staklo

staklo, anorganska, amorfna, uglavnom prozirna tvar koja se dobiva taljenjem sirovina i brzim hlađenjem taline do velike viskoznosti, tj. do očvršćivanja u uvjetima u kojima ne nastaje kristalizacija, nego se zadržava zatečena struktura tekućine; zato je staklo termodinamički nestabilno. Upotrebljava se kao prijeko potreban materijal u svakodnevnom životu, građevinarstvu, industriji, medicini, znanosti, umjetnosti.

U kemijskom pogledu, staklo je smjesa silikata te alkalijskih i zemnoalkalijskih oksida. Najčešće je građeno od tetraedara silicijeva dioksida (SiO₂) kao osnovnih jedinica, u kojima se silicijev atom nalazi u središtu, a kisikovi atomi na uglovima. Tetraedri su međusobno povezani preko kisikovih mostova, pa tako čine trodimenzijsku mrežu. Raspored tetraedara nije simetričan, periodičan i pravilan kao u tvarima s kristalnom strukturom, nego je potpuno slučajan i nepravilan.

Vrste stakla

Prema kemijskom sastavu razlikuje se više vrsta stakla. Natrijsko staklo približnoga je sastava Na₂O ∙ CaO ∙ 6SiO₂, ali obično sadrži i manje udjele drugih oksida, kao što su magnezijev i aluminijev. Od njega se proizvodi prozorsko staklo te boce za pakiranje vina, piva, mineralne vode, sokova itd. Olovno staklo sadrži okside kalija i olova(II) te SiO₂ u različitim omjerima. Lako se tali i mekše je od natrijskoga stakla. Najvažnije mu je svojstvo velik indeks loma, pa se rabi kao optičko staklo za izradbu leća. Neke vrste olovnoga stakla jako rasipaju svjetlost i koriste se za izradbu kristalnoga stakla. Alumosilikatno staklo vrlo je tvrdo i teško se tali. Osim oksida natrija i kalcija te SiO₂, sadrži i do 10% aluminijeva oksida, što mu daje veliku otpornost prema vodi i kiselinama. Borosilikatno staklo sadrži nekoliko postotaka borova oksida. Odlikuje se malim temperaturnim koeficijentom linearnoga rastezanja i vrlo je postojano prema naglim promjenama temperature, pa se rabi za proizvodnju laboratorijskoga posuđa. Kremeno staklo sastoji se samo od SiO₂. Talište mu je izvanredno visoko (više od 1700 ºC), vrlo je otporno prema naglim promjenama temperature i prema kemikalijama, dobro propušta vidljivo i ultraljubičasto zračenje.

Svojstva stakla

Glavna je odlika stakla njegova prozirnost za vidljivi dio spektra elektromagnetskoga zračenja, dok je za ostali dio spektra uglavnom nepropusno. Povećanjem debljine stakla smanjuje se udjel propuštene svjetlosti.

Većina mehaničkih svojstava u velikoj mjeri ovisi o režimu i uvjetima hlađenja staklene taline. Kako se tek oblikovani stakleni proizvod radi izbjegavanja kristalizacije treba brzo hladiti, njegovi površinski slojevi prvi očvrsnu. Daljnjim hlađenjem hladi se i unutrašnjost, uz tendenciju skupljanja, kojemu se protivi vanjski, očvrsnuli sloj. Zbog toga nastaju unutarnja naprezanja, pa staklo ima veliku čvrstoću i tvrdoću, ali je vrlo krto i podložno lomu. Naprezanja se izbjegavaju naknadnim sporim hlađenjem (kaljenjem) već oblikovanih proizvoda. Prema Mohsovoj skali, tvrdoća je stakla između 5 i 7. Staklo je loš vodič topline i električne struje.

Staklo pripada skupini kemijski vrlo postojanih i inertnih materijala. Otporno je na djelovanje vode, kiselina (izuzev fluorovodičnu), soli, alkohola i drugih organskih otapala. Posebno visokom postojanošću odlikuje se borosilikatno staklo. Ipak, vruće alkalne otopine polagano razaraju staklo.

Sirovine za proizvodnju stakla

Sirovine za proizvodnju stakla općenito se mogu svrstati u osnovne (ulaze u sastav stakla) i pomoćne (sredstva za naknadnu obradbu). Osnovne sirovine služe kao izvor pojedinih potrebnih kemijskih elemenata. To su: kremeni pijesak (SiO₂) kao izvor za silicij, kalcinirana soda za natrij, potaša za kalij, vapnenac za kalcij, dolomit za magnezij i kalcij, minij ili olovni oksid za olovo, glinica ili feldšpat za aluminij, boraks za bor. Važna je sirovina i stakleni lom (razbijeno otpadno staklo), koji se dodaje iz ekoloških i ekonomskih razloga, jer 1 kg staklenoga loma zamjenjuje oko 1,2 kg sirovinske smjese. Uobičajeno je da udjel staklenoga loma u osnovnim sirovinama iznosi 25 do 80%. Kao pomoćne sirovine služe sredstva za bistrenje (najčešće natrijev sulfat), za obezbojenje (selen ili kobaltov oksid uz nikal), bojenje (neki metalni oksidi, sulfidi i selenidi) i zamućivanje (oksidi kositra i cirkonija, kalcijev fosfat).

Proizvodnja stakla

Proizvodnja stakla sastoji se od pripreme sirovina, taljenja u staklarskoj peći, hlađenja taline do temperature i viskoznosti pogodnih za oblikovanje, oblikovanja proizvoda, hlađenja, obradbe površine i kontrole kvalitete. Sirovine se melju, miješaju i ulažu u staklarsku peć za taljenje. Obično su to peći s loncima i kadne peći, koje se lože plinom, a opskrbljene su toplinskim regeneratorima. Za taljenje tvrdoga stakla s visokim talištem primjenjuje se i električno zagrijavanje. Lonci su od vatrostalne gline, promjera 0,5 do 1,5 m, visine do 0,8 m i s kapacitetom od 400 do 800 kg taline. Za masovnu proizvodnju stakla upotrebljavaju se velike kadne peći, gdje je cijelo ognjište izrađeno kao kada, s mogućnošću taljenja i do 800 t dnevno i s kontinuiranim protokom taline kroz zonu taljenja, bistrenja i oblikovanja proizvoda. Taljenje počinje na temperaturi od 600 do 800 °C, kada se tale sve komponente osim SiO₂. Povećanjem temperature na približno 1000 ºC odvija se reakcija između rastaljene mase i SiO₂. Na temperaturi od 1300 do 1500 °C rastale se sve sirovine, kemijske se reakcije formiranja stakla završe i dobiva se žitka i viskozna masa. Tijekom taljenja i neposredno nakon taljenja staklena se talina boji (ili obezboji) i bistri. Raspadanjem sredstava za bistrenje oslobađaju se plinovi (SO₂, CO₂), koji na putu prema površini taline povlače sa sobom mjehure plinova zaostalih nakon taljenja, pa talina postaje homogena i bistra. Talina se hladi na 800 do 1000 °C, tj. do temperature na kojoj je viskoznost smjese prikladna za izradbu i oblikovanje proizvoda. Hlađenje treba provesti tako da ne nastupi kristalizacija stakla, ali i da se smanje i ravnomjerno rasporede unutarnja naprezanja. To se postiže tzv. popuštanjem, tj. hlađenjem uz kontroliranu brzinu (od približno 500 °C do sobne temperature).

S obzirom na masovnu upotrebu, u proizvodnom se smislu razlikuju dvije osnovne vrste stakla: šuplje staklo (ambalažno staklo, stakleno posuđe, staklene cijevi, staklo za rasvjetna tijela i žarulje) i ravno staklo (staklene ploče za ostakljivanje prozora, izloga, namještaja, vozila).

Proizvodnja šupljega stakla

Šuplje staklo izrađuje se u visokoautomatiziranim uređajima prešanjem, puhanjem ili kombinacijom prešanja i puhanja. Pri prešanju staklena masa u obliku velike kapi pada iz spremnika u kalup (matricu), u kojem se tlači klipom (jezgrom). Kalup odgovara vanjskom obliku proizvoda, a klip obliku šupljine proizvoda. Djelovanjem klipa, staklena masa ispuni prostor između klipa i matrice i oblikuje proizvod. Tim se postupkom proizvode uglavnom jednostavni šuplji, masivni proizvodi debljih stijenki (npr. zdjele, tanjuri i dr.). Puhanjem ili kombinacijom prešanja i puhanja također se izrađuje šuplje staklo. Puhač stakla, puhanjem uz pomoć duge željezne cijevi, oblikuje umjetničke predmete ili predmete posebnih oblika u manjim količinama, dok se u masovnoj proizvodnji rabe automati, koji uzimaju rastaljeno staklo iz peći, doziraju ga s pomoću vakuuma u kalupe, a primjenom komprimiranoga zraka oblikuju se željeni oblici proizvoda.

Proizvodnja ravnoga stakla

Ravno staklo izrađuje se izvlačenjem ili lijevanjem i valjanjem. Izvlačenjem se ponajprije izrađuje prozorsko staklo. Suvremenim se strojevima iz taline kadne peći izvlači kontinuirana staklena vrpca, koja se hladi i skrutnjuje prolaskom kroz hladila. Izvlačenje može biti: vertikalno kroz dugačku i usku sapnicu koja pliva na talini (Fourcaultov postupak), vertikalno sa slobodne površine taline, iz komore za izvlačenje s lebdećim ili s visećim mostom (postupak Pittsburgh), vertikalno sa slobodne površine taline, koje na visini od 60 do 70 cm prelazi u horizontalno (postupak Libbey-Owens). Vrlo je djelotvorno izvlačenje tzv. float-postupkom (prema engl. float: plutati): staklena talina istječe iz peći preko širokoga izljeva između para valjaka i rasprostire se po površini metalne kupke od rastaljena kositra, čime se nakon hlađenja dobiva staklena ploča sa savršeno glatkim površinama (za zrcala, namještaj, vozila i sl.). Lijevanjem i valjanjem izrađuju se deblje staklene ploče za zrcala i izloge; rastaljena staklena masa izlije se na željezni stol i izvalja u ploču. Debljina ploče određena je visinom uzdignutoga ruba stola. Tako se izrađuje i ornamentirano ravno staklo (rebrasto, katedralno) i armirano staklo (s utisnutim pletivom željezne žice).

Obradba staklene površine

Većina staklenih predmeta prolazi završnu fazu obradbe, koja se uglavnom izvodi brušenjem. Ostala je površinska obradba pretežno dekorativna, a sastoji se od graviranja, poliranja, matiranja, nagrizanja i slikanja. Kao sredstvo za brušenje obično služi kremeni pijesak, a za poliranje kositrov i željezni oksid. Polirati se može i razrijeđenom fluorovodičnom kiselinom, koja jednolično otapa staklo i ostavlja glatke i sjajne površine. Nagrizanjem stakla tom kiselinom mogu se na staklu izvoditi različiti crteži. Slikati se na staklu može nanošenjem obojenih pasta, načinjenih od smjese praha različito obojenih lako taljivih stakala i ulja, te žarenjem na temperaturi od 700 °C. Neprozirno staklo dobiva se matiranjem površine jakim mlazom kremenoga pijeska, a kemijski nagrizanjem površine plinovitim fluorovodikom.

Staklena roba

Prozorsko staklo

Prozorsko staklo, po kemijskom sastavu natrijsko, propušta oko 90% vidljive svjetlosti, reflektira 8%, a apsorbira 1%. Na tržište dolazi u pločama različite širine i kvalitete, a debljina mu je većinom 2 mm, 3 mm ili 4 mm.

Ambalažno staklo

Ambalažno staklo, zbog svoje vrlo velike kemijske postojanosti, često je praktički nezamjenljiv ambalažni materijal. Za njegovu se proizvodnju u najvećoj mjeri rabi natrijsko staklo, koje se proizvodi od jeftinih sirovina (kremeni pijesak, soda, vapnenac, dolomit, feldšpat, stakleni lom). Od njega se proizvode boce za pakiranje vina, piva i mineralne vode, boce za napitke i sokove, staklenke za pekmez, ukiseljeno povrće itd. Prešanje je najjednostavniji način proizvodnje staklene ambalaže. Posebna se pozornost posvećuje izradbi kalupa koji služi za oblikovanje grla ambalaže, pogotovo kada je predviđeno njezino hermetičko zatvaranje.

Optičko staklo

Optičko staklo služi za izradbu leća i prizama za kamere, mikroskope, dalekozore i druge optičke aparate i uređaje. Uz poznata optička stakla, kao što su krunsko i flint-staklo, rabe se danas i mnoga druga na bazi oksida, fluorida i fosfata prijelaznih elemenata, koja pokrivaju velik raspon vrijednosti loma i raspršenja svjetlosti.

Laboratorijsko staklo

Laboratorijsko staklo treba biti vrlo postojano prema kemikalijama i naglim temperaturnim promjenama te čvrsto i male električne provodnosti. Takva svojstva imaju stakla s manjim udjelom oksida alkalijskih metala, a s više borova i aluminijeva oksida (borosilikatno i alumosilikatno staklo).

Sigurnosno staklo

Sigurnosno staklo rabi se za prozore vozila, zaštitne naočale, plinske maske itd. Višeslojno sigurnosno staklo (tripleks) izrađuje se spajanjem pod tlakom dviju staklenih ploča, između kojih se lijepi folija od plastike, pa pri lomu krhotine ostaju zalijepljene na međusloju. Jednoslojno sigurnosno staklo (sekurit) nastaje naglim hlađenjem vrućih staklenih ploča hladnim zrakom. Unutrašnja naprezanja čine ga vrlo čvrstim, a prilikom loma raspada se na sitne krhotine, koje se razlete većinom samo u ravnini ploče. Za velike se površine rabi i staklo sa žičanom mrežom koja se umeće u talinu prije izradbe ploče valjanjem.

Staklena vlakna

Staklena vlakna rabe se kao izvanredan termički i akustički izolacijski materijal u obliku vate, vune, svile i ploča. Osobito važnu primjenu imaju paralelizirana vlakna kao vodiči svjetlosti (→ svjetlovod). Za proizvodnju staklene svile rabe se male kadne peći, koje u dnu sadrže mnogo finih sapnica. Staklena vuna dobiva se naglim izvlačenjem omekšanoga stakla preko vitla ili štrcanjem staklene taline pod visokim tlakom pare, staklene cijevi dobivaju se razvlačenjem šupljih staklenih tijela, a stakleni štapići naglim izvlačenjem punoga tijela iz žilave staklene taline.

Vodeno staklo

Vodeno staklo jednostavan je natrijev ili kalijev silikat. Od ostalih se vrsta stakla razlikuje topljivošću u vodi, a na tržište dolazi kao gusta sirupasta vodena otopina koja služi za impregniranje drva i tkanina, kao ljepilo, močilo, za pripravu kitova i sl.

Staklokeramika

Staklokeramika se odlikuje velikom mehaničkom otpornošću, čvrstoćom i postojanošću prema temperaturnim promjenama, što je posljedica djelomične usmjerene kristalizacije stakla, koja se postiže ako se temperaturna područja stvaranja klica za kristalizaciju i same kristalizacije (rast klica) ne preklapaju.

Povijest proizvodnje stakla

Staklo je prvo bilo poznato u obliku staklaste glazure. Smatra se da su se prvi stakleni predmeti izrađivali u Egiptu približno 2500 god. pr. Kr. U XIV. st. pr. Kr. bilo je proizvedeno prvo bezbojno staklo. Pred početak naše ere Aleksandrija je bila središte velike i razvijene proizvodnje stakla. Odatle je to umijeće u Augustovo doba prešlo u Rim, zatim u prvim stoljećima naše ere i u Bizant, pa se u srednjem vijeku raširilo zapadnom i srednjom Europom. Od XIV. st. počelo se izrađivati i obično prozorsko staklo. Proizvodnja i primjena stakla naglo je porasla potkraj XVIII. st., kada je pronađen jeftin postupak za dobivanje natrijeva karbonata kao važne sirovine. U to doba pada i prijelaz sa sitnoga, zanatskoga rada na industrijski način proizvodnje. U drugoj polovici XIX. st. pojavila su se prva poluautomatska postrojenja (stroj za prešanje stakla, zračna sisaljka i sl.), a intenzivan razvoj strojne proizvodnje i preradbe započeo je na prijelazu u XX. st. Danas je proces proizvodnje stakla visokoautomatiziran.

U Hrvatskoj je prva poznata manufaktura stakla radila 1728–35. u Perlasdorfu (prema osnivaču i vlasniku Španjolcu Don Ramónu Villasu Perlasu de Rialpu), nedaleko od Crnoga Luga u Gorskom kotaru, a 1764. bila je osnovana staklana u Sušici kraj Ravne Gore. U XVIII. i XIX. st. djelovalo je više staklana, npr. u Mrzloj Vodici u Gorskom kotaru, u Zvečevu, Ivanovu Polju kraj Daruvara, Humu na Sutli i dr. God. 1906–26. djelovala je staklana u Daruvaru. God. 2006. u Hrvatskoj je proizvedeno 10 203 t ravnoga i 216 451 t šupljega stakla. Ambalažno staklo proizvodi Vetropack Straža u Humu na Sutli. Utemeljena je 1860. pod imenom Straža, od 1996. u vlasništvu je švicarske tvrtke Vetropack. Proizvodi standardne boce i ekskluzivne oblike staklenki od obojenoga stakla. Tijekom 2007. proizvela je 223 354 t staklene ambalaže. U Puli je 1955. osnovana Tvornica laboratorijskoga (borosilikatnoga) stakla. God. 1998. preuzela ju je njemačka tvrtka i promijenila naziv u Schott Boral d.d., a 2005. postala je dio njemačke tvrtke DURAN. Poznata je i po proizvodnji velikih posuda za automatsku mužnju i za bojlere. U 2007. proizvela je 857 t staklenih artikala. U Lipiku od 1965. radi tvornica stakla (od 2001. djelomično u talijanskom vlasništvu kao Lipik Glas d.o.o.), koja s dnevnim kapacitetom peći za taljenje od 60 t proizvodi obično i lijevano ravno staklo za građevinarstvo (prozori, vrata, izlozi), bijelu tehniku (kućanski aparati) i automobilsku industriju. U Sesvetama kraj Zagreba Piramida d.d. proizvodi bočice i ampule iz staklenih cijevi (10,4 milijuna bočica i 268 milijuna ampula u 2007). Tvornica Kristal u Samoboru proizvodila je kristalno staklo do 1996., a danas se bavi samo doradbom.

Povijesni pregled umjetničke obradbe stakla

Prvi stakleni predmeti bili su od staklene paste izrađene u glinenim kalupima (perle, amuleti, skarabeji, posudice za mirise urešene apliciranim cikcak-crtama). U Feniciji se u I. st. pr. Kr. razvila tehnika puhanja koja je omogućila raznolikije oblikovanje stakla, a u Aleksandriji u doba Ptolemejevića bila je usavršena tehnika staklenog mozaika. Kockice stakla za mozaik izrađivale su se od staklene mase, kojoj su se dodavali različiti metalni oksidi ili zlatni prah. Ornament ili figuralna kompozicija, najčešće na dnu plitke posude, bili su izrađeni od zlatnih listića umetnutih između dvaju staklenih slojeva koji su se zatim pekli (fondi d’oro). Tijekom gotovo četiriju stoljeća na cijelom području Rimskoga Carstva proizvodnja i umjetnička obradba stakla u državnim i privatnim staklarskim radionicama dosegnula je vrlo visok domet, osobito proizvodnja reljefnoga kameo stakla (najpoznatiji je predmet izveden tom tehnikom portlandska vaza) i diatretum stakla (rezano staklo koje se odlikuje dekorom sličnim čipki; čaša iskopana nedaleko od Daruvara, II. st., danas u Kunsthistorisches Museum u Beču). U Bizantu je cvala izradba staklenoga mozaika (Ravenna, Carigrad; → aja sofija), nakita, ukrasnog i uporabnoga posuđa te liturgijskih predmeta bogato oslikanih zlatom ili emajlom u različitim bojama. U XII. st. središte izradbe stakla bila je Sirija, osobito Alep, Damask i Sur (raskošni primjerci mošejskih svjetiljaka urešenih natpisima iz Kurana i figurativnim kompozicijama u emajlu i zlatu). U srednjem vijeku u starim je središtima bila uspostavljena proizvodnja uporabnoga stakla koje je bilo uglavnom slabe kakvoće; prevladavalo je zelenkasto tonirano, tzv. šumsko staklo. U Francuskoj su se već od IX. st. proizvodili prozori od obojenoga stakla (→ vitraj). Ponovni procvat umjetničke obradbe stakla, započet u XIII. st., doživio je vrhunac potkraj XV. st. u doba renesanse u venecijanskim radionicama, poglavito na otoku Muranu. Obnovom tehnika iz antike bili su postignuti novi prozračni oblici s najraznovrsnijim ukrasima na uporabnim, ukrasnim i luksuznim predmetima. Uz staklo rezano dijamantom, ukrašeno plastičnim i slikanim emajlom, upotrebljavalo se filigransko staklo (tal. millefiori, raznobojno staklo koje se dobivalo isprepletanjem i stapanjem raznobojnih staklenih štapića ili komadića), reticella (umetanje niti mliječnoga u prozirno staklo) i sl. Po uzoru na te radionice počele su nicati manufakture stakla isprva u Nizozemskoj, potom i u drugim područjima Europe (Austrija, Francuska, Češka). Umjetnička se obradba usavršavala novim proizvodnim postupcima i izumima prikladnima za brušenje i staklorez (engleski i češki kristal, rubinsko staklo; pod utjecajem kineskog porculana mliječno i opalno staklo). U Nizozemskoj se usavršavalo ukrašavanje dijamantnom iglom, u Češkoj se obnavljala tehnika dvostrukoga stakla (višeslojno obojeno staklo ukrašeno brušenjem). U XVII. st. masivni barokni oblici (reprezentativni bilikumi različitih oblika, pokali s poklopcem) i tehnike (brušenje, graviranje, matiranje, obojeno staklo koje imitira drago kamenje) potisnuli su venecijansko staklo. U XVIII. st. nastali su elegantniji i prozračniji rokoko uporabni i dekorativni oblici, koji su se potkraj stoljeća smirili u klasicističkoj jednostavnosti i funkcionalnosti. Industrijalizacija je pojeftinila proizvodnju i proširila ju na područje arhitekture. Stakleni paviljon Kristalna palača u Londonu (1851), djelo engleskog arhitekta J. Paxtona, označila je novost u građevnoj tehnici i otvorila nove mogućnosti u razvoju moderne arhitekture, osobito ostakljenih nebodera. Uz masovno proizvedene uporabne predmete, pojedini majstori izrađivali su i raskošnije unikate u stilu bidermajera; ističu se radovi Samuela Mohna i njegova sina Gottloba u Dresdenu te Antona Kothgassera u Beču. U drugoj polovici XIX. st. mnogobrojni pokreti zagovarali su obnovu umjetničkih obrta tražeći izvoran i funkcionalan predmet, oblikovan prema svojstvima materijala i svrsi kojoj služi. Umjetnička obradba stakla doživjela je vrhunac u secesiji (Emil Gallé, Karl Koepping, L. C. Tiffany) i art décou (R. Lalique). Razdoblje između dvaju svjetskih ratova bilo je obilježeno sve širom uporabom stakla u arhitekturi i tehnici, osobito usklađivanjem individualnih projekata (industrijsko oblikovanje) s mogućnostima masovne proizvodnje. Znatnu ulogu u tome imale su industrijske škole i škole za primijenjenu umjetnost te međunarodne izložbe primijenjene umjetnosti. Od 1960-ih kao reakcija na stereotipnu proizvodnju stakla počeli su nicati mali umjetnički atelijeri za unikatnu proizvodnju stakla, osobito u baltičkim zemljama, a velik je broj arhitekata oblikovao jednostavne uporabne i ukrasne predmete od stakla (npr. finski arhitekt A. Aalto). Slikanje na staklu neprozirnim bojama (na poleđini stakla u zrcalnoj slici) poznato je od kasne antike (IV. st.). Prvi poznati primjerci potječu iz XIV. st.; vrhunac je to slikarstvo doživjelo nakon 1500., osobito u zavjetnim slikama i pučkoj umjetnosti. Od XIX. st. uglavnom svi naivni umjetnici slikaju tom tehnikom.

U Hrvatskoj su se u XVIII. i XIX. st. u staklanama Zvečevo (kraj Požege) i Osredek (nedaleko od Samobora) proizvodili uporabni i dekorativni predmeti u zakašnjelim oblicima kasnoga baroka, preko klasicizma, bidermajera i historicizma do secesije. U suvremenoj hrvatskoj umjetnosti u oblikovanju stakla značajni su slikari i kipari A. Motika, R. Goldoni, M. Štebih, Heda Rušec.