализован для любого вида стекла с одинаковым КТР, известного из уровня техники.
Данным способом получены образцы текстур, например, из стекол с одинаковым КТР следующих марок: Star'Glass (Россия), Wissmach (США), Uroboros (США), Spectrum (США), Bullseye (США), Moretti (Италия). Данный способ не ограничен указанными марками стекол с одинаковым КТР и может быть реализован для любого вида стекла с одинаковым КТР, известного из уровня техники.
Комбинация размера частиц порошка, количества порошка, цвета стекла, последовательности и количества слоев порошка стекла определяют текстуру стекла гластэль (см. фото 1-3).
Текстура - это преимущественная ориентация цветовых элементов (частиц) на поверхности и в толщине стекла. Текстура - это множество цветовых элементов (частиц) образующее характерный рисунок.
В основном, цвет определяется на этапе изготовления стекла из кремнезема и зависит от химического состава и процесса изготовления. При изготовлении стекла гластэль используются частицы уже изготовленного и окрашенного (либо прозрачного) стекла.
Зависимость текстуры стекла гластэль от: вида стекла; размера частиц стекла; структуры, толщины и последовательности слоев; количества порошка и температурного режима в печи - прямая. Текстура стекла - это, результат физического взаимодействия частиц цветного и прозрачного стекла друг с другом под действием различных температур. Текстура стекла гластэль возникает в результате комбинации движений расплавленных частиц стекла: горизонтального (в результате расширения, сжатия, перетекания из одной области в другую и т.д.) и вертикального (всплытие, погружение, в результате изменения плотности и т.д.).
Размер частиц порошка стекла выбирают исходя из размера изготавливаемого изделия и в зависимости от заданной текстуры изделия. Размер частиц может быть от нескольких десятков микрон и доходить до нескольких сантиметров в случае изготовления больших, объемных изделий.
Для каждого вида текстуры стекла гластэль (их на текущий момент более 100) описана технологическая карта - формализованная инструкция, содержащая в себе описания всех используемых материалов, инструмента, и операций необходимых для получения соответствующей текстуры. Вид стекла, размер частиц стекла, структура, толщина, последовательность слоев, количество порошка, температурный режим и т.д. описаны в технологической карте. Таким образом, смысл технологии производства стекла гластэль именно в обеспечении повторяемости текстуры при выполнении действий в соответствии с технологической картой. В технологической карте описаны все элементы влияющие на текстуру. Существуют элементы добавление и изменение которых не приводит к изменению текстуры, они в технологическую карту не входят.
Далее огнеупорная плита, необязательно покрытая разделителем, с нанесенными слоями стекла (1) и (2) помещается в печь. Температурный режим работы печи рассчитывается для каждого вида текстуры стекла гластэль и зависит также от вида используемого стекла. Под действием температуры стекло плавится, меняется цвет стекла, стекло вступает в различные взаимодействия друг с другом.
12
8
Температура плавления стекла может быть различной. Начальная точка размягчения стекла характеризуется температурой, при которой его вязкость приобретает значение около 10 пуаз. Для обычных промышленных стекол размягчение начинается в интервале температуры 400-600°С. За конец размягчения стекла принимают температуру, при которой стекло имеет вязкость 2×10 пуаз, что для большинства обыкновенных стекол соответствует температурному диапазону от 700 до 750°С.
2
3
2
2
2
2
3
2
3
2
2
На температуру плавления стекла (или начала размягчения) существенно влияет его химический состав. В частности, понижению температуры плавления стекла, так же как и его вязкости, способствуют следующие окислы: ВО, ВаО, NaO, KO, LiO, FeO, MnO и PbO. Повышают температуру плавления стекол и их вязкость такие оксиды металлов, как AlO, CaO, MgO, SiO, ZrO, TiO.
Следует отметить стекла с высокой температурой плавления. К ним относятся: кварцевое стекло различных типов, кремнеземистые стекла, ситаллы и ситалловые стекла. Например, температура плавления кварцевого стекла может достигать 1300°С. В диапазоне температуры от 630 до 730°С начинают плавиться (размягчаться) термостойкие стекла и стекла для медицинского применения. Оконное, лабораторное, посудное стекло и хрусталь имеют температуру начала размягчения от 530 до 600°С.
При плавлении происходит физическое взаимодействие частиц цветного и прозрачного стекла (или цветных стекол) друг с другом под действием различных температур. Используют частицы стекла, окрашенные разным цветом. При плавлении они перемешиваются и растекаются с образованием красочных разводов, как при смешении красок. Только движения (растекания) эти происходят без участия человека и при выполнении условий технологической карты приводят к получению аналогичной текстуры. Химическое взаимодействие частиц стекла различного цвета отсутствует. Изменение цвета частиц различных видов стекла происходит только под воздействием температуры.
Под действием различных температур в течение определенного времени при расплавлении, в расплавленном стекле и при остывании формируются элементы текстуры. Часть движений происходит при разогревании, часть в уже расплавленном стекле, часть при остывании. Температурный режим работы печи для каждого конкретного вида текстуры определяет: до какой температуры разогревать печь, сколько времени в печи должна держаться заданная температура, до какой температуры остудить печь за какое время (управляемое охлаждение), в какой момент выключить печь (естественное охлаждение), когда включить приточную вентиляцию печи (принудительное охлаждение). Таким образом, начиная с определенных температур, начинается процесс «роста» текстуры, который продолжается до определенной температуры, ниже которой процесс «роста» текстуры прекращается и текстура сохраняется в остывающем и остывшем стекле.
Время выдерживания образца в печи и охлаждения в общем виде может составлять от нескольких минут и менее и до нескольких недель.
При этом следует отметить, что выполнение условий технологической карты не является обязательным условием для получения стекла гластэль и необходимо только для обеспечения повторяемых серийных изделий. Возможно изготовление индивидуальных изделий с неповторяемой (случайной) текстурой в случае осуществления способа не в соответствии с технологической картой. При изготовлении стекла гластэль оператор может менять различные параметры способа, например, размер частиц порошка стекла, цвет стекла, количество частиц стекла различных цветов, температуру обработки и т.п. Специалист без труда может подобрать необходимые параметры осуществления способа для получения различных неповторимых цветовых решений.
При этом в случае изготовления изделий по технологической карте процесс может быть автоматизирован и компьютеризирован. В зависимости от заданной текстуры стекла определенным образом дозируют порошок определенного цвета и вида стекла, задают температурные и временные режимы обработки и т.п. Для этого может использоваться специально разработанное нами автоматизированное/роботизированное устройство для выполнения всех вышеуказанных действий.
Способ опробован экспериментально и показал свою высокую эффективность при получении художественного стекла гластэль. На фото 1-3 изображены образцы, полученные по предложенной технологии в соответствии с технологической картой.
Способ достаточно прост и не требует наличия какого-либо специального оборудования и большого количества вспомогательных материалов. Использование стекла с одинаковым КТР позволяет исключить растрескивание готовых изделий и получить образцы высокого качества. Способ позволяет получить огромное количество, как повторяемых изделий, так и индивидуальных эксклюзивных образцов, за счет возможности варьирования большого количества параметров.