Лесное стекло ( нем. Waldglas ) — тип средневекового стекла, которое производилось в северо-западной и центральной Европе примерно с 1000 по 1700 год нашей эры с использованием древесной золы и песка в качестве основного сырья и изготавливалось на фабриках, известных как стеклозаводы в лесных районах. [1] Оно характеризуется разнообразием зеленовато-желтых цветов, более ранние изделия часто имели грубый дизайн и низкое качество, и использовалось в основном для повседневных сосудов и все чаще для церковных витражей . Его состав и производство резко контрастируют с римским и доримским стеклоделием, сосредоточенным на Средиземноморье и современном византийском и исламском стеклоделии на востоке. В этой статье в основном рассматривается производство лесного стекла в Великобритании, хотя его также производили в других частях Европы.
Во время римского правления сырье и методы производства в Северной Европе были такими же, как в римской традиции, с использованием минерала натрон . В течение нескольких столетий после падения Западной Римской империи , около 450 г. н. э., переработка римского стекла составляла основную часть местной промышленности, а навыки стеклоделия приходили в упадок. По мере того, как Каролингская империя расширялась в северо-западной Европе примерно в 800 г. н. э., ее спрос на стекло увеличивался, но поставки традиционного сырья были дорогими и нерегулярными. Желание империи превзойти качество продукции приходящей в упадок Византийской империи и сложной Исламской империи привело к экспериментам с новым сырьем и разработке новой технологии стеклоделия. [1] [2]
Археологически многочисленные средневековые стеклянные дома были найдены в западной и центральной Европе, особенно в горах Германии. Из-за более позднего повторного использования строительного материала большинство из них сохранились плохо, но есть доказательства того, что и изготовление стекла, и работа часто производились на одном и том же месте. [3]
Важно различать производство стекла из сырья и обработку стекла, которая представляет собой производство готовых изделий путем плавления кусков сырого стекла или стеклобоя , которые могли быть произведены в другом месте, или путем переработки старого стекла. Стекло состоит из четырех основных компонентов:
В постримские времена политические проблемы в районе Вади-эль-Натрун нарушили поставки натрона, поэтому пришлось разрабатывать альтернативы. [8] Восточные стеклодувы вернулись к использованию богатой натрием растительной золы и некоторое время снабжали Южную Европу, используя существующие римские торговые пути. [1] Венецианские стеклодувы , унаследовавшие римские навыки стеклоделия, монополизировали торговлю растительной золой и запретили мастерам работать за пределами города. [7] Остальной Европе, к северу от Альп, пришлось искать другой способ производства стекла. Первые и стабилизирующие компоненты стекла встречаются во всех регионах в виде песка или кварца, а также в виде извести различных форм. Северные европейцы экспериментировали с золой из древесины, папоротников и папоротника в качестве источника щелочного флюса. [9] На пике своего развития римская стекольная промышленность производила высококачественное, тонкое, бесцветное и прозрачное стекло постоянного состава. [1] Более ранние сохранившиеся стеклянные сосуды Forest характеризуются большим разнообразием составов и более низким качеством, часто зеленоватым или коричневатым цветом, толстостенными, с включениями и пузырьками в ткани. Это говорит о том, что использование древесной золы было не просто случаем смены сырья, но и потребовало совершенно новой технологии с сопутствующими проблемами разработки.
В то время как римское и более раннее стекло (состава Si/Na/Ca) имело заметное единообразие на большой территории и в течение столетий, [5] средневековое стекло (состава Si/K/Ca) характеризуется разнообразием составов. Это можно объяснить в некоторой степени, изучив, как температура плавления стекла зависит от относительных пропорций его компонентов, которые для простоты сведены к трем. [5] На практике стекло содержит гораздо больше компонентов, которые усложняют систему. Изучение таких тройных систем вместе с анализом микроэлементов полезно археологам для установления происхождения стекла.
Считается, что в досредневековые времена партия сырья нагревалась до температуры, при которой она частично расплавлялась, нерасплавленные части удалялись и промывались от нереакционноспособных компонентов, и добавлялись в следующую партию. [5] Из-за сильного влияния составов Si/Na/Ca на температуру плавления, полученное стекло имело довольно однородный состав независимо от рецепта использованного сырья. [5] Температуры плавления стекол Si/K/Ca не так сильно зависят от состава, что приводило к получению стекол более разнообразного состава, поэтому самоограничивающие свойства системы Na, которые позволяли традиционному методу частичной партии производить постоянные составы, перестали применяться, и пришлось разработать новый способ контроля консистенции. [5] Большое разнообразие составов, вместе с историческими отчетами о стеклоделии, [10] [11] предполагают, что новый метод включал плавление полной партии сырья с удалением нереакционноспособных компонентов в виде пены. [5]
Примерно с 1400 года нашей эры, в попытке конкурировать с качеством венецианского стекла, было обнаружено, что оксид кальция (CaO), добавляемый в качестве флюса в смесь песка и поташа в виде ракушек, известняка или мрамора, давал более прозрачное стекло, благодаря уменьшению количества необходимого поташа вместе с сопутствующими ему красителями. [2] [12]
Типичные составы некоторых исторических и древних стекол - компоненты указаны в весовых процентах; в дополнение к перечисленным, древние стекла также содержали до одного процента оксида железа и до трех процентов оксида алюминия, в дополнение к любым красителям и замутнителям [7]
Экспериментируя с новой технологией, лесные стеклодувы обнаружили, что им трудно достичь высоких стандартов прозрачности и цвета римских методов, в основном из-за большой изменчивости элементов, контролирующих цвет в сырье. Европейский песок и почва, как правило, содержат больше железа и марганца. Железо придает стеклу сине-зеленый оттенок в обычных условиях атмосферы печи, но также может давать желтый цвет. Марганец имеет свой собственный фиолетовый цвет, который может уравновесить цвет железа, делая стекло бесцветным. [13] Например, стекло, изготовленное из древесины бука, выращенного на скудной богатой известью почве (например, Кляйнлютцель , Юра), содержит много марганца и, таким образом, почти бесцветно, в то время как стекло, изготовленное в районе, богатом глиной (например, Корт-Шальве, Юра), имеет оливково-зеленый цвет. [12] Таким образом, можно получать различные цвета, и эксперименты позволили стеклодувам перейти от ранних мутных зелено-желто-коричневых цветов к прозрачному и бесцветному стеклу. Местные условия позволяли некоторым районам производить более тонкое стекло на более ранней стадии. В Богемии в конце XVI века обесцвечивающие свойства марганца использовались для производства прозрачного стекла, пригодного для гравировки . [1] Количество углерода, оставшегося в древесной золе, также может влиять на цвет стекла, изменяя атмосферу печи. [12] Было показано, что стекло в Йоркском соборе на 90% окрашено естественным образом, без добавления красителей. [14]
Другие прозрачные цвета были получены путем преднамеренного добавления оксидов металлов, часто побочных продуктов местной металлообработки; оксид меди для получения зеленого или бирюзового цвета, кобальт для интенсивного синего цвета. Красный цвет было особенно трудно получить, используя частицы меди в деликатно контролируемых окислительно-восстановительных условиях. [4] Существует мало свидетельств использования глушителей на основе сурьмы или олова [13] или использования свинца для изменения других цветов.
Существует только два исторических описания европейского стеклоделия в средние века. В 1120 году Феофил Пресвитер , писавший в Германии, дал подробные рецепты и инструкции, а в 1530 году Георгий Агрикола написал о современном стеклоделии. [10] [11] Другая полезная информация исходит из археологических находок и экспериментальных и теоретических реконструкций. Однако в Тюрингии семьи Грейнер Грейнер и Мюллер основали Лаушу и несколько других стекольных хижин.
Песок, вероятно, собирали со дна рек, где он был относительно чистым и имел более однородный размер частиц. [15] Рубка, транспортировка, сушка и хранение древесины как для производства золы, так и в качестве топлива для печей были трудоемкими и требовали высокого уровня организации. [15] [16] [17]
Теофил рекомендует использовать буковые бревна, [10] анализ которых показал, что они содержат большое количество CaO при выращивании на известковой почве. [17] Независимо от того, какая древесина используется, количество поташа и CaO, которые она обеспечивает, а также другие компоненты, которые могут повлиять на цвет и непрозрачность, значительно варьируется в зависимости от возраста и части дерева, химии почвы, климата, времени года, когда дерево было срублено, и сухости древесины при сжигании, факторов, которые стеклодув мог слабо контролировать. [12] Эта изменчивость объясняет проблемы, с которыми стеклодувы сталкивались при попытке производства стекла постоянного качества. Большие количества золы пришлось бы подготовить и смешать вместе, чтобы получить однородность, необходимую для получения предсказуемого состава стекла. [12] Типичный выход золы из бука составляет всего около 1%, поэтому использование рецепта Теофила из двух частей песка на одну часть золы означает, что для производства одного килограмма стекла потребуется 63 кг древесины бука. [17] Было подсчитано, что, включая топливо, на килограмм стекла потребуется 150–200 кг древесины. [15]
Затем подготовленную золу и песок нагревали вместе, но не расплавляли, при относительно низкой температуре (примерно до 900 °C или 1650 °F) в процессе, известном как спекание . Феофил указывает «в течение дня и ночи». [10] [17] Этот процесс, который можно было контролировать по изменению цвета при повышении температуры, вызывал уменьшение объема перед загрузкой тиглей для конечной стадии плавления, таким образом сводя к минимуму количество раз, когда печь нужно было открывать, а также консолидируя легкую порошкообразную золу, которая могла бы разноситься в печи, вызывая загрязнение. [17]
Заключительным этапом было расплавление фриттованного материала в тиглях в закрытой печи для получения расплавленного стекла. Печь должна была работать при максимально возможной высокой температуре, поскольку быстрое плавление и потребность в меньшем количестве флюса улучшали качество стекла. Переход от натрона к поташу потребовал повышения температуры плавления примерно на 200 °C до примерно 1350 °C, что потребовало фундаментального изменения технологии печи и разработки высокотемпературной керамики . [5] При этой более высокой температуре обычная глина вступала бы в химическую реакцию со стеклом. [18]
После расплавления стекло выдувалось в сосуды или цилиндры, которые затем открывались в листы для оконного стекла . Заключительный этап — отжиг готового стекла, чтобы избежать повреждений от усадочных напряжений. [1]
Помимо описаний Феофила и Агриколы, единственное изображение ранней лесной стеклянной фабрики относится к Богемии и датируется примерно 1380 годом (Мандевильская миниатюра). [3] На ней изображена печь, где все высокотемпературные процессы стеклоделия выполнялись в одной конструкции, содержащей несколько печей, чьи изменяющиеся температуры можно было контролировать в необходимой степени постоянным вниманием. Сырье смешивается в яме неподалеку и переносится вниз в кастрюлях для спекания в одной из печей, оптимальная температура до 1100 °C. Фритта плавится при высокой температуре до 1400 °C в тиглях во второй печи, и когда стекло готово, его выдувают в предметы. Их помещают в печь для отжига для охлаждения. Вся конструкция заключена в деревянное здание, и вполне вероятно, что древесина хранилась и сушилась над печью. [15] [16] Остатки похожей конструкции конца 15 века были найдены в Айхсфельде в Германии. [3] Еще одна конструкция, найденная археологами в 17 веке, — это «печь-бабочка». Эти печи были сделаны из камня, а тигли — из импортной, высокоогнеупорной глины . [15] Они отличаются по стилю от исламских печей Востока и печей Южной Европы, стиля «улья», где камера отжига находится над основной печью, а не на том же уровне. [1]
Цикл обжига печи будет оптимизирован по потреблению топлива, производительности и рабочей силе, и по мере совершенствования технологии более крупные теплицы будут работать практически непрерывно. [15] [16] Было подсчитано, что большая теплица обычно может использовать 67 тонн древесины в неделю, работая в течение 40 недель в году. [15]
Огромное количество древесины, необходимое для производства стекла таким способом, диктовало, что теплицы должны располагаться в лесных районах, а лесной массив должен был тщательно управляться путем подрезки и подрезки, чтобы максимизировать древесный ресурс и оптимизировать размер используемых деревянных кусков. [15] [16] Тем не менее, периодически теплицу приходилось перемещать, поскольку лесной массив истощался. Стекольной промышленности приходилось конкурировать за поставки древесины с другими отраслями, такими как горнодобывающая промышленность, и внутренним спросом. В Англии XVI века было наложено эмбарго на использование древесины в качестве топлива для производства стекла. [19] Теплицы часто располагались в лесах, принадлежащих церкви. Одним из основных применений лесного стекла было изготовление церковных витражей .
