Cum se fabrică sticla? [Două metode principale]

Multe societăți din epoca de piatră din întreaga lume foloseau sticla naturală, cum ar fi obsidianul vulcanic, pentru a confecționa unelte de tăiere ascuțite. Cu toate acestea, conform dovezilor arheologice, prima sticlă adevărată a fost creată pe coasta de nord a Siriei, în Mesopotamia sau în Egipt.

Istoria primelor obiecte de sticlă cunoscute poate fi urmărită până cel puțin în anul 2.000 î.Hr. Mărgelele, de exemplu, au fost create în timpul producției de faianță, un material vitros.

De atunci, procesul de fabricare a sticlei s-a schimbat foarte mult. Progresele în știința materialelor și în tehnicile de fabricație au făcut posibilă producerea sticlei cu proprietăți specifice de reflexie, refracție și transmisie, care pot fi utilizate în prisme, lentile optice și materiale optoelectronice.

În prezent, sticla este fabricată cu ajutorul a două tehnici principale: procedeul Float Glass, care presupune plutirea sticlei topite pe un pat de metal topit, și Glassblowing, care presupune umflarea sticlei topite în bule.

Sticla topită se obține prin încălzirea nisipului obișnuit (care conține în cea mai mare parte dioxid de siliciu) la temperaturi foarte ridicate până când se topește și se transformă în lichid. Când nisipul este lăsat să se răcească, nu revine la starea inițială. În schimb, se transformă într-un solid amorf, un solid necristalin în care atomii și moleculele nu sunt organizate într-un model de rețea definit.

Haideți să aprofundăm și să aflăm care este materialul și procesul implicat în ambele metode și cum arată viitorul lor.

Metoda 1: Procesul de sticlă flotată

În această metodă, o foaie de sticlă este produsă prin plutirea sticlei topite pe un pat de metal topit, cum ar fi staniu sau plumb. Se utilizează pentru a produce foi de sticlă cu grosime uniformă și suprafețe plane. Să trecem în revistă procesul pas cu pas:

1. Topirea și rafinarea

Printre materiile prime utilizate în mod obișnuit pentru fabricarea sticlei float se numără nisipul, dolomita, turta de sare (sulfat de sodiu), cenușa de sodă (carbonat de sodiu) și calcarul. Alte materiale sunt adesea folosite ca agenți de rafinare pentru a modifica caracteristicile chimice și fizice ale sticlei.

Aceste ingrediente sunt amestecate într-un proces discontinuu în proporția potrivită. Întregul lot este apoi introdus într-un cuptor unde este încălzit la aproape 1.500 °C. Majoritatea cuptoarelor pot conține peste 1.000 de tone de materiale.

Când sticla este topită, temperatura sa este stabilizată la 1.200 °C pentru a verifica densitatea relativă sau greutatea specifică.

2. Baie de staniu

Sticla topită din cuptor curge în baia de flotare, o baie de staniu topit, printr-o buză ceramică numită buză de vărsare. Cantitatea de sticlă turnată pe staniu este controlată de o poartă, cunoscută în mod obișnuit sub numele de tweel.

Staniul este o alegere preferată pentru acest proces, deoarece este coerent și imiscibil cu sticla topită. De asemenea, are o greutate specifică ridicată. Cu toate acestea, se oxidează în aer pentru a forma dioxid de staniu, care aderă la sticlă. Pentru a preveni această oxidare, staniul este tratat cu hidrogen și azot.

Sticla curge de-a lungul băii de staniu și formează o panglică plutitoare cu grosime uniformă și suprafețe netede pe ambele părți. Pe măsură ce acest lucru se întâmplă, temperatura este scăzută încet (până la 600 °C) și panglica de sticlă este scoasă din baie de către role.

Grosimea produsului care iese poate fi controlată prin modificarea vitezei rolelor și a vitezei de curgere a sticlei. În mod obișnuit, rolele sunt plasate deasupra staniului topit pentru a regla grosimea, precum și lățimea panglicii de sticlă.

Unele tipuri de sticlă sunt realizate reflectorizante. În astfel de cazuri, pe suprafața panglicii răcite se aplică fie un strat moale, fie un strat dur.

3. Recoacere

De îndată ce sticla iese din baie, trece printr-un cuptor lehr – un cuptor lung cu un gradient de temperatură de la un capăt la altul. Acest lucru permite recoacerea sticlei fără tensiune. De asemenea, previne crăparea sticlei din cauza schimbării de temperatură.

Mai exact, acest proces modifică proprietățile chimice și fizice ale sticlei, reducându-i duritatea și făcându-l mai ductil.

4. Inspecție

Cu ajutorul tehnologiei de inspecție acută și avansată, pot fi efectuate milioane de inspecții pe parcursul procesului de fabricare a sticlei. Cele mai multe dintre acestea implică identificarea tensiunilor, a grăunților de nisip și a bulelor de aer care reduc calitatea sticlei.

În prezent, există mii de sisteme capabile să inspecteze cu precizie calitatea optică, distorsiunea, tensiunea, grosimea și planeitatea sticlei în cel mai scurt timp posibil de-a lungul procesului de producție.

5. Tăiere

La ieșirea din “capătul rece” al cuptorului lehr, sticla este tăiată și modelată conform cerințelor clientului, cu ajutorul unor echipamente specializate. Foile mari de sticlă sunt tăiate cu o masă de tăiere semiautomată asistată de calculator. Aceste foi sunt apoi despărțite manual în foi de sticlă individuale.

În timp ce majoritatea tăietorilor de clasă folosesc o roată mică și ascuțită din carbură de tungsten sau oțel călit, unii folosesc un diamant pentru a crea despicarea.

Utilizări ale paharelor de float

Sticla flotată a devenit cea mai populară formă de sticlă în produsele de consum. Acesta poate fi produs în diferite culori și opacitate. Prezintă un grad ridicat de transmisie a luminii și o bună inerție chimică.

Aceste proprietăți fac ca sticla float să fie ideală pentru o gamă largă de aplicații, cum ar fi oglinzile, ferestrele, ușile, mobilierul și sticla pentru automobile. De asemenea, are numeroase aplicații în arhitectura modernă, atât în construcțiile casnice, cât și în cele comerciale.

Odată cu progresele recente în producția de sticlă float, cum ar fi sticla float ultra-subțire, se descoperă noi aplicații în electronică și tehnologie. Compozițiile de aluminosilicați, cum ar fi Gorilla Glass (care conține dioxid de siliciu, aluminiu, sodiu și magneziu), sunt utilizate de o varietate de smartphone-uri și alte dispozitive electronice.

Metoda 2: Suflarea sticlei

În această tehnică de formare a sticlei, sticla topită este umflată într-o bulă cu ajutorul unui tub de suflare. Este utilizată pentru a produce sticle și alte recipiente.

Cum funcționează?

Umflarea se referă la procesul de expansiune a unui bulgăre de sticlă topită prin injectarea unui volum mic de aer în el. Deoarece atomii din sticla lichidă sunt atașați prin legături chimice puternice într-o rețea aleatorie și dezordonată, sticla topită este suficient de vâscoasă pentru a fi suflată. Acesta se întărește lent pe măsură ce se răcește.

Pentru a facilita procesul de suflare, rigiditatea sticlei topite este mărită prin modificarea ușoară a compoziției sale. Se pare că adăugarea unei cantități mici de natron face ca sticla să fie mai rigidă pentru suflare. (Natronul este o substanță naturală care conține carbonat de sodiu decahidrat și bicarbonat de sodiu)

În timpul suflării, straturile mai groase de sticlă se răcesc mai lent decât cele mai subțiri și devin mai puțin vâscoase decât stratul mai subțire. Acest lucru face posibilă producerea de sticlă suflată cu grosime uniformă.

În ultimele două decenii, au fost dezvoltate metode de suflare a sticlei mai eficiente și mai eficace. Cele mai multe dintre ele implică aceleași etape:

Pasul 1: Puneți sticla într-un cuptor și încălziți-o la 1.300 °C pentru a o face maleabilă.

Pasul 2: Puneți un capăt al tubului de suflat în cuptor și rostogoliți-l peste sticla topită până când se lipește de el o “gură” de sticlă.

Pasul 3: Se rostogolește sticla topită pe un marver, o placă metalică plată, care este confecționată din oțel lustruit, grafit sau o suprafață de alamă fixată pe o masă din lemn sau metal. Marverul este folosit pentru a controla forma, precum și temperatura sticlei.

Un marver folosit pentru a modela sticla

Pasul 4: Suflați aerul în țeavă pentru a crea o bulă. Adunați mai multă sticlă peste acea bulă pentru a obține o piesă mai mare. Odată ce sticla a fost suflată la dimensiunea dorită, fundul este finalizat.

Pasul 5: Atașați sticla topită la o tijă de fier sau de oțel inoxidabil (cunoscută în mod obișnuit sub numele de punty) pentru a modela și transfera piesa goală din tubul de suflat.

Pasul 4: Adăugați culoare și design prin scufundarea în sticlă colorată zdrobită. Aceste bucăți zdrobite fuzionează rapid cu sticla principală datorită temperaturii ridicate. Modele complexe și detaliate pot fi construite folosind un baston (tije de sticlă colorată) și murrine (tije tăiate în secțiuni transversale pentru a dezvălui modele).

Pasul 5: duceți produsul rezultat înapoi la marmorărie și rulați-l din nou pentru a-i da forma dorită.

Pasul 6: Îndepărtați sticla din tubul de sticlă cu ajutorul unei pensete de oțel. În mod obișnuit, partea inferioară a sticlei suflate este separată de țeava de suflat rotativă. Aceasta poate fi îndepărtată de pe țeava de suflat cu o singură lovitură puternică.

Pasul 7: Puneți sticla suflată într-un cuptor de recoacere și lăsați-o să se răcească timp de câteva ore. Pentru a preveni formarea de fisuri la întâmplare, nu-l expuneți la schimbări rapide de temperatură.

Sticlă suflată romană din secolul al IV-lea d.Hr

Această metodă necesită răbdare, tenacitate și dexteritate extreme. Crearea unor piese complexe și de mari dimensiuni necesită un grup de sticlari experimentați.

Impactul asupra mediului

Impactul major al fabricării sticlei asupra mediului este cauzat de procesele de topire, care emit diverse gaze în atmosferă. De exemplu, arderea combustibilului sau a gazelor naturale și descompunerea materiilor prime duce la emiterea de dioxid de carbon.

În mod similar, descompunerea sulfatului din materialele de lot produce dioxid de sulf, care contribuie la acidificare. Descompunerea compușilor de azot eliberează oxizi de azot, care contribuie la acidificare și la formarea smogului. În plus, evaporarea materiilor prime și a componentelor topite ejectează tone de particule în atmosferă.

Alți factori, cum ar fi emisia de compuși organici volatili și producția de deșeuri solide în timpul procesului de fabricație, ridică, de asemenea, probleme de mediu.

Cu toate acestea, sticla reciclată poate depăși multe dintre aceste probleme. Ea poate fi reciclată de mai multe ori fără pierderi semnificative de calitate. Fiecare 1.000 de tone de sticlă reciclată poate duce la o reducere cu 300 de tone a emisiilor de dioxid de carbon și la economii de energie de 345.000 kWh.

La o scară mai mică, reciclarea unei singure sticle de sticlă ar putea economisi suficientă energie pentru a alimenta o lampă LED de 20 W timp de o oră.

Deși ambele tehnici de producție au evoluat mult în ceea ce privește eficiența, reducerea în continuare a emisiilor de particule de praf, dioxid de carbon și dioxid de sulf reprezintă în continuare principalele obiective de mediu pentru producția de sticlă plată.

Citiți și: Cum se fabrică hârtia? Procesul pas cu pas

Piața

În 2019, piața globală de producție a sticlei a fost evaluată la 127 de miliarde de dolari și se preconizează că va crește cu un CGAR de 4,1% între 2020 și 2027.

Principalii factori care ar putea impulsiona această creștere a pieței includ cererea tot mai mare de electronice de consum și pătrunderea inteligenței artificiale în aplicațiile de consum și de afaceri.

Se preconizează că sticla plană va juca un rol cheie în aplicațiile arhitecturale în anul următor.

Tendința recentă sugerează o tranziție rapidă în arhitectura clădirilor care maximizează lumina naturală a zilei prin integrarea sticlei plate în acoperișuri și fațade. Deoarece sticla plată cu izolație triplă de argint și Low-E contribuie la economii semnificative de energie, aceasta ar putea fi utilizată pe scară largă în clădirile ecologice din întreaga lume. De asemenea, este probabil ca sticla plată solară să observe o creștere semnificativă în următorii ani.

Citește: 22 de clădiri din sticlă excepționale din întreaga lume

China este în prezent principalul exportator mondial de sticlă și articole din sticlă, exporturile sale reprezentând peste 23% din exporturile mondiale de sticlă și articole din sticlă, la o valoare de aproape 18 miliarde de dolari. Germania și Statele Unite reprezintă aproximativ 9% și 7% din exporturile mondiale de sticlă.