ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ ПИГМЕНТОВ В ДЕКОРАТИВНОМ СТЕКЛЕ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются научные основы и технологические преимущества использования медьсодержащих пигментов в производстве декоративного стекла. Проанализированы цвета, образующиеся в результате введения в стекломассу соединений меди, таких как CuO, Cu₂O, их химическое состояние, температура термообработки и состав стекломатрицы. Медные пигменты придают стеклу зеленый, синий, бирюзовый и коричневый цвета, расширяя его применение в качестве архитектурно-декоративного материала.

Экспериментальные результаты показали, что с увеличением концентрации пигмента и термообработки увеличивается коэффициент оптического поглощения стекла, что улучшает дизайнерские и энергосберегающие свойства. Результаты исследования определяют перспективы использования нового поколения пигментов на основе меди в производстве декоративного, стекольного и фасадного стекла.

ABSTRACT

This article examines the scientific basis and technological advantages of using copper-containing pigments in decorative glass production. The colors formed by introducing copper compounds such as CuO and Cu₂O into the glass melt are analyzed, along with their chemical states, heat treatment temperatures, and the composition of the glass matrix. Copper pigments impart green, blue, turquoise, and brown hues to glass, expanding its application as an architectural and decorative material. Experimental results have shown that increasing pigment concentration and heat treatment increases the optical absorption coefficient of the glass, improving its design and energy-saving properties. The study's findings highlight the potential for using a new generation of copper-based pigments in the production of decorative, glass, and facade glass.

Ключевые слова: декоративное стекло, медные пигменты, CuO, Cu₂O, оптические свойства, цветообразование, термическая обработка, стекломасса, архитектурный декор, энергоэффективность.

Keywords:  decorative glass, copper pigments, CuO, Cu₂O, optical properties, color formation, heat treatment, glass mass, architectural decor, energy efficiency.

Введение

В современной архитектуре и дизайне стекло широко используется не только как светопропускающий материал, но и как эстетичный, энергоэффективный и функциональный строительный материал [1]. Сегодня декоративное стекло играет важную роль в фасадах, внутренних стеновых панелях, окнах, световых решётках, арт-инсталляциях и различных декоративных элементах. Основные требования к такому стеклу — повышение его оптической, механической и химической стойкости, а также контроль цвета и яркости [2].

Стекломатериалы в основном состоят из оксидов SiO₂, Na₂O, K₂O, CaO, Al₂O₃ и MgO, которые придают ему механическую прочность, прозрачность и термостойкость [7]. Кроме того, в декоративных целях в стекло добавляют различные пигменты, изменяющие его цвет и оптические свойства [9]. Медьсодержащие пигменты (CuO, Cu₂O) являются наиболее перспективными компонентами в этом отношении, поскольку они придают стеклу зелёные, синие, бирюзовые и коричневые оттенки, делая его эстетически привлекательным в архитектурном оформлении [5].

Механизм окрашивания оксидов меди связан с их ионным состоянием: ион Cu⁺ обуславливает красновато-коричневые цвета, а ион Cu²⁺ – сине-зелёные оттенки [11]. Это зависит от таких факторов, как температура приготовления стекла, окислительные или восстановительные условия растворной среды и концентрация пигмента [12]. Поэтому оптимизация процесса термообработки при производстве стёкол с добавлением медьсодержащих пигментов имеет большое значение [6].

Использование таких пигментов в стекольном производстве служит не только эстетическим целям, но и обеспечивает технологические и экологические преимущества [13]. Например, ионы меди увеличивают коэффициент светопоглощения стекла, что частично блокирует солнечное излучение и снижает перегрев внутренних помещений зданий [14]. Таким образом, декоративные стёкла с медными пигментами выполняют также теплоизоляционные и энергосберегающие функции [4].

Кроме того, соединения CuO и Cu₂O повышают химическую стойкость стекла, делают его устойчивым к агрессивным средам и обеспечивают длительную сохранность цвета [8]. В настоящее время подобные пигментированные стекла успешно применяются не только в дизайне интерьеров, но и в фасадных панелях, системах «умных окон», лазерном декорировании и технологиях светофильтрации [10]. Поэтому основной целью данной работы является изучение роли медьсодержащих пигментов (CuO и Cu₂O) в производстве декоративного стекла, их влияния на процесс цветообразования в составе стекла, оптические и теплофизические свойства, а также выявление путей создания энергоэффективных и эстетически совершенных материалов [3].

Материалы и методы исследования

Целью данного эксперимента является изучение влияния медьсодержащих пигментов (CuO, Cu₂O) на оптические, цветообразующие и теплофизические свойства стекла при производстве декоративного стекла. В ходе эксперимента в состав стекла вводились различные количества оксидов меди, анализировались интенсивность цвета, светопропускание и химическая стабильность полученных результатов.

Таблица 1.

Материалы, использованные для эксперимента

Приготовление шихты и технология плавки

Компоненты готовили в виде неорганического порошка, после чего методом мокрого смешивания формовали однородную массу.

Стекломассу плавили в электрической печи при температуре 1300–1450 °C в течение 2 часов. Полученную из расплава массу выливали в охлажденную металлическую форму и медленно охлаждали (до 450 °C) – этот этап называется отжигом (термической обработкой).

Рисунок 1. Влияние содержания пигмента CuO на формирование цвета в декоративном стекле

Таблица 2.

Внешний вид полученных образцов стекла

Рисунок 2. Влияние содержания CuO на оптические свойства стекла

С увеличением содержания оксида меди (CuO) светопропускание уменьшается, а поглощение увеличивается. Это свидетельствует об образовании внутренних оптических центров Cu²⁺, которые обусловливают интенсивную окраску и снижение прозрачности декоративного стекла.

Рисунок 3. Изменение термостойкости при увеличении содержания CuO

Увеличение содержания CuO в декоративном стекле приводит к снижению коэффициента термического расширения (α), что свидетельствует об улучшении термостойкости и структурной стабильности материала при нагревании. Таким образом, CuO выполняет роль стабилизирующей добавки.

Рисунок 4. Спектры поглощения UV–Vis в зависимости от содержания CuO

С увеличением содержания CuO максимум поглощения (λₘₐₓ) смещается в длинноволновую область (от 450 до 550 нм), что свидетельствует об увеличении концентрации ионов Cu²⁺ в матрице стекла и усилении эффекта окрашивания. Этот сдвиг характерен для образования медьсодержащих оптических центров.

Результаты и обсуждения

В ходе эксперимента были проанализированы образцы, приготовленные с различным содержанием CuO (0,1 %, 0,3 %, 0,5 %, 0,8 % и 1,0 %).

При сравнении результатов, полученных для медно-красной глазури ранней династии Мин [15] и современного декоративного стекла (пигменты CuO, Cu₂O), было обнаружено, что валентное состояние ионов Cu⁺ и Cu²⁺, а также их дисперсионная среда, напрямую влияют на формирование цвета. В исторических образцах нанометровые металлические частицы Cu были диспергированы в виде порошка, что давало красно-черную глазурь; в современных экспериментах увеличение количества CuO приводило к изменению цвета с зеленого на коричневый.

Рисунок 5. Микроструктура и распределение размеров частиц пигмента CuO в декоративном стекле

На рисунке 5 показана морфология (A, B, C) и распределение по размерам (D) частиц пигмента CuO, расположенных в поверхностном слое и внутренней матрице декоративного стекла. На основании микрофотографий, полученных с помощью СЭМ (A–C), установлено, что частицы в основном расположены в диапазоне 0,1–0,5 мкм, что составляет 81 % от общего объема. Такое мелкодисперсное распределение обеспечивает равномерное поглощение света и стабильность цвета.

Более крупные частицы (3–5 мкм) встречаются лишь примерно в 3 % случаев и представляют собой кластеры Cu₂O или Cu₂S, которые увеличивают глубину цвета и повышают термостойкость.

Данные результаты подтверждают разложение пигментов CuO на центры Cu⁺ и Cu²⁺ в термической среде и образование на их основе оптически активных центров. В этом случае демонстрируется структурное сходство с фазами Cu–As/Cu₂S, представленными на предыдущем рисунке (рисунок 5), что доказывает научную связь между историческими медными пигментами и современным декоративным стеклом.

Влияние оптических свойств и концентрации CuO

В ходе проведенной научной работы было обнаружено, что с увеличением содержания CuO светопропускание уменьшается, а оптическое поглощение увеличивается (таблица 3). Это аналогично динамике роста нанокластеров Cu в медных глазурях периода Хунъу, и в обеих системах металлические нанокластеры Cu обеспечивают поглощение света в области 550–600 нм.

Заключение

В данной работе исследованы научные и технологические основы использования пигментов оксида меди (CuO) в производстве декоративного стекла. Эксперименты показали, что с увеличением концентрации CuO наблюдаются существенные изменения оптических и цветовых свойств стекла. В частности, при увеличении содержания CuO в диапазоне 0,1–1,0 % светопропускание снижается с 88 % до 73 %, а цветовой тон изменяется от светло-зеленого до темно-коричневого.

Микроструктурный анализ показал, что частицы CuO равномерно распределены в стеклянной матрице, а их размеры преимущественно находятся в диапазоне 0,1–0,5 мкм. Такая высокая дисперсность обеспечивает стабильность оптического поглощения и повышает декоративные и энергетические свойства стекла. Также установлено, что в условиях высоких температур пигменты CuO частично переходят в фазы Cu₂O и Cu₂S, что рассматривается как фактор, увеличивающий глубину цвета и термостойкость.

В сравнении с механизмами образования фаз Cu–As и Cu₂S в медно-красных глазурях династии Мин, изученными Цуй и соавторами (2021) [15], установлено, что процесс образования оптических центров Cu⁺ и Cu²⁺ в современных декоративных стеклах, разработанных автором данной статьи С.А. Шаматовым, аналогичен. Это свидетельствует о неразрывной научно-технологической связи между историческими технологиями глазури и современным производством пигментного стекла.

Полученные результаты подтвердили, что использование пигментов CuO улучшает не только эстетические цветовые характеристики стекла, но и его термостойкость и энергосберегающие свойства. Таким образом, данное исследование открывает перспективы использования нового поколения пигментов на основе меди в производстве декоративного и архитектурного стекла.

Список литературы:

1. Абрамян С.Г., Ишмаметов Р.Х. Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии в строительстве. — 2018. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/retsenziya-na-monografiyu-energoeffektivnye-i-resursosberegayuschie-tehnologii-v-stroitelstve-avtorov-abramyan-s-g-ishmametova-r-h/viewer (дата обращения: 13.11.2025).
2. Губанова Л.А., Губанова Л.А., Константинова Ю.А. Оптические технологии : учеб.-метод. пособие. – СПб: Университет ИТМО, 2018. - 62 с. 
3. Зеньчик А.Н., Основина Л.Г., Василькова А.Н. Инновации в строительных технологиях: обеспечение безопасности и устойчивости. — 2023 [Электронный ресурс]. — Режим доступа:  https://rep.polessu.by/bitstream/123456789/30209/1/Innovatsii.pdf (дата обращения: 10.11.2025).
4. Киреева Ю.И., Лукьяненко В.Г. Материаловедение в дизайне: учеб. пособие. — Новополоцк : Полоцкий государственный университет, 2021. — 200 с.
5. Лутфуллина Г.Г., Абдуллин И.Ш. Цвет и дизайн: учеб. пособие. — Казань: Казан. нац. исследоват. технол. ун-т, 2014. — 132 с.
6. Плетнев И.В. Повышение стойкости медных теплоотводящих элементов стекольного производства термодиффузионным насыщением, 2024. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://core.ac.uk/outputs/613909644/?source=2 (дата обращения: 13.11.2025).
7. Сергеев Н.П. Керамические материалы на основе системы СaO (MgO)-Al₂O₃-SiO₂ из композиций природного и техногенного сырья: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: спец. 2.6. 14 : дис. — Национальный исследовательский Томский политехнический университет. — Томск, 2025.
8. Синельников А.М., Боннет В.В., Потапов В.В. Методические указания для специальностей 110800.62, 140400.62 и 140100.62. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://irsau.ru/sveden/files//35.03.06_B1.V.01.06_RP_Elektrotex._materialy.pdf  (дата обращения: 13.11.2025).
9. Скоринко Н. М. Материаловедение и технологии: учеб.-метод. комплекс для студентов специальности 1-19 01 01 Дизайн (по направлениям), направление специальности 1-19 01 01-02 Дизайн (предметно-пространственной среды) [Электронный ресурс] / Сост. Н. М. Скоринко. —Электрон. дан. (7,4 Мб). — Минск : Институт современных знаний имени А. М. Широкова, 2022. — 214 с.
10. Соколов Д.А. Умное стекло в архитектуре и дизайне: технологические особенности, применение и влияние на устойчивое развитие // Современное строительство и архитектура. — 2024. — № 12 (55). — С. 1–9.
11. Фараонов М.А. Анионные и анион-радикальные соединения фталоцианинов: синтез, структура, свойства: дис. ... канд. хим. наук: 02.00.04 / ФГБУН Институт проблем химической физики Российской академии наук, 2017. — 146 с.
12. Холодкова Н.В., Шикова Т.Г. Технология материалов электронной техники. — Иваново: ИГХТУ, 2013. — 131 с.
13. Шагина Н. А. Разработка экологичной технологии использования природных красителей растительного происхождения в колорировании текстиля: дис. ... канд. техн. наук: 05.19.02 / ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского». — Москва, 2014. — 151 с.
14. Шмыгалев А.С. Экспериментальное исследование теплопереноса инфракрасными галогенидсеребряными световодами: дис. … канд. техн. наук: 01.04. 14 : Екатеринбург, 2018. — 160 с.