玻璃发展史中的十大议程

玻璃发展史中的十大议程

近年来，玻璃科学家、玻璃艺术家和玻璃收藏家研究了玻璃发展史，出版了许多著作和文章。具有代表性的文献包括傅国学教授的《中国古代玻璃技术的发展》、赵氏大厦和乔治李四的《玻璃球类》、常雄福二的《东海又》。几千年来玻璃发展史中,哪些发现和发明起了里程碑作用?以史为鉴可对玻璃的今后发展有指引意义。本文根据笔者多年来从事玻璃教学与科研工作经验,对以上问题加以评述。1玻璃史上的十大里程碑1釉砂(Faience)的制备约在公元前3500年,美索不达米亚人用石英砂、碱加石灰石混合后,加热到大约700~800℃,烧结成形为玻璃珠和装饰品,得到含有部分玻璃态和未熔石英砂及其他未熔原料的混合物,学者称为费昂斯(Faience),国内专家译为釉砂,这是人类制造最早的玻璃,开创了玻璃的历史纪元。2吹管的发明公元1世纪时,罗马人发明了吹管,创造了玻璃吹制法,制造出薄壁的玻璃制品,使玻璃生产由装饰品转变为瓶、罐、器皿等生活用品,是玻璃制造的重大革新。有的学者认为玻璃吹管是公元前40年在叙利亚产生的,以后罗马人推广应用。吹管的诞生,使吹制法成为玻璃的主要成形方法,玻璃器皿可以大量生产,降低了成本,使玻璃制品走出宫廷,由装饰品成为平民的消费品。3水晶玻璃的发现公元15世纪,威尼斯人用杂质较少的石英砂、结晶纯碱及其他较纯原料制成了玻璃,透明度和白度较过去钠钙玻璃高,一改过去玻璃半透明、模糊不清的印象,类似水晶,故称为Cristllo,有水晶之意,为人类最早得到透明的玻璃。公元1700年,波希米亚人用含钾的草木灰和较纯的石英原料制造了透明的钾钙硅酸盐玻璃,其折射率和透光率均超过了威尼斯水晶玻璃,称为波希米亚水晶玻璃(Crystalex)。1670年(或1673年)英国人Ravenscroft开发了铅玻璃,即钾铅硅酸盐系统成分玻璃,折射率大、透光度高,易熔化、料性长,适合于成形复杂的制品,而且硬度低,便于磨刻,命名为铅水晶玻璃(leadcrystalglass),简称Crystalglass,不仅用于制造日用玻璃,也是光学玻璃、电真空玻璃的主要成分系统。4燃煤坩埚窑的出现以往玻璃熔化用木柴为燃料,砍伐了大量森林。1615年英皇下令禁用木柴为燃料,于是就用煤代替。17世纪初,英国玻璃工厂普遍用煤为燃料的坩埚窑,不仅保护了森林,而且窑炉温度升高,玻璃熔化情况改善,玻璃质量提高,成本降低。以后煤就成为玻璃工业历史上很长阶段的主要燃料。5光学玻璃的制造工艺1800年瑞士Giunand与Fraunhofer合作在玻璃熔化时采用搅拌工艺,制造出大块均匀光学玻璃。1871年英国Harcourt在玻璃成分中引入了20种化学元素,发现了硼酸盐和磷酸盐有形成玻璃的特性,并且将光学玻璃磨成棱镜。1881年德国Abbe和Schott对玻璃成分和性质关系进行了系统研究,1884年扩建了Schott玻璃厂,研制了新型硼硅酸盐玻璃,对发展高质量的显微镜、望远镜及照相机镜头具有重大意义。高质量光学玻璃的生产,促进了整个自然科学的进展。牛津大学Harrë遴选了20个改造人类世界观的实验,其中12个明显离不开玻璃仪器,其余8个大都需要前人用玻璃仪器进行实验以打下知识基础。Middleton也说“不难设想,没有显微镜,就没有生物学,没有望远镜就没有天文学”。而显微镜和望远镜是离不开光学玻璃,由此可见玻璃在人类文明史中的地位。6玻璃成型机械的相继发明1847年Magoun采用有铰链的双开金属模制造玻璃餐具和玻璃瓶,1880~1890年10年间发明了“压-吹”和“吹-吹”成型玻璃瓶罐的方法。1882年英国人Arbogast获得了压型、转送及成形模内吹制玻璃瓶的专利,1890年出现第1台电机传动的制瓶机。1903年Owens开始研制真空吸料制瓶机,1904~1905年获得专利,几年内这种全自动制瓶机占领了市场,此时美国已有200台制瓶机运行,生产了美国全部玻璃瓶的50%。制瓶机的发明引领了玻璃成型的机械化,1902年比利时Fourcault申请平板玻璃引上专利,1916年成功生产出平板玻璃,到20世纪60年代,垂直引上成为平板玻璃主要生产方法。1922年Peiver配合Hartford供料机研制成各种类型滴料式成型机,1925年Ingle发明了行列式制瓶机(IS机)。目前行列式制瓶机的数量已占全球瓶罐成型机总量的80%,所生产的瓶罐也占世界总产量的80%以上。7蓄热室池窑的发明1816年RoberStirling获得蓄热室玻璃熔窑的专利,但未被应用。1841年WilhelmSiemens与FrielrichSiemens兄弟合作继续进行研究,1867年Frielrich在德国德累斯顿成功建立第1座蓄热室池窑,1873年此类型池窑在比利时正式用于玻璃生产。以焦炉煤气和发生炉煤气为燃料,采用蓄热室回收废气热量,热效率比坩埚窑明显提高,熔化温度也比坩埚窑上升,玻璃熔化质量改善,产量增加,可与机械成型机组成连续生产线,为玻璃的机械化、自动化生产创造条件。8浮法玻璃的发明20世纪50年代,美国的Ford公司和英国的Pilkington公司同时研究浮法,但Pilkington比Ford早几个月递交专利申请书,因此浮法专利权属于Pilkington公司。1959年Pilkington在圣海伦市建立世界第1条浮法玻璃生产线,又在1962年、1963年建立第2、第3条生产线,浮法宣告成功。浮法是平板玻璃生产的重大革命,到2008年浮法生产已占世界平板玻璃生产量的90%以上,我国浮法生产也占85%以上。9非氧化合物玻璃的发现1926年Goldschmidt发现了BeF2玻璃,1959年硫属化合物玻璃又被发明,1960年开始将其应用于半导体开关器件,以后卤化物、硫系化合物、硫卤化合物等一系列非氧化合物玻璃以其优异的光学、电学、光电子性质,促进了红外材料、光纤激光器、上转换发光材料、记忆材料、存储材料、二次电子发射材料的发展。10光学纤维1946年高锟就发表了光纤传输信号用于通讯的论文,但当时玻璃纤维纯度不高,光通讯信号每传导1m就要损耗20%,光的传输距离不超过10m,无法实现此设想。通过计算得到,要使光通讯成为可能,光导纤维损耗要小于20dB/km。1970年Corning公司制造了高纯的石英玻璃光导纤维,1972年实现了光导纤维传输损耗20dB/km,1974年大量生产光导纤维,1981年第1个光纤传输系统终于问世,光纤的损耗已降到0.2dB/km。1984年美国光纤通讯速度144Mb/s,可以传输1920路电话。如今世界上光纤长度达到10亿km,可环绕地球2.5万多圈。2008年底我国通讯光缆线路长676万km,生产能力和技术水平均居世界前沿。光导纤维的研制,不仅带动了半导体激光器、高速激光调制器、光栅放大器、光滤波器、光耦合器材料与器件的发展,而且促进了光子学一门学科的形成和光子玻璃产量的兴起。更重要的是没有高纯度、低损耗的光导纤维,就没有光通讯,人类就不可能很快进入信息时代。2玻璃未来发展方向俄国科学家罗蒙诺索夫讲过,火是玻璃的生身父母,可见传统玻璃离不开燃料燃烧,从而产生CO2、SO2、NOx等污染气体的排放,我国大型浮法厂CO2排放量为500~600kg/t玻璃液。为适应全球绿色增长和低碳经济的要求,玻璃工业必须深入改革和转型,由传统的高资源、高能源消耗、高环境污染型,转向绿色、低碳、环境友好型。2008年我国平板玻璃和日用玻璃都建立了行业准入条件和清洁生产评价体系,为节能减排指明方向。2009年我国发改委又明确要求平板玻璃每重量箱耗标准煤量应低于16.5kg,SO3排放量小于500mg/m3,NOx排放量小于700mg/m3,颗粒排放量小于50mg/m3。要使传统玻璃成为绿色、低碳、环境友好型必须依靠新创造、新技术支撑,要从源头做起,采用节能、环保玻璃成分和配方。如钠钙硅酸盐玻璃根据相平衡原理,选择新的反应途径的配方与工艺,可节能20%~30%,同时延长窑炉寿命5%~10%。平板玻璃中加入P2O50.35%等活性成分,熔化能力提高6.4%,每重量箱玻璃标准煤耗降低6%。采用非传统熔化技术和节能窑炉,如浸没式燃烧熔化、高能等离子熔化、模块熔化和澄清,后者即可节能33.3%。加工方面采用激光、电子束、离子束来进行玻璃的切割、钻孔和抛光,就可减少加工过程中的污染。要建立污染的防止优于污染形成的后处理的思维。按绿色技术要求,从产品设计开始,在生产、包装、销售、使用、循环回收,直到产品生命周期,每个阶段均要从根本上防止污染的产生,将环境保护有机地融入到整个产品的生命周期之中。同时要用创新思维开发新玻璃,新玻璃是指最近发展和正在发展中的性能优于传统玻璃的材料与制品。采用与传统玻璃有别的成分、原料、制造工艺和加工技术,如光子玻璃、生物玻璃、太空玻璃、纳米玻璃等,由低水平、低档次、低附加值发展为高水平、高档次、高附加值的新玻璃。今后传统玻璃与新玻璃之间的界限将逐步消除,玻璃朝着多功能化、纳米化、智能化、复合化方向发展。多功能化也称集合化,如将LED半导体二极管与彩色玻璃组成发光装饰材料,夹层玻璃与太阳能电池组成光伏发电材料。复合化是将玻璃材料与金属材料或高分子材料杂合成复合材料,与传统的复合材料的区别在于不是宏观的复合化,而是纳米级的复合或化学键合,如甲基三乙氧基硅烷(MTES)通过化学键合直接嫁接到无机玻璃网络上