اطلاعات اولیه
شیشههای معمولی که در زندگی روزمره بکار میروند، عمدتا شامل سیـلیس ، کربنات کلسیم ( یا آهک ) و کربنات سدیم و زغال کک است ( گاهی از فلدسپار و دولومیت نیز استفاده میشود ). معمولا این مواد را به صورت پودر یا دانههایی به قطر 0.2 تا 2 سانتیمتر ، مصرف میکنند. البته برای تهیه شیشههای مرغوب و کریستال ، از سیلیس تقریبا خالص (کوارتز) استفاده میشود. در شیشههای معمولی حدود ½ درصد آلومین و 0.08 درصد اکسید آهن III نیز وجود دارد.
تاریخچه
صنعت شیشهسازی ، در ایران سابقه بسیار طولانی دارد که به حدود پیش از 2000 قبل از میلاد میرسد. کشف یک ظرف شیشهای زرد رنگ صدفی با زینتی شبیه به خطوط شکسته موجدار که در یکی از قبرستانهای لرستان پیدا شده ، یک گردنبند شیشهای حاوی دانههای آبی رنگ متعلق به 2250 سال پیش از میلاد ، در ناحیه شمال غربی ایران و قطعات شیشهای مایل به سبز که در کاوشهای باستان شناسی لرستان ، شوش و حسنلو بدست آمده است، نشان دهنده سابقه تاریخی صنعت شیشهسازی در ایران است.
سیر تحولی و رشد
کشف بطریهای گردن دراز که دهانه آن با نقره مسدود شده بود در قرن 12 میلادی ، قالبهای ساخت وسایل شیشهای در نیشابور ، نشان دهنده شتاب بیشتر صنعت شیشهگری در اوایل رواج اسلام در ایران است که بهتدریج با رونق صنعت شیشهسازی در ایتالیا ، راه زوال را در پیش گرفت که تا قرن هفدهم میلادی ادامه یافت. از آن پس ، رونق و بازسازی این صنعت دوباره شروع شد و به مدد مهارت ایرانیان در رنگ آمیزی شیشه ، شتاب چشمگیری پیدا کرد. از آن جمله ، میتوان ساختن انواع محصولات مختلف شیشهای از ابریق گرفته تا گلدان ، بطری و … در شیراز ، اصفهان و قم در قرنهای دوازدهم و هجدهم میلادی را برشمرد. اما از آن زمان به بعد ، بیلیاقتی و غفلت دولمتردان وقت باعث شد صنعت شیشهسازی در ایران افت کند.
مراحل مختلف تهیه شیشه
فرآوردههای مختلف شیشهای
در حال حاضر ، صنایع شیشهسازی عمدتا در پنج شاخه اصلی مصرف در ایران
فعالیت دارند:
انواع مهم فراوردهههای شیشهای
شیشه جام
این نوع شیشه ، برای مصرف در پنجره ، قاب عکس و غیره تهیه میشود و دارای سطح کاملا صاف است. در مرحله تولید با عبور خمیر شیشه بین دو غلطک صاف افقی ، عمودی و یا عبور از روی قلع مذاب به دستگاه برش و کوره پخت هدایت میشود.
انواع بطری
برای تهیه بطری ، خمیر شیشه را از بالای ماشین قالبزنی توسط قیچی مخصوص به صورت لقمههایی در آورده ، به قسمت قالبزنی وارد میکنند و از پایین ، هوا در آن میدمند تا شکل مطلوب به خود بگیرد. برای تهیه انواع لیوان ، استکان ، لوله چراغ نفتی و فانوس ، مانند تهیه بطری عمل میشود، ولی بجای دمیدن هوا ، از قالب ویژه استفاده میشود.
شیشههای ایمنی بدون تلق
این نوع شیشهها برای ویترینها و شیشههای عقب و کناری خودرو تهیه میشوند. پس از مراحل برش و شکلدهی ، در پرسهای مخصوص ، آنها را در کوره الکتریکی تا °650C گرم کرده ، بطور ناگهانی سرد میکنند تا بر اثر تبلور جزئی ، بر مقاومت آنها افزوده میشود.
شیشه ضد گلوله
این نوع شیشه شامل چهار لایه 6 میلیمتری و دو لایه تلق ضخیم است. در هر مورد ، ابتدا از طریق وصل کردن به خلاء ، هوای بین لایهها را خارج کرده ، ضخامت شیشه و تلق را به هم میجشبانند و بعد تحت فشار 13 اتمسفر در دمای °120C ، به مدت سه ساعت نگه میدارند تا لایهها کاملا به همدیگر بچسبند.
الیاف شیشهای
این نوع الیاف ، با عبور خمیر شیشه از منافذ باریک یک قسمت غربال مانند ، تهیه میشوند. از این نوع الیاف ، در تهیه پارچه ، پتو و لحاف و عایقبندی دستگاههای حرارتی و برودتی و عایق الکتریکی ، صحافی و غیره استفاده میشود.
شیشههای مخصوص
شیشهها نشکن
این نوع شیشهها
دارای ضریب انبساط بسیار کماند و در مقابل تغییر ناگهانی دما یا ضربه ، مقاومت زیادی دارند. از این رو ،
از آنها برای تهیه ظروف و وسایل آزمایشگاهی و اخیرا ظروف آشپزخانه استفاده میشود.
برای تهیه این نوع شیشهها ، به
جای Na2O و CaO از
Zr2O3 ، Al2O3 و B2O3
استفاده میکنند که به نام شیشههای
پیرکس ، ینا و کیماکس شهرت دارند.
شیشههای بلور
این نوع شیشهها بسیار ظریف و مشابه به کریستالاند. اما سنگین و صدا دهندگی کریستال را ندارند و خاصیت شکست نور در آنها کمتر است. دارای 75 درصد سیلیس ، 18 درصد و 7 درصد Cao اند.
شیشههای سربدار
این نوع شیشهها از شیشههای معمولی شفافتر و سنگیترند و ضریب شکست
بالاتری دارند و دارای سه نوعاند:
شیشه ضد پرتوها
این نوع شیشه ، شامل یک قسمت و چهار قسمت pbo است، به مقدار قابل توجهی پرتوهای ایکس و پرتوهای رادیواکتیو را جذب کرده ، جلوی اثرات زیانبار آنها را میگیرد.
شیشه جاذب نوترون
این نوع شیشهها با افزایش اکسید کادمیم ( CdO ) به شیشه معمولی تهیه میشوند و بهعنوان حفاظ در مقابل تابشهای نوترونی ، بویژه در ارتباط با راکتورهای اتمی کاربرد دارند.
شیشه شفاف در مقابل IR
این نوع شیشه با اضافه کردن مقدار زیادی آلومین Al2O3 به شیشه معمولی حاصل میشود و در دستگاههای طیف نمایی و طیف نگاری IR مورد استفاده قرار میگیرند.
شیشه ضد اسید فلوئوریدریک
میدانیم که بعضی مواد شیمیایی مانند HF بر شیشه اثر میکنند. این تاثیر در واقع به واکنش سیلیسی موجود در شیشه با فلوئورید هیدروژن است که تولید اسید میکند. از این خاصیت در حکاکی و نقاشی روی شیشه استفاده میشود. اگر مقدار کافی فسفات آلومینیم که ساختار سیلیکات آلومینیم را دارد، در ساختار شیشه وارد شود، شیشه بدست آمده ، مقاومت قابل توجهی در برابر HF از خود نشان میدهد. علت این است که HF بر فسفات آلومینیم اثر ندارد.
شیشههای رنگی
برای برخی مصارف ویژه ، تهیه شیشههای رنگی ضرورت دارد. برای این کار ، عمدتا از اکسید فلزات استفاده میشود. برای مات یا شیری کردن شیشه ، فلوئوریت کلسیم ، کریولیت ، اکسید آنتیموان (III) ، فسفات کلسیم ، سولفات کلسیم و دیاکسید قلع استفاده می شود، زیرا این مواد ، رسوبهای کلوئیدی در خمیر شیشه تولید می کنند که پس از سرد شدن ، سبب شیری شدن آن میشوند.
ماسه شیشه
ماسه لازم برای تولید شیشه باید تقریبا کوارتز خالص باشد. در بسیاری موارد ، منطقه تهنشینی ماسه شیشه ، محل کارخانه شیشه سازی را تعیین کرده است. برای ظروف غذاخوری ، مقدار آهن موجود در ماسه نباید از 45% و برای شیشه اپتیکی نباید از 0.015% تجاوز کند، چرا که آهن تاثیر نامطلوبی بر رنگ اغلب شیشهها دارد.
سودا
Na2 یا سودا اصولا از سدیم کربنات چگال ( Na2CO3 ) تامین میشود. سایر منابع عبارتند از سدیم بیکربنات ، سدیم سولفات ناخالص و نیترات سدیم. نیترات سدیم برای اکسایش آهن و شتاب دادن به عمل ذوب نیز مفید است. منابع مهم آهک (CaO) سنگ آهک و آهک پخته حاصل از دولومیت (CaCO3.MgCO3 ) است که خود MgO را نیز وارد عمل میکند.
فلدسپار
این مواد دارای
فرمول کلی R2O. Al2O3 . 6SiO2 هستند که در آنها R2O ،
معرف Na2O یا K2O یا مخلوطی از این دو است. این مواد در مقایسه
با اکثر مواد دیگری که منبع Al2O3 هستند،
مزایای بسیاری دارند. فلدسپارها ارزان ، خالص و گدازپذیرند و کلا" از
اکسیدهای ایجاد کننده شیشه تشکیل شدهاند.
از خود Al2O3 تنها
هنگامی استفاده میشود که قیمت محصول از درجه دوم اهمیت برخوردار باشد. فلدسپارها
همچنین Na2O یا K2O و SiO2 را نیز
تامین میکنند. مقدار آلومین در پایین آوردن نقطه ذوب شیشه و کُند کردن
واشیشهای شدن ، موثر است.
بوراکس
بوراکس به عنوان یک جزء ترکیبی فرعی ، هم Na2O و هم اکسید بوریک را برای شیشه تامین میکند. هر چند که از بوراکس به ندرت در
شیشه پنجره یا شیشه جام
استفاده میشود، اما اکنون این ماده ، عموما در انواع خاصی از شیشه بطریها بکار میرود. یک نوع شیشه
بوراتی با ضریب شکست بالا نیز وجود دارد که در مقایسه با شیشههای قبلی ، مقدار پراش نور آن کمترو ضریب شکست نور در آن بالاتر است و شیشه اپتیکی
باارزشی بشمار میرود.
بوراکس علاوه بر توانایی بالا در ایجاد گدازش ، نهتنها ضریب انبساط
را پایین میآورد، بلکه
دوام شیمیایی را نیز افزایش میدهد. هنگامی که قلیائیت اندکی در فرایند تولید مورد نظر باشد، از اسید بوریک استفاده میشود که بهای آن ، دو برابر بوراکس است.
سدیم سولفات ناخالص
این ماده که مدتها مانند سایر
سولفاتها نظیر آمونیوم سولفات و باریم سولفات ، یک جزء ترکیبی فرعی در شیشه
تلقی میشد، غالبا در تمام انواع شیشه بکار میرود. این ماده ، کف موجود در کورههای مخزنی را که ایجاد
مشکل میکند، حذف مینماید.
برای کاهش سولفاتها
به سولفیتها ، از کربن استفاده
میشود.
ممکن است برای ایجاد سهولت در حذف حبابها
، آرسنیک تریوکسید افزوده شود. آهن را با سدیم یا نیترات پتاسیم ، اکسید میکنند تا مقدار آن در
شیشه نهایی چندان قابل توجه نباشد. از پتاسیم نیترات یا کربنات ، در بسیاری از شیشههای مرغوبتر
نظیر شیشه ظروف غذاخوری ، شیشه تزئینی و شیشه اپتیکی استفاده میشود.
خرده شیشه
این ماده از خرد کردن کالاهای معیوب ، لبههای پرداخت شده کالاها یا سایر ضایعات شیشهای بدست میآید و استفاده از آن ، سبب سهولت عملیات ذوب میشود و در عین حال ، مواد ضایعاتی نیز به مصرف میرسند. ممکن است مقدار خرده شیشه مصرفی در هر بار بین 10 تا 80 درصد باشد.
بلوکهای نسوز
این مواد در صنعت شیشه ،
بدلیل شرایط سخت موجود به طرز ویژهای بسط و توسعه یافتهاند. زیرکن متخلخل ، آلومین ، مولیت و مولیت - آلومین
تفجوش و زیرکونیا - آلومین - سیلیس
، آلومین و آلومین - کروم که بروش ریختگی برقی تهیه شدهاند، از جمله بلوکهای نسوزی هستند که در کورههای
مخزنی شیشه بکار میروند. آخرین تجربه بدست آمده در کورههای بازیابی گرما ، استفاده از فراوردههای نسوز
بازی بدلیل وجود غبار و بخارهای قلیایی در کوره است.
طاقهای آجری کوره از جنس سیلیس که
استفاده از آن در صنعت ، اقتصادی است، عمدتا تعیین کننده دمای عملیات کوره است.
شیشه به اشکال
مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. در ساخت لوازم تزیینی مانند
گل ، تابلو و غیره در ساختن ظروف آزمایشگاهی و یا ظروف آشپزخانه مانند
لیوان ، بطری و غیره و بالاخره در ساختن شیشههای مسطح که در دو نوع ساده
و مشجر عرضه میگردد و
مصارف مختلفی دارد که عمده ترین کاربرد آن به عنوان در و پنجره در
کارهای ساختمانی است که به شکلهای مختلف اعم از شیشههای شفاف ، نیمه شفاف و رنگی ، جاذب حرارت ، ایمنی ، دوجداره ، سکوریت و... وجود دارد.
همچنین در آینه سازی ، صنایع
نشکن ، صنایع یخچال سازی ، میزهای شیشهای ، انواع شیشه رومیزی و تیغه کاری
ساختمان کاربرد دارد.
شیشه رنگی
به دو طریق میتوان شیشه رنگی بدست آورد.
شیشه ضد آتش (پیرکس)
همراه مواد اولیه این شیشهها در مقابل حرارت ، مقاومت زیادی دارند، مقدار زیادی اکسید بوریک بکار میرود و سیلیس آنها از انواع شیشههای معمولی بیشتر است. معمولا از آنها به عنوان ظروف آزمایشگاه و آشپزخانه و یا در جلوی بخاریهای دیواری و اجاقها استفاده مینماید.
شیشه مسطح
این نوع شیشه را با اضافه نمودن توری فلزی در میان شیشه میسازند و بیشتر برای درهای ورودی ، کارگاهها ، موتورخانهها ، آسانسورها و هر جایی که خطر شکستن و فروریختن شیشه وجود دارد، استفاده مینمایند.
شیشه دوجداره (مضاعف)
این نوع شیشهها ، از دو لایه ساده و گاهی رنگی که به موازات یکدیگر قرار گرفتهاند و لبهها یا درزهای آنها هوابندی شده است و فضای بین آنها با مواد خشک کنندهای مانند سیلیکاژل ، پُر و یا در بعضی از موارد بین دو لایه ، خلاء ایجاد میشود. این نوع شیشه که عایق گرما ، سرما و صداست، در بسیاری از ساختمانها مانند فرودگاهها ، هتلها و بیمارستانها بکار میرود.
شیشه سکوریت
در این حالت ، شیشه مجددا تا حدود 700 درجه سانتیگراد حرارت داده و بعد بطور ناگهانی و تحت شرایط خاص و کنترل شدهای سرد میشود. این عمل باعث افزایش مقاومت شیشه (حدود 3 الی 5 برابر) در مقابل ضربه و نیز شوکهای حرارتی میگردد. این شیشهها در صورت شکستن ، به ذرات ریز و مکعب شکل تقسیم میشوند که آسیب رسان نیستند. از این نوع شیشه در ویترین فروشگاهها ، درهای شیشهای و پنجرههای جانبی اتومبیلها استفاده میگردد.
شیشه نشکن
این نوع شیشهها
شامل دو یا چند لایه شیشهاند که بوسیله ورقههایی از نایلون شفاف تحت حرارت و فشار به هم متصل میشوند. همچنین
بعضی از انواع شیشههای طلقدار به عنوان عایق صوتی ، جاذب حرارت ،
کاهنده شفافیت و شیشه ایمنی بکار برده میشوند. وقتی که این شیشهها میشکنند،
خاصیت کشسانی نایلون مانع از پخش و پراکندگی ذرات شیشه میگردد.
از جمله کاربردهای این نوع شیشهها در خودروها و ویترین مغازههایی که اشیاء
گرانقیمت میفروشند استفاده میگردد. ممکن است شیشه نشکن را از
جنس شیشه سکوریت بسازند.
شیشه ضد گلوله
از چند لایه شیشه سکوریت و یا نشکن ، شیشه ضد گلوله میسازند. در هنگام وارد شدن گلوله به داخل شیشه ، از نیروی آن کاسته و در میان شیشه متوقف میگردد.
شیشه انعکاسی (بازتابنده)
در این نوع شیشهها ، یک سطح
شیشه با یک پوشش منعکس کننده نور و حرارت از جنس فلز یا اکسید فلزی دارای این خاصیت
پوشانده میشود. این نوع شیشهها ، نور خورشید را منعکس میکنند و در کاهش
حرارت و درخشندگی نور موثر هستند. اگر در روشنایی روز از بیرون به شیشه
انعکاسی نگاه کنیم مشاهده میکینم که تصاویر اطراف را مانند آینه باز میتاباند و اگر از داخل به بیرون نگاه کنیم،
شیشه کاملا شفاف خواهد بود. شبها پدیده مذکور برعکس است. یعنی شیشه از خارج
شفاف و از داخل مانند آینه است.
این شیشه با منعکس نور خورشید ، حرارت
ناشی از تابش نور خورشید را بطور قابل ملاحظهای کاهش میدهد و در
نتیجه ، باعث صرفه جویی در هزینههای احداث ، راه اندازی و نگهداری سیستمهای
تهویه و تبدیل میشود.
شیشه ، مایعی میباشد که بسیار سرد شده است و در حرارتی پایینتر از نقطه انجماد آن ، در حالت مایع قرار دارد و بطور عمومی ، جسمی است شفاف که نور بخوبی از آن عبور میکند و پشت آن بطور وضوح قابل روئیت میباشد.
شیشه از نظر
ساختمان مولکولی در حالت جامد آرایش مولکولی نامنظم دارد. در درجه حرارتهای
بالا ، شیشه مثل هر مایع دیگری رفتار میکند. اما با کاهش دما ، گرانروی آن بطور غیر عادی افزایش مییابد و باعث میشود مولکولها نتوانند در آرایشی که لازمه کریستال شدن است،
قرار گیرند. به این ترتیب شیشه از نظر ساختمان مولکولی مانند مایعات
نامنظم است، ولی این ساختمان غیر منظم ، دیگر متحرک نیست.
شیشه جسمی سخت است که سختی آن
در حدود 8 میباشد و همه اجسام بجز الماسهها را خط میاندازد. وزن مخصوص شیشه 2.5 گرم بر
سانتیمتر مکعب بوده و بسیار تُرد و شکننده است. شیشه در مقابل تمام مواد شیمیایی حتی اسیدهای قوی و بازها مقاومت کرده و تحت
تاثیر خورندگی واقع نمیشود، به همین علت ظرف آزمایشگاهی را
از شیشه میسازند. فقط اسید فلوئوریدریک
(HF) بر آن اثر داشته و
شیشه را در خود حل مینماید.
تاریخچه
شیشه گری ،
یکی از قدیمیترین حرفههایی است که بشر بدان اشتغال داشته
است. مصریها سازنده اولین اشیای شیشهای بودهاند که ظروف بدست آمده از
حفاریهای مصر قدمت 5000 ساله دارد. رومیان نیز در فن شیشه گری مهارت
داشتهاند و در این صنعت از سایرین پیشرفتهتر بودند. رونق شیشه سازی در نخستین ادوار تاریخ اسلامی صورت گرفته است، زیرا هنری
بود که در مساجد و زیارتگاهها و تزئینات مذهبی جلوه
خاصی داشته و مورد استفاده قرار میگرفت.
در ایران نیز ساختن شیشه قدمت
چند هزار ساله دارد. و نخستین واحد ماشینی تولید شیشه ساختمانی در ایران در سال 1340
شروع بکار کرد.
ترکیبات سازنده شیشه
اجزای اصلی تشکیل دهنده شیشه
با نگاه به جدول عناصر ، کمتر عنصری را میتوان یافت که از آن شیشه بدست نیاید، ولی سه ماده کربنات دو سود ، سنگ آهک و سیلیس ، مواد اصلی تشکیل دهنده شیشه میباشند. مواد شیشه ساز مورد تایید موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران عبارتند از سیلیس (SiO2) ، دیاکسید بور (B2O3) ، پنتا اکسید فسفر (P2O5) که از هر کدام بتنهایی میتوان شیشه تهیه نمود.
گدازآورها
کربنات سدیم (Na2CO3) ، کربنات پتاسیم (K2CO3) و خرده شیشه ، سیلیکات سدیم و پتاسیم (Na2SiO3 , K2SiO3) که حاصل ترکیب سیلیس با گدازآورها میباشند، در آب حل میشوند و از شفافیت شیشه به تدریج کم میکنند. به همین علت است که اغلب شیشههای مصرف شده در گلخانه پس از چند سال کدر میشوند و نور از آنها بخوبی عبور نمینماید.
تثبیت کنندهها
برای آنکه مقاومت شیشه را در مقابل آب و هوا ثابت کنیم، باید اکسیدهای دو ظرفیتی باریم ، سرب ، کلسیم ، منیزیم و روی به مخلوط اضافه کنیم که به این عناصر ، ثابت کننده میگویند.
تصفیه کنندهها
موجب کاستن حباب هوای موجود در شیشه میشوند و بر دو نوعند:
تا اینجا به موادی اشاره کردیم که عدم وجودشان ، در مواد اولیه باعث از بین رفتن مرغوبیت کالا میشد. حال به چند ماده دیگر که به نوعی در تولید شیشه سهیم هستند، اشاره میکنیم.
افزودنیها
دو نمونه از عناصر تشکیل دهنده که عمومیت بیشتری دارند، در زیر ذکر میگردد.
حتی فکرش را هم نمی کردیم که یک روز شیشه های خودرو هایمان آنقدر هوشمند بشوند که خودشان تشخیص دهند که کثیف هستند و باید تمیز شوند! اما مثل اینکه آقای Leonardo Fioravanti موفق به طراحی و ساخت خودرویی با نام Hidra شده که شیشه جلوی آن از به کمک فن آوری نانو تکنولوژی در 4 لایه ی بسیار هوشمند ساخته شده است.لایه اول نوعی محافظ در برابر تابش اشعه نور خورشید و قطرات آب است.لایه دوم محافظ گرد و غبار هواست. این لایه زمانی فعال می شوند که لایه سوم که شامل سنسور های تشخیص گردو غبار است سطح شیشه را کثیف حس کرده باشند. و نهایتا لایه چهارم که نقش پاور برق این مجموعه را ایفا می کند جریان الکتریسیته بسیار ضعیفی که جهت فعالیت الیاف و سنسور های ظریف نانو است را تولید می کند. این مجموعه هنوز در حد یک طرح است و در حال طی کردن مراحل آزمایشی خود به سر می برد. خب حالا که کثیف بودن شیشه اعلام شد چه کسی باید آن را پاک کند؟!