XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Стоит ли идти работать стекловаром?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Немировский М.Д. 1

---

1МБОУ Лицей №3

Скуратова И.Е. 1

---

1МБОУ Лицей №3

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Паспорт проекта

Название проекта: Стоит ли идти работать стекловаром.

Руководитель проекта: Скуратова И.Е.

Автор : Немировский Михаил Денисович, ученик 11 «Е» класса

Учебная дисциплина: Химия

Тип : информационно - исследовательский

Цель работы: На основе проведенной работы составить брошюру с нужной информацией для 11 классов о профессии стеклодув

Задачи работы:

1) кто такой стеклодув, и как произошла эта профессия

2) Рабочий материал: стекло и варка стекла

3) Где обучают делу выдувальщика

4) Что нужно для поступления

5) Примеры из работы стеклодува

6) Опрос среди 11-классников.

7) Создание брошюры для 11 классов

Вопрос проекта: Стоит ли идти на стеклодува?

Краткое содержание проекта: определение понятия стеклодув, история происхождения, получения стекла, свойства и классификация стекла, варка стекла, учреждения для стеклодува, вещества, окрашивающие стекла, опрос 11 классов и создание брошюры.

Результат проекта: брошюра с нужной для поступающих информацией .

Содержание

1 Теоритическая часть

1.1) Стеклодув – это

1.2) История зарождения «стеклодува»

1.3) С чем работает стеклодув

1.3.1) Из чего получают стекло

1.3.2) Основные свойства стекла и их классификация

1.4) Древнейшие виды стекла и технологии варки

1.5) Учреждения, в которых можно получить образование стеклодува

1.6) Что нужно и чем нужно обладать, чтобы быть стеклодувом

2 Практическая работа

2.1) Пример работы стеклодува

2.1.1 Оборудование

2.1.2 Реактивы

2.1.3 Продукт

3 Продукт

3.1) Проведение опроса

3.1) Обобщение всей информации

3.2) Создание брошюры

Введение

Актуальность темы

«Пою в восторге похвалу

Не камням дорогим, ни злату,

но Стеклу». (М. В. Ломоносов)

Информация, которая представлена в этой работе, больше нигде нет. В работе собрана вся информация, которая нужна для 11 классов, которая пригодиться им при выборе дальнейшего пути развития.

Цель: На основе проведенной работы составить брошюру с нужной информацией для 11 классов о профессии стеклодув.

Задачи:

1) кто такой стеклодув, и как произошла эта профессия

2) Рабочий материал: стекло и варка стекла

3) Где обучают делу выдувальщика

4) Что «нужно» для профессии стеклодува

5) Примеры из работы стеклодува

6) Опрос среди 11-классников.

7) Создание брошюры для 11 классов

Объект исследования: профессия стеклодув.

1. Теоретическая часть

1.1) Стеклодув – это

Стеклодув-это специалист, который создаёт изделия из стекла, из расплавленной горячей стеклянной массы методом выдувания. Онделаетэтоспомощьюспециальнойтрубки,создаваястеклянныепредметыразличныхразмеров,форминазначений. Также он изготавливает различные заготовки и изделия на специализированных стеклоформовочных машинах.

1.2) История зарождения «стеклодува»

История профессии стеклодува насчитывает около 2000 лет, хотя человечество открыло для себя стекло гораздо раньше. Еще в Древнем Египте в VI тысячелетии до нашей эры люди научились создавать стеклянные сосуды, украшения и пластины путем переплавки кремнезема в печах. Уже тогда мастера заметили, что цвет стекла можно менять путем добавления в него различных минералов. Чаще всего стекло использовали в производстве мозаики, а технологии держали в строжайшей тайне.

Только в I веке нашей эры на территории современной Сирии была изобретена первая стеклодувная трубка, которая претерпела минимальные изменения в течение последующих 20 веков. Новшество быстро распространилось по всей Римской империи, появились стеклодувные мастерские в разных ее уголках.

Но с падением Рима в V веке стеклодувное ремесло быстро пришло в упадок, а знания древних мастеров были утрачены. Его второе рождение состоялось спустя пять столетий благодаря усилиям небольшой группы художников, поселившихся на нескольких островах Венецианской лагуны. Здесь началось производство знаменитого муранского стекла, а местные стеклодувы быстро заслужили славу лучших мастеров Европы.

Чуть позже, в XIII веке начал формироваться другой всемирно известный центр художественного стекла, который и поныне находится в Богемии (на территории современной Чехии). С XVII века богемское стекло приобрело огромную популярность и стало основной причиной упадка производства в Венеции.

Бурный рост промышленности в конце XIX века оказал огромное влияние на производство стекла. Тогда же начали появляться первые промышленные линии по изготовлению бытовой стеклянной посуды (бутылок, стаканов, графинов). Но спрос на истинные произведения искусства из стекла всегда оставался высоким. Поэтому во многих странах Европы в течение последних 200 лет были созданы стекольные мануфактуры, успешно работающие и в наши дни.

1.3) С чем работает стеклодув

Стекло можно рассматривать как соединение оксидов кремния, натрия, кальция с преобладанием оксида кремния Na2O CaO 6SiO2

Стекло - аморфное вещество, то есть вещество, не имеющее кристаллической структуры. Тетраэдрические звенья, построенные из атома кремния в центре, окружённого четырьмя атомами кислорода, в стекле связаны друг с другом относительно беспорядочно. В каркас из этих тетраэдров также беспорядочно встроены ионы кальция и натрия.

Основные свойства стекла

Из-за аморфной структуры стекло обладает рядом уникальных свойств: плохо проводит тепло, сильно расширяется при нагревании, у стекла нет чёткой температуры плавления. Например, обычное оконное стекло плавится при температуре от 425 до 600. При нагревании стекло постепенно размягчается и переходит в жидкое состояние.

Основной ингредиент стекла – это песок, но, технически, главным составляющим является компонент песка – кварц, он же диоксид кремния (SiO2), кремнезем или кварцевый песок. Кремний это элемент, расположенный в третьем периоде, IV А группы под номером 14. Кремний входит в состав многих соединений, широко используемых в разных сферах нашей жизни: строительство, изоляция для высоковольтных проводов, стекло, произведения искусства, бытовые предметы.

При всех достоинствах, у стекла имеется и недостаток – хрупкость. В отличие от металлов и прочих материалов при механическом воздействии оно не деформируется, а разлетается на осколки. Осколки могут иметь острые кромки, что несет опасность.

Классификация стекол

Видов стекла по сырьевому составу:

• Кварцевое

• Натриево-силикатное

• Известковое

• Свинцовое

• Боросиликатное

Существуют и другие разновидности стекол, которые однако не нашли промышленной популярности. Они больше подходят для узкоспециализированных задач. К примеру, такой редкой разновидностью является урановое стекло, которое раньше использовалось для изготовления ваз, чаш и прочей посуды.

Основой большинства из них является оксид кремния (SiO2). Разный состав стекол обусловливает разные их свойства, изменяющиеся в широких пределах. Например, плотность стекла находится в интервале 2,2-8г/см3. В стеклах высокой плотности содержится большое количество оксидов свинца или бария.

В составе стекол присутствуют оксиды, объединяемые в три группы:

• Стеклообразующие (основа стекла) – оксиды кремния, бора, фосфора, мышьяка, германия, алюминия и др;

• Модифицирующие, например оксиды натрия, калия, магния, кальция, бария, - снижают температуру плавления и существенно влияют на другие свойства стекла;

• Промежуточные – оксиды железа, свинца, титана и др. – способны замещать часть стеклообразующих оксидов и придают материалу особые свойства (повышенное светоприломление, химическую и термическую устойчивость)

В зависимости от состава стеклообразующих оксидов различают силикатные (на основе SiO2), боратные (на основе B2O3), боросиликатные (на основе B2O и SiO2), алюмосиликатные (Al2O3 и SiO2), фосфатные (P2O5) и другие стекла. Среди современных стекол преобладают силикатные стекла. Свойства стекла зависят не только от химического состава, но также от способа варки, скорости и способа охлаждения, дальнейшей обработки. Например, если оконное стекло равномерно нагреть в печи, а потом быстро охладить и снова нагреть, материал приобретает ударопрочность.

Элементарные стекла способны образовывать лишь небольшое число элементов - сера (S), селен (Sе), мышьяк (Аs), фосфор (Р), углерод (С). Стеклообразные серу и селен удается получить при быстром переохлаждении расплава; мышьяк - методом сублимации в вакууме; фосфор - при нагревании под давлением более 100МПа; углерод - в результате длительного пиролиза органических смол. Промышленное значение находит стеклоуглерод, обладающий уникальными свойствами - он способен оставаться в твердом состоянии до 3700°С, имеет низкую плотность 1500 кг/м3, обладает высокой прочностью, электропроводностью, химически стоек.

Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего компонента ВеF2. Многокомпонентные составы фторобериллатных стекол содержат также фториды алюминия, кальция, магния, стронция и бария. Фторобериллатные стекла находят практическое применение благодаря высокой стойкости к действию жестких излучений, включая рентгеновские и γ-лучи, агрессивных сред - фтор, фтористый водород.

Халькогенидные стекла получают в бескислородных системах типа Gе-Аs-Х, Gе-Sb-Х, Gе-Р-Х, где X-S, Sе, Те. Они прозрачны в ИК-области спектра, обладают полупроводниковой проводимостью электронного типа, обнаруживают внутренний фотоэффект. Стекла применяются в телевизионных высокочувствительных камерах, в ЭВМ в качестве переключателей или элементов запоминающих устройств.

Наибольшее значение в технике и в строительстве имеют оксидные стекла, которые представляют собой обширный класс соединений. Наиболее легко образуют стекла оксиды SiO2, GеO2, В2O3, Аs2O3 Большая группа оксидов - ТеO2, ТiO2, SеO2, МоO3, WO3, ВiO3, Аl2О3, Gа2O3, V2O3 - образует стекла при сплавлении с другими оксидами или смесями оксидов.

Свойства стекла зависят не только от химического состава, но также от способа варки, скорости и способа охлаждения, дальнейшей обработки. Например, если оконное стекло равномерно нагреть в печи, а потом быстро охладить и снова нагреть, материал приобретает ударопрочность. Среди современных стекол преобладают силикатные стекла.

1.4) Древнейшие виды стекла и технологии варки

Стекло-вещество и материал, один из самых древних. Первое стекло – обсидиан возникло из вулканической лавы и использовалось людьми для изготовления режущих предметов. Отвечая на вопрос, откуда появилось стекло, ученые сделали вывод, что это произошло примерно 55 веков назад, на территории Древнего Египта и Месопотамии. Первыми предметами из стекла были небольшие шарики правильной формы. Скорее всего, они не имели практической ценности, поскольку образовывались случайно при производстве керамики и обработке металла.

Первое стекло, сделанное руками человека, было непрозрачным, темного, почти черного цвета и содержало большое количество пузырьков. В самом начале изготавливали его на кострах, позднее были созданы специальные стекловаренные печи. Песка и извести такое стекло содержало немного, благодаря чему плавилось при более низкой температуре. Недостатки получаемого продукта часто восполняли окрашиванием. Для приготовления фиолетового стекла использовали соединения марганца, для синего – брали вещества, содержащего кобальт. Зеленое и желтое стекло получали с помощью оксидов железа, а красное, голубое и изумрудно-зеленое делали, добавляя в расплав соединения меди. Разноцветные стекла были ценным материалом для изготовления украшений. Таким образом, уже на первых порах своего существования стекло было связано с созданием художественных изделий. Постепенно Египетские ремесленники овладели многими секретами получения и обработки стекла.

Во времена Тутанхамона и Ниферти из него делали не только бусы и кольца, но и более крупные изделия: кубки, сосуды для благовоний, а также декоративные вставки для бронзовой скульптуры и погребальных масок (глаза, брови и т.п. выполнялись ювелирами по заказам скульпторов). В древности существовало несколько самостоятельных школ стеклоделия. Их продукция различалась не только по химическому составу, но и способам обработки материала. По египетской технологии стекло варили из трех основных компонентов: кварцевого песка, извести и соды, т.е. египтяне делали натриево-кальциевое силикатное стекло. В древнем мире египетская сода считалась лучшей. Стекла из нее готовили кельты, римляне, византийцы и мастера Северного Причерноморья. Название соды – натр – имеет египетские корни и происходит от названия одного из наиболее знаменитых содовых озер – Вади Натрум (отсюда возникло и название химического элемента №11). По переднеазиатской технологии в шихту вместо карбоната натрия (сода) добавляли золу растений, которая была богата карбонатом калия. В образцах киммерийского стекла не добавляли известь, золу готовили из камыша или соломы злаковых.

В период с 10 по 12 век в Киевской Руси работали стекловарные мастерские. Однако монгольское нашествие остановило развитие ремесла на несколько столетий. Возобновилось оно в 17 веке. Первый стекольный завод был построен в 1634-1639 годах в селе Духанине, под Москвой. В 1669 г такой же завод построен в Измайлове. Первые места для создания стекла можно увидеть в музее «Тальцы»

Основные технологии варки стекла

Сегодня известно множество видов стекла, различающихся по составу и свойству. И эти различия очень существенны. Помимо обязательных компонентов, образующих стекло: оксидов, проявляющих кислотные свойства (SiO2, Al2O3, B2O3, TiO2 и др.), основных оксидов (Na2O, CaO, MgO), - в стекольном производстве используют вспомогательные компоненты:

1. Осветители – составляют примерно 0,5-1% от массы шихты – KNO3, As2O3, пары воды, сырая древесина и др;

2. Обесцвечиватели – MnO2, GeO2, KNO3, As2O3 м др;

3. Красители – всевозможные пигменты. Например: для получения зеленого стекла – FeO, Fe2O3, CrO3; для розового – соединения селена; для фиолетового – NiO, Nd2O3, Mn2O3; для желтого – CrO3.

Естественно, для стекловарения берут не чистые вещества, а природные или искусственно получаемое сырье. Например, оксид бора вводят в виде борной кислоты (H3BO3) или буры (Na2B4O7*10H2O), а оксид магния попадает в шихту в качестве примеси к оксиду алюминия (содержит до 4% MgO)

Процессы, протекающие при варке стекла

Стекло хорошего качества можно изготовить только в специальной печи и при 1300-1500 0C, что было недостижимо в древности, поэтому первое стекло было мутным.

В наиболее общем виде в современном процессе варки стекла можно выделить пять основных этапов:

ПЕРВЫЙ ЭТАП – силикатообразование (1200-13000C). Все компоненты шихты помещают в огнеупорную емкость и постепенно нагревают до 10000С. По мере разогревания в смеси начинают происходить химические реакции. Образуются силикаты: CaO*SiO2 и др. Процесс сопровождается выделением пузырьков газов. Кварцевый песок берут в избытке, и часть его не успевает расплавиться, поэтому песчинки хорошо видны на нитях вязкого расплава.

ВТОРОЙ ЭТАП – стеклообразование. При разогревании до 1300оС образовавшиеся на предыдущей стадии силикаты расплавляются, и в расплаве растворяется избыток оксида кремния. Множество пузырьков, находящихся в расплаве, делают массу неоднородной. Количество образующихся газов зависит от состава шихты. Например, при варке натриево-кальциевого силикатного стекла образуется до 18% CO2 от массы получаемого стекла.

ТРЕТИЙ ЭТАП – осветление. Для удаления пузырьков из расплава температуру повышают до максимальной отметки – 1400-1500оС. При таком сильном разогреве вязкость снижается, и скопившиеся газообразные вещества – углекислый газ, сернистый газ, кислород – удаляются из среды расплава. Для ускорения этого процесса в шихту добавляют осветлители.

ЧЕТВЕРТЫЙ ЭТАП – гомогенизация (1300-1400 0С). Для перемешивания образовавшейся стекломассы до однородного состояния используют огнеупорную мешалку либо проводят операцию бурления – пропускают через массу стекла сжатый воздух или кислород. При варке стекла в небольших сосудах используют сырое дерево. Оно сгорает при данной температуре, а продукты горения обеспечивают бурление. При варке дорогих сортов хрусталя старые руководства рекомендуют использовать брюкву: ее корнеплоды сгорают без остатка, при этом образуются крупные пузыри.

ПЯТЫЙ ЭТАП – охлаждение. Чтобы отформовать изделия, стекло нужно охладить примерно до 11000С, тогда загустевшая стекломасса останется достаточно пластичной, но будет держать форму. Формирование производят на специальных машинах.

1.5) Учреждения, в которых можно получить образование стеклодува.

В России осталось всего два колледжа, в которых учат на стеклодува:

Гусь-Хрустальный технологический колледж им. Г. Ф. Чехлова – ГХТК. (Владимирская обл.).

Никольский технологический колледж им. А. Д. Оболенского – НТК (Пензенская обл.).

Программа обучения в ГХТК – 18.01.08 «Мастер-изготовитель деталей и изделий из стекла», в НТК – 18.01.00 Химические технологии (выдувальщик стеклоизделий, оператор стеклоформующих машин). Поступить можно после 11 класса, учиться 2 года 10 месяцев.

В остальных регионах научиться работать со стеклом можно только на специализированных курсах, которые проводят предприятия или учебные центры, например, Русская академия ремесел (Москва). По большому счету освоить эту профессию можно, только пойдя в подмастерья к стеклодуву. А их в России осталось немного: по оценкам самих стеклодувов, всех можно пересчитать. Александр Зарубин, стеклодув НИИ полимеров из города Дзержинска Нижегородской области, считает, что его коллег от 100 до 200 на всю страну (своим мнением он поделился в интервью для электронного медиа «Ростеха»).

1.6) Что нужно и чем нужно обладать, чтобы быть стеклодувом

Важные качества

Профессия стеклодува немыслима без способности к кропотливому труду и физической выносливости.

Ещё необходимы:

глазомер;

хорошая координация движений;

художественный вкус;

креативность;

Проблемы сердечнососудистой системы, гипертония, болезни легких, астма, высокая степень близорукости — это противопоказания к работе стеклодува.

Знания и навыки

Стеклодув должен знать:

свойства стекломассы;

технологию производства стекла;

устройство выдувной трубки, уметь пользоваться ею и другими инструментами.

Стеклодув должен владеть разными способами выдувания, уметь дозировать стекломассу.

Если стеклодув работает в НИИ или лаборатории, то художественный таланты отодвигаются на второй план: для мастера важно соблюдать стандарты (и, соответственно, знать их), иметь инженерные навыки и уметь делать прочную продукцию. Многие навыки приходят только с опытом. Например, умение по виду пламени горелки определять, достаточна ли температура для расплавления стекла.

Практическая работа: анализ окрашенных стёкол

Ц ветное стекло (на рисунках представлены витражи храмов, украшения интерьеров и посуда) 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.

Изготовлением цветного стекла занимался и наш великий учёный М.В. Ломоносов. В 18 веке он разработал технологию создания цветного стекла. Использование цветного стекла всегда было актуально и модно.  Цветное стекло находит широкое применение в различных сферах.

Ч тобы получить цветное стекло необходимо расплавить в специальной печи бесцветное стекло и добавлять различные оксиды для придания определённого цвета. Я попробовал показать какие вещества способны придавать стеклу ту или иную окраску, используя капельный метод на фильтровальной бумаге, микрокристаллические исследования и пробирочные опыты.

Пробоподготовка

2.1 Оборудование: пробирки; штатив для пробирок; пипетки; предметные стёкла; фильтровальная бумага (для капельного анализа); микроскоп

2 .2. Реактивы:соли, содержащие ионы Na⁺ K⁺Ca²⁺Co²⁺ Ni²⁺ Fe³⁺ Fe²⁺ Cd²⁺ Pb²⁺ Cr³⁺ Mn²⁺ Cu²⁺

2.3. Растворы: аммиака, серной кислоты, желтой К₄[Fe(CN)₆] и красной К₃[Fe(CN)₆] кровяных солей, а также растворы: KI, KCNS, [Zn(UO₂)₃(CH₃O₂)₈], [(NH₄)₂ Hg(CH)]₄], [Na₂PbCu(NO₂)₆].

Основной состав стекла: Na₂O*CaO*6SiO₂

Для получения цветных стёкол вносят добавки оксидов или соли металлов:

Синее стекло – соли или оксиды кобальта (Co)

Сине–зеленое – оксид меди (CuO)

Зеленое – оксид хрома (Cr₂O₃), оксид железа (Fe₂O₃)

Желтое – соли кадмия (Cd) или Cr₂0₃

Фиолетовое – оксид марганца (MnO₂)

Красное – оксид меди (CuO)

Коричневое – TeO

Хрустальное – PbO

Рассказывая о стекле, я не ставил задачу получения стекол в домашних условиях. Экспериментально на качественных реакциях я хочу показать, что соединения, используемые для окраски стекол, и в других реакциях дают окрашенные продукты (что свойственно для d- элементов).

пробирочные реакции – выполняются в пробирках – получают окрашенные растворы или осадки;

капельные реакции – выполняются на фильтрованной бумаге – образуются окрашенные пятна;

м икрокристаллоскопические реакции – выполняются на предметном стекле - получают кристаллы определенной формы и цвета, которые рассматривают под микроскопом.

Выполнение качественной реакции на ионы: Na⁺ ; K⁺; Ca²⁺Co²⁺, Cu²⁺, Cr²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Pb²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Mn²⁺.

Начнём с опытов на ионы Na⁺ , K⁺, Ca²⁺, которые входят в основной состав обычного бесцветного стекла. Это микрокристаллоскопические реакции.

3 Практическая работа

3.1) Проведение опроса среди учеников 11 классов

Был проведен опрос в Гимназии № 1. В котором принимали участи ученики 11а, 11б, 11в классов.

Вопросы (на которые отвечали 11 классы)

1) Знаете ли вы про профессию «Стеклодув»?

2) Рассматривали ли вы поступление на стеклодува до прослушивания моего проекта?

3) Будите ли вы рассматривать поступление на стекольное дело после прослушивания?

Всего участвовало 87 учеников 11 классов.

3.2) Обобщение информации

1) На первый опрос ответили так: 81 – да, знают. И 6 – не знают

2) На второй вопрос ответили: 84 – не рассматривали, 3 – рассматривали

3) На третий вопрос ответили 7 – Да, 80 - Нет.

3.3) Создание брошюры

Находиться в стадии разработки.

Список литературы

Качалов, Н.Н. Основы производства оптического стекла / Н.Н. Качалов. - М.: ООО PDF паблик, 2004.- 213 c.

Ленинградский завод художественного стекла. Буклет. - Москва: Высшая школа, 1976. - 614 c.

Правдин П. В. Лабораторные приборы и оборудование из стекла и фарфора / П.В. Правдин. - М.: Химия, 1988. - 336 c.

Хворостухина С.А. Работы со стеклом. Серия: Домашний мастер / С.А. Хворостухина. - Москва: Наука, 2000. - 176 c.

Титова И.М. Химия и искусство 10-11 класс / И.М. Титова – Москва, 2007. – 368с