ekookna@i.ua

Наш офис:

Киев, ул. Короленковская, 4

(044)361-34-36

(096)192-22-27

Стекло и стеклопакеты для пластиковых окон

Стекло представляет собой жидкость, которая находится в застывшем состоянии. Стекло - аморфное вещество, которое не имеет в твердом состоянии свойства кристаллического вещества. Оно не имеет собственную точку плавления, а переходы из жидкого состояния в твердое и наоборот происходят в широком температурном диапазоне, который для стекла составляет около 500°С (600...1100°С). Традиционными основными сырьевыми компонентами стекла являются кварцевый песок (69...74%), сода (12...16%), известняк и доломит (5...12%).

История широкого применения стекла при остеклении домов сравнительно молодая и берет свой отсчет с конца XIX ст., невзирая на то, что стекло, как конструкционный материал, известно человечеству с самых древних времен.

Уже в бронзовом веке человек в своем хозяйстве использовал естественное стекло - обсидиан.

Наидревнейшие образцы стеклянных изделий обнаружены в Египте. Речь идет о зеленой глазури, возраст которой оценивается приблизительно в 12 тыс. лет; из нее был изготовлен (приблизительно в 7000 году до н.э.) голубой амулет - самое древнее из найденных ныне стеклянных изделий.

В более-менее значительном количестве искусственное стекло впервые появилось за 3000...4000 лет до н.э. в древнем Египте и Месопотамии, где своего расцвета его производство достигло в 1550...1350 гг. до н.э.

В Ашмолейском музее в Оксфорде находятся черная стеклянная бусина и кусочек фаянса бирюзового цвета времен первой династии египетских фараонов, которые правили в 4000 году до н.э. Допускают также, что стекло начали изготовлять не египтяне, а ассирийцы, которые экспортировали свои изделия в Египет. Однако находки стекла в Ассирии, около Тель Асмера, расположенного западнее Багдада, относятся к 2700...2600 г.г. до н.э., следовательно, они значительно моложе египетских.

Сосуды из глины и фарфора с цветной стекломозаикой периода с 1766 по 1122 год до н.э. обнаруженные в Китае. Однако, Китаем не ограничивается развитие производства стекла на Дальнем Востоке - изделия из стекла, возраст которых относится к 2000 г. до н.э., найдены в Индии, Корее и Японии.

Примерно за 250 лет до н.э. состоялось открытие первого стеклянного завода в Александрии, а приблизительно на рубеже новой эры была изобретена стеклодувная трубка. В летописных источниках в связи с этим вспоминается город Сидон в 50 году до нашей эры. Спустя некоторое время, из готового стекла, используя метод выдувания, научились делать длинные стеклянные цилиндры, которые "раскрывали" и прямили, получая плоские листы. Этот способ использовали вплоть до 1900-х годов для изготовления художественного стекла.

Римляне ознакомились с производством стекла благодаря завоеванию Египта. К временам Римской империи относятся и самые давние письменные упоминания о стекле. Они принадлежат Плинию Младшему (77 год н.э.), который в одной из своих книг описывает стекло и его производство.

Из Рима стеклоделие стало распространяться в Галлию, Британию и Германию. В конце I ст. н.э. стекло уже производилось в Кельне и Трире. С распадом Римской империи приходит в упадок и искусство изготовления стекла.

В XIII ст. на острове Мурано, около Венеции, опять расцветает стеклянная промышленность. В конце средневековья производство стекла широко развивается в Германии. В 1688 г. француз Лука де Негу изобрел способ изготовления и шлифования большого зеркального стекла. К этому времени стоит отнести и появление первых оконных стекол, которые были в то время большой редкостью.

В Украине первые стеклянные изделия были получены в X...XI ст.ст. в Киеве. Они сразу же отличались тонкостью и изысканностью отделки, экспортировались за границу.

Массовое производство стекла стало возможным только в конце XIX ст. благодаря изобретению печи Сименса-Мартина и заводскому производству соды. В XIX ст. появились первые машины-автоматы для изготовления изделий из полого стекла. И только в XX ст. были разработаны различные способы вытягивания бесконечной ленты стекла: методы машинного вытягивания стекла Либби-Оуэнса, Фурко (рис. 1), Питтсбурга.

Способом Эмиля Фурко, разработанным в 1902 году, стекло вытягивалось по вертикали из стекловаренной печи через прокатные вальцы в виде непрерывной ленты наружу, поступая в шахту охлаждения, в верхней части которой оно разрезалось на отдельные листы. Толщина стекла при этом регулировалась путем изменения скорости вытягивания.

На основе этого технологического процесса было освоено изготовление рельефного стекла, что позволило архитекторам использовать его для остекления домов. Настоящий стекольный бум начался после первой мировой войны. Расширение применения этой технологии в период с 1920 по 1930 годы привело к 60%-му снижению цен.

Этот метод находит применение вплоть до настоящего времени. Стекло, получаемое этим методом, называется тянутым стеклом. Для изготовления оконных и зеркальных стекол тянутое и прокатное листовое стекло подвергают шлифованию и полированию.

Однако, несмотря на общее улучшение дел в отрасли, камнем преткновения оставалась полировка. Она продолжала быть самостоятельным технологическим процессом все еще отнимавшим значительное количество времени и сил. Производство стекла для окон навсегда изменилось в 1959 году с момента разработки английским изобретателем Аластером Пилкингтоном флоат-процесса, который убрал различие в понятиях плоского и полированного стекла. При этом процессе стекло поступает из печи плавления в горизонтальной плоскости в виде плоской ленты через ванну с расплавленным оловом на последующее охлаждение и отжиг. Огромным преимуществом флоат-метода, в сравнении со всеми предыдущими, является, кроме всего прочего, более высокая производительность, стабильная толщина и высокое качество поверхности. По качеству поверхности такое стекло не уступает полируемому, - флоат-процес вытесняет технику шлифования и полирования оконного стекла.

Флоат-стекло характеризуется исключительной ровностью и отсутствием оптических дефектов. Самый большой размер получаемого оконного стекла, как правило, составляет 5100...6000x3210 мм, при этом толщина листа может быть от 2 до 25 мм. Получаемое стекло может быть прозрачным, окрашенным или иметь специально нанесенное покрытие. Стекло, получаемое с помощью флоат-метода, называется флоат-стеклом, и в настоящее время является наиболее распространенным типом стекла, которое используется для производства стеклопакетов для пластиковых окон, зеркал, витрин, витражей, архитектурных и интерьерных конструкций и автомобильного стекла. Схема производства флоат-стекла показана на рис. 2.

Рис. 1. Схема вытягивания стекла способами Либби-Оуэнса (а) и Фурко (б)

Кроме обычных прозрачных стекол в строительстве применяются специальные стекла - стекло окрашенное в массе и стекло со специальным покрытием или пленками, к которым применяют общий термин - "низкоэмиссионные стекла" с LowE покрытиями. В зависимости от способа нанесения, их обозначают "К" или "I" (твердое или мягкое соответственно).

Окрашенное в массе стекло изготовляется из сырьевых материалов, в которые добавляются различные вещества для получения желаемого цвета. Более всего распространенными являются цвета - бронзовый, серый, зеленый, голубой. При этом можно изготовлять стекло и других цветов. Окрашенное в массе стекло известно также как солнцезащитное или абсорбирующее стекло, поскольку такое стекло само по себе поглощает (абсорбирует) больше солнечной тепловой энергии и света, чем обычное прозрачное.

Рис. 2. Схема производства стекла флоат-методом

Применение низкоэмиссионного стекла (тепловых зеркал) в конструкциях оконного и фасадного остекления позволяет решать широкий спектр архитектурно-строительных задач и является одним из наиболее перспективных направлений в мировой стеклянной индустрии.

Определяющей идеей в низкоэмиссионных технологиях является напыление на поверхность флоат-стекла токопроводящего покрытия из цветных металлов или полупроводниковых оксидов, содержащих свободные электроны. За счет электропроводимости и явлений интерференции, вызванных наличием в покрытии свободных электронов, могут быть получены стекла, предназначенные для выполнения следующих функций:

  • сокращение потерь тепла помещением за счет отражения тепловых волн в инфракрасном диапазоне;
  • отражение солнечной радиации;
  • защита помещений от электромагнитного излучения и радиоволн;
  • отражение излучения в видимом диапазоне.

Напыление может наноситься как на прозрачное стекло, так и на стекло, окрашенное в массе, при этом возможно получение таких специфических конструкций как электрообогревающие стекла или "антистатические" стекла (защищенные от накопления статического электричества).

В зависимости от функционального назначения проектируемого застекления, в нем могут быть применены упомянутые выше два типа покрытия, которые принципиально различаются по технологии нанесения, - твердое и мягкое.

"Твердое покрытие" ("Hard coating" - англ.) на основе оксида олова Sn02F, которое называется еще "полупроводниковым покрытием". Стекло с таким покрытием, как правило, отмечают в специальной литературе термином "К-стекло". Название происходит от названия фирмы "Pilkington К Glass" производства концерна "Pilkington". Покрытие наносится непосредственно на одной из стадий производства флоат-стекла (так называемая технология "on-line" - англ. "на линии") за счет химической реакции пиролиза (разложения вещества под действием высоких температур). Во время этой реакции слой оксида олова оседает на поверхность горячего стекла, становясь неотделимой его частью. При этом образуется крепкое металлическое покрытие, которое имеет химическую, механическую и термическую стойкость, равноценную стеклу без покрытия. Твердые покрытия стойки к влиянию погодных условий и выдерживают влияние температур к 620°С.

Таким образом, "К-стекло" пропускает инфракрасные (тепловые) лучи только в одном направлении. Поэтому при установке таких стекол в пластиковое окно, нужно внимательно следить, чтобы "К-покрытие" было обращено внутрь помещения. В ином случае инфракрасное излучение будет легко выходить из помещения и не поступать извне, например от солнца, отражаясь от стекла.

"Мягкое покрытие" ("Soft coatinn" - англ.) на основе серебра - Ag, изображается в литературных источниках как "I-стекло". Покрытие наносится на готовое флоат-стекло (технология "off-line" - англ. "вне линии") и удерживается на нем силами молекулярного взаимодействия. Состоит из нескольких тонких слоев, выбор которых зависит от требуемых характеристик застекления, излучательной способности, светопропускания, а также оптических свойств - устранения нежелательного отражения ("бликов").

В отличие от "твердых" покрытий, "мягкие" ограниченно стойкие относительно погодных и температурных влияний. Однако, при установке в стеклопакете - покрытием в сторону воздушной камеры, имеют долговечность, сравнимую с "твердыми" покрытиями.

Принципиальный состав слоев "твердого" и "мягкого" покрытий приведен на рис. 3.

Рис. 3. Состав слоев современных низкоэмиссионных покрытий: а - "твердое покрытие"; б - "мягкое покрытие";
1 - флоат-стекло; 2 - слой Na+, блокирующий диффузию; 3 - слой на основе оксида олова SnO2; 4 - адгезионный слой; 5 - блокировочные (фиксирующие) слои; 6 - слой серебра; 7 - покрывающий слой


При использовании стекла в производстве пластикового окна с повышенными требованиями к безопасности (стеклянные крыши, наклонные застекленные плоскости фасадов и т.п.) применяют закаленные или ламинируемые стекла.

Закалкой называют процесс термоупрочнения стекла, основанный на специфике его физических свойств. Как уже отмечалось, на температурной шкале стекло не имеет определенной точки затвердевания, при которой оно переходило бы из жидкого состояния в твердое. Поэтому его можно нагревать до температуры, немного выше той, при которой молекулы, как у вязкой жидкости, еще способные к пластичному сдвигу без появления внутренних напряжений. Если стекло нагреть так, чтобы весь его объем имел одинаковую температуру (немного выше 570°С), а затем быстро охладить, то поверхность его затвердеет, в то время как внутренний слой еще останется пластичным. При последующем постепенном охлаждении затвердеет и внутренняя часть. Однако она не сможет сжиматься с такой же силой, как до закалки, поскольку внешние, уже затвердевшие слои стекла не могут теперь деформироваться без возникновения напряжений.

Таким образом, в результате термической обработки, которая заключается в нагревании стекла до температуры закалки и последующем быстром охлаждении, внешние слои его приходят в состояние сильного сжатия, а внутренние - в состояние растяжения. В результате в стекле образуется система напряжений, которая обеспечивает его высокую механическую и термическую прочность в сравнении с обычным стеклом, которое может воспринимать только небольшие растягивающие усилия.

При разрушении закаленное стекло распадается на мелкие осколки округленной формы, которые не имеют острых режущих граней.

Под общим термином ламинирование понимают изготовление многослойных конструкций из стекла с помощью поливиниловой пленки или специального жидкоподобного материала-смолы, а изготовленные таким способом конструкции называют ламинированными стеклами.

Ламинированное стекло может состоять из нескольких слоев одинаковых или разных по толщине и типу стекол, которые могут быть прямыми или криволинейными в соответствии с заданной формой. Толщина полученного ламинированного стекла зависит от количества стекол и их толщины, а также от толщины ламинирующих слоев.

Наиболее распространенным типом ламинируемого стекла, применяемого в оконных и фасадных конструкциях разных классов безопасности, является, так называемый, триплекс - конструкция из двух стекол и промежуточного ламинирующего слоя. В отдельных случаях возможно наклеивание пленки на стекло с одной стороны - так называемое одностороннее ламинирование.

Основным преимуществом ламинированных многослойных конструкций из стекла является безопасность при разрушении. Поскольку при разрушении осколки стекла остаются "висеть" на эластичной пленке, не возникает опасности образования осколков стекла, способных нанести травму. С помощью ламинирования можно изготовлять конструкции, которые могут служить как стекла, защищающие от взлома и взрывной волны, а также как пуленепробиваемые, ударопрочные и огнезащитные стекла. Ламинированные стекла хорошо защищают также и от ультрафиолетового излучения. При этом необходимо отметить, что ламинирование (в отличие от закалки) не увеличивает механическую прочность самого стекла.

В основе пленочного ламинирования лежит принцип соединения пленки и стекол, предварительно вырезанных по заданному размеру. Отрезанные стекла моются, после чего выполняется операция сборки элемента, если нужно получить прямое стекло. Между заготовками стекол содержится пленка, толщина которой обычно равняется 0,38 мм или 0,76 мм. Цветовую гамму ламинируемых стекол можно расширить за счет использования, как стекол разного цвета, так и разного цвета пленок, используемых для ламинирования. Процесс ламинирования является двустадийным. После операции сборки идет операция предварительного ламинирования - стеклянные элементы подвергаются сжатию, так называемой "холодной правке" в роликовой правильной машине. После этого элемент нагревают до температуры 80...90°С. Эту окончательную стадию операции ламинирования называют "горячей правкой".

Стекла, полученные методом жидкостного ламинирования отличаются от стекол, заламинированных с помощью пленки, как самим способом производства, так и свойствами, которые приобретает готовое изделие. Среди особенностей, которые отличают стекла, полученные жидкостным ламинированием, можно отметить следующие:

  • одно или оба стекла могут иметь шершавую поверхность;
  • можно использовать низкоэмиссионные стекла с покрытием, тогда как горячее ламинирование с помощью пленки может испортить покрытие;
  • можно использовать очень толстые стекла.

Многослойные стекла, полученные с помощью обычного жидкостного ламинирования, мало отличаются с точки зрения пропускания видимого света от обычного прозрачного стекла. За счет добавления пигментов к ламинирующей жидкости можно изготовлять цветные жидко-ламинированные стекла. "Цветной эффект" можно усилить путем общего использования подкрашенных жидкостей для ламинирования со стеклами с зеркальной поверхностью.

При необходимости получения выразительных архитектурных решений стекло может быть подвержено мелированию - изгибу. Молирование стекол выполняют в нагревательных камерах или печах с использованием специальных форм для придания нужной конфигурации. Перед молированием стекло вырезают в соответствии с заданной формой.

Для строительства, как правило, гнутые стекла изготовляют небольшими сериями. Изготовление молированных стекол является сложной операцией и предполагает наличие у производителя особых знаний и навыков. Учитывая требования, которые выдвигаются к промышленному производству и к качеству готового продукта, в производстве гнутых стекол для потребностей строительной промышленности используется, так называемая, техника формирования на оболочках - стекло нагревают и гнут в специальных печах. Стекло при нагревании сгибается по поверхности специально изготовленной стальной формы, приобретая желаемую форму. При производстве гнутого стекла его охлаждают таким образом, чтобы в готовом изделии было как можно меньше напряжений. Минимальный радиус изгибания стекла определяют в соответствии с толщиной стекла (рис.4), при этом размеры стекла зависят от производственного оборудования, имеющегося у изготовителя, и факторов, которые зависят от формы пластиковой конструкции. Следует отметить также, что гнутые стекла можно тоже ламинировать. Основные прочностные и физико-технические характеристики стекла приведены в табл. 1

Рис. 4. Зависимость минимального радиуса изгиба от толщины стекла

Таблица 1. Прочностные и физико-технические характеристики стекла

Разрушающие нагрузки на стекла

Проанализируем подробнее характер разрушения стекла под действием разнообразных нагрузок.

Специфической особенностью стекла является необходимость учета ослабленных за счет технологических микротрещин кромок, на которых собственно и возникают максимальные напряжения изгиба. В этой связи можно говорить о том, что самый большой риск разрушения существует на кромках стекла.

При этом причиной разрушения стекол, которое начинается на крае (где стекло было отрезано), есть локальные растягивающие напряжения. Если на краю стекла уже есть трещина или микротрещина, даже небольшие краевые растягивающие напряжения разрушают стеклянную пластину.

Температурные разрушающие нагрузки. Краевые растягивающие напряжения могут быть вызваны разницей температур в разных частях стекла. Когда на улице стоят типичные для наших климатических зон зимние морозы, теплый воздух, идущий наружу изнутри помещений, нагревает поверхность стекла. При этом температура краевой зоны стекла, закрытая оконным профилем, как правило, ниже температуры в его центре.

Центральные части стекла, которые имеют более высокую температуру в сравнении с краевыми зонами, стремятся расшириться. При этом более холодные краевые участки препятствуют расширению, что приводит к возникновению в них напряжений растяжения. Трещины и микротрещины работают на поверхностях краев стекол как клинья, которые разрушают стекло, разрывая его. Характерная картина разрушения стекла под действием температурных напряжений в краевой зоне изображена на рис. 7.5. Картина разрушения показывает место зарождения трещины и характеризует характер и величину напряжений.

Рис. 5. Характерная картина разрушения стекла под действием температурных растягивающих напряжений в краевой зоне:
а - единичная трещина, б - напряженное состояние по контуру


Риск начала разрушения по краям стекол увеличивается в солнцезащитных стеклах, которые поглощают тепловое солнечное излучение, под действием которого средняя часть стеклянной пластины сильно нагревается. Тени, которые могут падать на стекло, клейкая лента и рекламные объявления, которые наклеиваются на стеклянную поверхность, увеличивают разницу температур между разными участками стекла, и вероятность разрушения возрастает.

Риск разрушения пластин обычного прозрачного строительного стекла и вероятность этого закономерно связаны со скоростью подъема температуры. Обычные (не экстремальные) перепады температуры внешнего воздуха не могут быть причиной возникновения значительного напряженного состояния, которое могло бы привести к разрушению.

Если разница температур между разными участками стеклянной пластины составляет 20°С, то риск разрушения отсутствует. При достижении разницы температур 40°С вероятность разрушения составляет 20%. Когда разница температур равняется 55°С, вероятность разрушения равняется 50% или, иначе говоря, половина стекол может разрушиться. И, наконец, когда разница температур превышает 90°С, все обычные прозрачные строительные стекла разрушаются.

Температурное разрушение стекла может состояться и в результате непосредственного термоудара. Однако этот случай значительно менее вероятен, чем разрушение, вызванное краевыми и поверхностными напряжениями.

 

Ударные разрушающие нагрузки

Нагрузка под воздействием ударной волны. Взрыв массы или газа порождает взрывную волну, давление которой вырастает за 0,01..01 с, как правило, к значениям порядка 5...50 кН/м2. На величину и продвижение взрывной волны влияют расстояние и расположение места взрыва относительно рассмотренного объекта, а также характер поверхностного слоя материалов, на которые влияет волна. При этом величина избыточного давления, возникающего в результате взрыва, не является величиной постоянной, а изменяется во времени (в долях секунды). Характер продвижения взрывной волны показан на рис.6.

При проектировании свегопрозрачных конструкций, учитывая взрывобезопасность, следует рассматривать функциональное назначение остекления и задачи, связанные с его поведением в момент аварийного взрыва. Так, при проектировании жилых домов остекление в Украине и России всегда рассматривалось как легкосбрасываемые конструкции (ЛСК), которые обеспечивают выход взрывной волны наружу при аварийном взрыве природного газа в одной из квартир. В этом случае обеспечивается снижение избыточного давления внутри квартиры за счет истечения газа (воздушно-газовой смеси или продуктов сгорания) через открытый проем. Если время вскрытия остекления велико, взрывное давление влияет в течение этого времени на несущие конструкции - стены и перекрытия, что может вызывать прогрессирующее обрушение дома.

Рис. 6. Продвижение взрывной волны (По данным Инженерного бюро Аулис Бертин - Финляндия)

Проектирование остекления в местах массового скопления людей (окна домов, магазинов, подземные торговые комплексы, зрелищные здания и тому подобное) необходимо рассматривать исходя из требований эвакуации и минимально возможного разброса опасных для людей осколков при аварийном взрыве. В этом случае остекление, в отличие от жилых зданий, должно оказывать, по возможности, как можно большее сопротивление взрывной волне в течение возможно более длительного времени.

Следует отметить, что в соответствии с украинскими и российскими строительными нормами, при взрывах внутри зданий и сооружений временное сопротивление избыточному взрывному давлению остекленных конструкций не должно превышать 5 кПа.

Различные удары. На стекла могут быть направлены нагрузки, вызванные ударами разными предметами. Их можно условно разделить на удары твердыми, острыми и тяжелыми предметами, а также на удары, вызванные различными пулями.

Показателем стойкости стекла к влиянию удара является величина энергии (работы), потраченной на его разрушение. Поскольку сопротивление удару являются основным показателем при проектировании противовзломных окон, имеет смысл привести короткое описание оценочных методик, применяемых для стекол.

Так, в соответствии со стандартами Финляндии, класс безопасности изделия из стекла и его ударная прочность относительно разрушения твердым предметом определяется следующим способом. На испытуемую стеклянную деталь размером 1100x900 мм падает стальной шар весом 4110 граммов и диаметром 100 мм. Испытания считаются успешными, если шар не прошел насквозь испытуемой детали. Классификация соответствующих классов безопасности приведена в табл. 2.

Таблица 2. Классификация классов безопасности стекол на ударную прочность к твердому предмету

Для проведения испытаний на ударную прочность к острому предмету деталь устанавливается в специальный испытательный станок. Острый предмет имеет форму острого топора, и его масса должна быть 2000 г. Размер испытуемой детали равняется 1100 х 900 мм.

При проведении испытаний на ударную прочность от тяжелого предмета на испытуемую стеклянную деталь с разной высоты падает кожаный мешок весом 45 кг. Размер испытуемой детали равен 865x1930 мм. Классификация по соответствующим классам безопасности приведена в табл. 3.


Таблица 3. Классификация классов безопасности стекол на ударную прочность к тяжелому предмету

Пластиковые окна - Главная\ Стеклопакеты\ Стекло и стеклопакеты для пластиковых окон