Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Роль стекла в истории безопасности
Г.Б. Лялькина
Н.Л. Лялькина
Введение
В истории безопасности человека стекло сыграло важнейшую роль.
Во-первых, стекло используется в средствах коллективной защиты человека. Оконное стекло защищает человека от неблагоприятных факторов окружающей среды, одновременно обеспечивая естественное солнечное освещение. Ламповое стекло незаменимо при организации безопасного искусственного освещения.
Во-вторых, стекло используется в средствах индивидуальной защиты человека. С его помощью обеспечивается защита лица, органов зрения и дыхания. Без стекла невозможно создать скафандр. Выпуклые и вогнутые стекла (линзы) обеспечивают коррекцию зрения. Наконец, стекло сыграло свою роль в научных исследованиях, в том числе направленных на обеспечение безопасности человека.
В первой части рассмотрены вопросы истории создания оконного и лампового стекла, исследована роль стекла в разработке средств коллективной защиты человека.
1. Роль стекла в создании средств коллективной защиты человека
С древних времен человеку известно природное стекло - материал, образующийся в результате оплавления скальной породы при извержении вулкана (обсидиан), ударе молнии или метеорита (тектит). Из обсидиана (двуокиси кремния SiO2) древний человек изготавливал разнообразные орудия - скребки и ножи. Первое рукотворное стекло, по-видимому, было изобретено случайно, как побочный продукт других ремесел. В древние времена обжиг глиняных изделий происходил в ямах. Если яма случайно была вырыта в песке, то образующаяся при высокой температуре зола (щелочной продукт) в контакте с песком (т. е. с силикатной массой) в результате реакции окисления могла образовать стекло. Считается, что первое рукодельное стекло было получено в середине III тыс. до н. э. в Древнем Египте. Точнее, это были бусы, амулеты, подвески, пластинки для инкрустаций, покрытые зеленовато-голубой глазурью. Эта глазурь представляет из себя легкоплавкое стекло, окрашенное медью с примесью железа. Египетские стеклоделы плавили стекло на открытых очагах в глиняных мисках при температуре около 1100-1200°С. Раскаленные куски спекшейся массы бросали в воду. Полученные обломки растирали в порошок жерновами и снова плавили. При этом обычно использовали две печи - одну для предварительной плавки и другую для повторной. Известный химик-технолог, основатель теории холодной обработки стекла Н.Н. Качалов утверждает, что истоки стеклоделия в Египте и в странах Передней Азии относятся приблизительно к 4 тыс. до н. э. На территории Старовавилонского царства также найдены стеклянные сосудики для благовоний местного происхождения, выполненные в той же технике, что и египетские. Но так как первое стекло было непрозрачным или малопрозрачным, его и не пытались использовать иначе, кроме как в декоративных целях.
1.1 Из истории оконного стекла
Защита от вредных и опасных факторов окружающей среды - важнейшая составляющая обеспечения безопасности человека. Главное средство коллективной защиты человека - его жилище. С древних времен оно защищало человека от ветра и холода, от нападения хищников и многих других опасностей. Пещера - одно из древнейших убежищ человека, днем свет проникал через вход, вечером свет и тепло давал костер. Простейшие искусственные постройки типа шалаша использовали те же принципы освещения и отопления.
С развитием цивилизации жилье человека совершенствовалось. Но одна проблема оставалась нерешенной в течение многих столетий - проблема освещения внутренних помещений жилища. Солнечный свет в дома поступал в основном через двери. В темное время суток для освещения использовали (пожароопасные) факелы и масляные светильники.
С целью освещения и наблюдения за окружающей средой в домах стали делать окна. Принято считать, что первые окна в жилищах появились около 4 тыс. лет назад, на острове Крит. Тем не менее, постройки древних цивилизаций Средиземноморья - Греции, Египта, Рима, как правило, не имели специальных оконных проемов. Свет проникал через проемы, расположенные под кровлей. Аналогичный принцип освещения жилища использовался ранее у древних шумеров и египтян. В постройках Древней Греции окно, как правило, имело вид узкой щели, которую для защиты от птиц, летучих мышей и других диких животных загораживали решетками. Такие окна, хотя и плохо, но все же пропускали солнечный свет, и в теплом климате частично решали проблему естественного освещения.
С течением времени дома стали строить из камня. Для средневековых каменных замков характерны небольшие окна-бойницы. В отдельных случаях оконные проемы загораживали металлическими решетками либо резными пластинами из известняка, терракоты или мрамора.
Но в условиях суровой зимы даже маленькие окна пропускали морозный воздух и не защищали от холода и осадков. В Средние века в России, как и в Западной Европе, окна затягивали бычьими и рыбьими пузырями. Позднее использовали промасленную бумагу. Иногда применяли тонкие пластины из полупрозрачных камней. В древнерусских деревянных постройках в случае необходимости окна закрывали глухими ставнями. Летом использовали льняной холст и тонкие деревянные пластины, а зимой - лед. Известно, что в Восточной Сибири и в Китае, где имеются месторождения слюды, в окна вставляли кусочки слюды. Слюдяные оконницы по престижности стояли на первом месте, их очень берегли. Даже в начале XX в. в глухой сибирской тайге сохранялись охотничьи заимки со слюдяными окнами. Но слюда была редкой и дорогой, из-за единственного на всю округу слюдяного окошка всю заимку могли назвать Слюдяной.
В I в. н. э. римскими стеклодувами впервые была использована стеклодувная трубка. Полученное таким способом стекло было достаточно прозрачным, хотя первые стекла, как правило, были окрашены примесями. Считается, что древнеримские технологии были в значительной степени утрачены.
В конце V в. н. э. центром стекольного ремесленничества считалась Византия. Византийские мастера освоили выплавку смальты, т. е. цветного непрозрачного мозаичного стекла, хотя есть сведения, что еще в IX в. до н. э. в Сирии и на Кипре уже существовали технологии получения бесцветного стекла.
В эпоху Возрождения центром стеклодувного мастерства становится Венеция. Из-за часто возникающих при производстве стеклянных изделий пожаров стеклодувов переселили на остров Мурано. Венецианское стекло с тех пор получило название муранского. Муранские стеклодувы отлично освоили способы получения прозрачных цветных стекол разнообразных оттенков. К тому же в горячем виде полой стеклянной трубке можно было придавать достаточно разнообразную форму. Поэтому естественным образом возникла идея использовать полученное прозрачное стекло для защиты оконных проемов. Выдутая мастером заготовка цилиндрической формы называется холява. Если холяву в горячем состоянии разрезать вдоль и разложить на плоскости, то получится маленький лист цветного стекла, который можно использовать для остекления окон с помощью витражей. Так как способ получения стекла требовал непосредственного участия мастера-стеклодува, то он был малопроизводительным. Поэтому первые стеклянные окна изготавливали в виде дорогостоящих витражей из небольших кусочков стекла. Их широко использовали для освещения в богатых домах и внутри церковных зданий, хотя наличие рамы значительно снижало естественную освещенность помещений. В принципе метод получения оконного стекла из холявы продержался до конца ХIХ в.
В 1330 г. французом Кокереем был придуман свой способ изготовления небольших кусочков плоского стекла. Но его стекло было "лунным" и мало прозрачным.
В 1676 г. английским мастером Джорджем Рейвенскрофтом был открыт способ изготовления прозрачного хрустального стекла (флинт-гласса).
Отметим, что первыми стеклодувами в России были иностранцы. А первый стекольный завод был открыт в начале XVII в. под Петербургом. С XVIII в. хрустальное стекло в России изготавливали также на стекольном и зеркальном заводе Мальцева в г. Гусь-Хрустальный.
Долгое время не удавалось получать достаточно большие плоские куски стекла. В 1894 г. на заводе Чемберса в Англии стекловар Любберс впервые получил длинный стеклянный пузырь, который легко тянулся, с помощью стеклодувной машины. Еще не застывшую трубку-холяву разрезали на куски, которые удавалось разложить на плоскости. Это был первый механизированный способ изготовления прозрачного листового стекла, пригодного для использования в качестве оконного.
Но до конца XIX в. не удавалось получить плоские стеклянные пластины достаточно большой площади. И только в 1902 г. бельгийскому инженеру Эмилю Фурко удалось изобрести машинный метод вытяжки стеклянных полотен, который был реализован в стекольной промышленности в 1913 г. При этом способе производства стекло вытягивалось из стекловаренной печи между двумя прокатными валиками в виде непрерывной ленты и поступало в камеру охлаждения, где резалось на отдельные листы. Однако полученные пластины были недостаточно ровными по толщине, изменяли траекторию проходящих солнечных лучей. Для улучшения оптических характеристик требовалась дополнительная шлифовка и полировка поверхностей. Иногда специально, чтобы скрыть недостатки, изготавливали стекло с фигурной поверхностью. Как и матовое, оно пропускало свет, но искажало изображение. Такое стекло подходило для внутреннего остекления, но не могло заменить полированные пластины.
Процесс получения оконных стекол из стеклянных пластин в середине XX в. был значительно усовершенствован англичанином Алистером Пилкингтоном. Но при этом на поверхности пластин оставались следы от роликов, поэтому по-прежнему требовалась их шлифовка и полировка. Процесс был дорогостоящим и расточительным. К тому же, кроме плоского оконного стекла, вскоре потребовалось гнутое стекло для автомобильных, витринных и других окон.
В 1959 г. для изготовления гнутого стекла британской фирмой "Пилкингтон Брозерз" был разработан высокопроизводительный процесс получения листового оконного стекла в виде длинной ленты, в процессе производства вертикально вытекающей из машинной щели. Процесс значительно удешевился, но поверхность стекла оставалась искаженной. Было необходимо сделать стекло с плоскими параллельными идеально полированными поверхностями. В итоге фирма "Пилкингтон Брозерз" предложила так называемый флоат-метод, который и лежит в основе современных методов получения оконного стекла.
Производство флоат-стекла состоит из пяти основных этапов. На первом этапе осуществляется подготовка сырья и его очистка от сторонних примесей. На втором сырье плавится при температуре порядка 1550°С и из расплавленного стекла удаляются пузырьки газа. После этого расплав охлаждается до вязкости, удобной для протягивания через ванну с оловом. На третьем этапе жидкое стекло выливается в ванну с расплавленным оловом, сделанную в виде ленты. Глубина расплава олова в ванне невелика, всего 6-10 мл. Благодаря высокой вязкости расплав стекла не смешивается с жидким металлом. Это обстоятельство как раз и обеспечивает идеально гладкую поверхность контакта для обоих материалов, что определяет, в конечном счете, качественную поверхность стекла. Толщина будущих листов стекла зависит от количества расплава стекла, вылитого в ванну. На четвертом лента стекла медленно, чтобы избежать появления искажений из-за остаточных напряжений в стеклянной массе, охлаждается до температуры, при которой стекло можно обрабатывать и резать. На пятом, заключительном, этапе охлажденная стеклянная лента нарезается на листы требуемых размеров. Так получается стекло равномерной толщины, с блестящей, полированной поверхностью. Лицензию на производство флоат-стекла в настоящее время имеют многие компании по производству гнутого и плоского оконного стекла во всем мире.
Многовековая проблема естественного освещения внутренности домов была решена. Изобретение оконных стекол завершило важный этап в создании безопасного человеческого жилища. Стекло прозрачно: человек более безопасно и психологически комфортно ощущает себя в окружающем пространстве, когда имеет возможность наблюдать за этой средой, находясь под защитой своего жилища.
Современное оконное стекло обладает разнообразными свойствами, его изготавливают по различным технологиям в зависимости от требований безопасности и назначения.
Стекло - отличный теплоизоляционный материал, прозрачный и достаточно прочный. Обеспечивая тепловую защиту зданий, оно решает главную задачу - хорошо пропускает видимый солнечный свет, обеспечивая естественное освещение внутренних помещений. Один из важнейших видов современного оконного стекла - специальное энергосберегающее (теплозащитное) стекло. Теплоизоляция в зимний период является наиболее важной функцией стекол для большинства регионов России. Придание энергосберегающих свойств стеклу связано с нанесением на его поверхность специальных оптических покрытий, которые обеспечивают прохождение в помещение коротковолнового солнечного излучения, но препятствуют выходу из него длинноволнового теплового излучения. Благодаря таким стеклам удается сократить расходы электроэнергии примерно на 30%. Тонированные и зеркальные стекла дополнительно скрывают внутренность помещения в случае необходимости.
В общественных местах стараются ставить прочные безопасные стекла. Большие полотна ударопрочного стекла в современных зданиях должны выдерживать ветровые нагрузки, при разрушении они не должны давать крупных острых осколков. Одно из первых ударопрочных стекол - это армированное стекло, внутри которого проходит металлический скелет-сетка. Армированное стекло - листовое стекло с металлической сеткой, безопасное и пожаростойкое. При пожаре оно образует эффективную преграду против дыма и горячих газов, и хотя оно может треснуть, арматура удерживает его на месте, предотвращая тем самым распространение огня. Осколки стекла не выпадают даже при образовании нескольких разломов, а удерживаются на месте арматурой. Армированное стекло может быть применено при остеклении заводских цехов, окон, фонарей, шахт лифтов и фасадов. Закаленное стекло является более стойким, чем армированное, и оно в 10 раз прочнее обычного. Закаленные стекла могут применяться при производстве стеклопакетов или ламинированных стекол.