مقدمه
میدانیم که در طبیعت ماده به سه صورت گاز،مایع و جامد وجود دارد که این سه حالت قابل تبدیل به یکدیگر هستند.
تعاریفی که برای این حالت های ماده به کار برده شده به این صورت میباشد:
گاز:
حالتی ازماده است که در ان نیروی جاذبه بین ملکول ها ضعیف بوده و تحرک شدید ملکول ها یا اتم ها وجود هر گونه نظم هندسی را در بین ذرات غیر ممکن میسازد،بنابراین گاز نه حجم ثابت ونه شکل ثابتی دارد.
مایع:
مایعات از نظر بی نظمی و سیالیت مثل گازرفتار میکنند و از نظر تراکم مولکولی مثل جامداتند.
جامد:
در جامدات نیروی جاذبه بین مولکول ها محکم بوده و تحرک مولکول ها نسبت به یکدیگرکم و مولکول ها و اتم ها نظم هندسی مشخسی دارند.
اما شیشه...
شیشه از نظر شفافیت ظاهری مثل آب دارد ولی عملا سیالیت آاب را نداردو شکل ظاهری آن سخت وصلب است، به دلیل بی نظمی در ساختمان مولکولی اش حتی در حالت سخت و صلب خود ماهیت مایع رادارد ،
به عبارتی مذاب شیشه در طی سرد شدن بر خلاف مایعات معمولی ،بدون تشکیل یک ساختمان منظم مولکولی سخت و جامد میشود .
در مایعات معمولی مانند اب وقتی که سرد میشود و به محض رسیدن به دمای انجماد شروع به یخ زدن میکند یا به عبارتی با تشکیل واحد های بلوری منظم جامد میشود ، ولی برای شیشه این طور نیست.
مذاب شیشه در مرحله ی سرد شدن بدون ایجاد تبلور و نظم مولکولی درونی پس از گذشتن از دمایی که به ان دمای شیشه ای شدن (TG )میگویند سخت و صلب میشود.
منحنی زیر نشاندهنده ی این تعاریف است.
تعریف دیگری برای شیشه این است که شیشه ماده ایست بی شکل که در درجه حرارت های معمولی مثل یک جامد سخت عمل میکند ولی در درجه حرارت های بالا به تدریج نرم و ذوب شده و به مایعی روان تبدیل میشود.
ترکیبات شیشه :
عنصر اصلی تشکیل دهنده اکثر شیشه ها سیلیسیم است . اکسید سیلیسیم یکی ازفراوانترین کانیهای موجود در پوسته زمین است که به ان سیلیس گفته میشود(SIO2 )و به اشکال مختلف در طبیعت وجود دارد .
سیلیس به تنهایی شیشه ساز است و شیشه خالص سیلیسی دارای موغوبیت بسیار خوبیست ولی به دلیل نقطه ذوب بالای سیلیس و اقتصادی نبودن تولید معمولا عناصر دیگری به عنوان تعدیل کننده یا روان ساز به ان اضافه میشود .
البته اکثر عناصر جدول تناوبی به طریقی به صورت کم یا زیاد در ترکیب انواع شیشه ها وارد میشوند.
از رایج ترین ترکیبات شیشه ، شیشه هاییست که از ترکیب سیلیس ،اکسید سدیم یا پتاسیم و اکسید اهک تشکیل شده که شیشه های سیلیکاتی سودا-لایم گفته میشوند، اکثر شیشه های در و پنجره و ظروف از این نوع هستند.
اشکال زیر چگونگی تفاوت ساختمان کریستال کوارتز و شیشه کوارتز و شیشه سیلیکاتی را نشان میدهد. همان طور که در شکل مشخص است کریستال کوارتز یک شبکه منظم از چهار وجهی های SIO4 را
تشکیل داده.
در شیشه کواتز زاویه بین اتم ها یا پیوند اتم ها ثابت نیست و شبکه چند وجهی منظم را ندارد و در واقع یک شیشه نا منظم تشکیل شده است.
وقتی تعدیل کننده هایی مثل سدیم و کلسیم وارد شبکه شیشه میشوند شبکه به راحتی شکسته شده و این یونهای قلیایی در حفره های شبکه جای میگیرند.
غیر از شیشه های سیلیکاتی سودا-لایم شیشه های زیادی که کاربرد زیادی دارند عبارتند از:
1) شیشه های سربی که دارای ترکیبات سرب هستند و در ساخت عدسی ها و فیلتر ها به کار میروند.
2) شیشه های بور و سیلیکات که دارای ترکیبات بور هستند و در تولید اکثر لوازم ازمایشگاهی ، برخی از شیشه های ظروف و در شیشه های اپتیکی به کار نیروند.
3) شیشه های باریمی که دارای ترکیبات باریم هستند و در ساخت عدسی ها و فیلتر ها به کار میروند.
4) شیشه هایی با ترکیبات عناصر کمیاب مثل ( لانتانید ها – تانتالید ها و تیتانیوم ...) که برای تولید شیشه های اپتیکی به کار میروند .
امروزه مواد الی معینی میتوانند با روش های مشخص به صورت سخت و با ساختمان بی مظم تولید شوند و در واقع شسشه الی تولید شود .
گرچه در زبان محاوره ای به این ترکیبات شیشه گفته نمیشود ، اما انواع هارد رزین ها و رزین های ترمو پلاستیک از این نوع شیشه الی هستند که کاربرد فراوانی هم پیدا کرده اند.
روش ساخت شیشه
فرایند های عمده در ساخت شیشه عبارتند از :
1) ذوب
2) شکل دهی
3) تنش زدایی( آنیلینگ)
در مرحله ذوب مخلوطی از مواد و عناصر مختلف با اندازه و دانه بندی مشخص به صورت گچ تهیه شده و بعد در کوره ذوب طی مراحلی تا دمای ذوب ( این دما بسته به ترکیب شیشه تفاوت دارد ) به منظور به دست اوردن شیشه ای هموژن و عاری از معایب ذوب میشود.
در شکل دهی شیشه مذاب را یا به صورت تمام اتوماتیک یا دستی از طریق کشش شیشه یا قالب ریزی یا پرس به فرم مورد نظر شکل میدهند.
در مرحله بعد با به تدریج سرد کردن شیشه و رساندن ان به دمای محیط ( با کنترل دقیق دما ) باعث میشوند که تنش های درون شیشه ازاد شده یا به حداقل برسد.
هر یک از این مراحل برای ترکیبات مختلف ویژگیهای خاص خود را دارد ولی از انجا که عواملی مثل حبابها ، غیر هموژن شدن مذاب شیشه و حضور رگه و دیگر ناخالصیهای شیشه پارامترهای مشترکی در مراحل ساخت انواع شیشه هاست ، سعی بر این است که این مشکلات به حداقل رسانده شود .
مشخصا در مورد شیشه های اپتیکی حذف این معایب حائز اهمیت است
کلیات
شیشه جامدی آمورف ومعدنی است که معمولا از انجماد سریع مذاب بدون تبلور،تا دمای اتاق بدست می آید.برخی ان را مایع فوق تبرید (super cooled) می نامند .شیشه در دمای اتاق سفت و شکننده است ولی می توان به تعداد نامحدودی ذوب و مجددا شکل داد. وزن مخصوص آن حدودgr/cm3 6/2-3/2 و مقاومت کششی آن بدلیل وجود معایب سطحی از قبیل ترک های موئی (Microcracks) و نقایص دیگر پایین و حدود 700-350
Kg/cm2 است ولی مقاومت فشاری آن بسیار بالا و در حدود kg/cm2 3500 است.
نظریه تشکیل شیشه برای اولین بار در سال 1932 میلادی توسط دانشمندی بنام زاخاریاسن (Zachariasen ) و بعد از او در سال های 1938-1933 توسط وارن Warren)) و همکارانش پیشنهاد گردید.نظری های دیگری ارائه شدند ولی ازاهمیت کمتری برخوردارند. از شیشه به دلیل شفافیت،مقاومت در برابر خوردگی و عایق بودن استفاده های فراوانی می شود وامروزه، تقریبا بیش از 800 نوع شیشه مختلف به بازار عرضه می گردد.شیشه های معمولی را از ذوب سیلیس با مواد قلیایی و مواد پایدار کننده از قبیل آهک ،آلومین ،سرب و باریم تولید می کنند.شیشه بطری ،شیشه تخت و شیشه پنجره (جام) معمولا دارای سلیس ، آلومین ، اکسید کلسیم و اکسید سدیم است.
خواص شیشه ها
هدف اصلی استفاده از شیشه در ساختمان ، عبور نور طبیعی بدون ایجاد ناراحتی و مزاحمت به ساکنین آن است.اخیرا نیز مسائلی از قبیل صرفه جویی در انرژی ،کنترل دما، ایمنی و زیبایی نیز مطر اند که باید در هنگام انتخاب شیشه و نصب آن در ساختمان های جدید کاملا مد نظر طراح قرار گیرند.
خواص شیمیایی
شیشه ها در برابر عوامل خورنده از قبیل اسیدها و بازها به جز اسید فلوئیدریک مقاوم اند.
خواص نوری
از مهم ترین خواص شیشه ، خواص نوری آن است که آن را برای مقاصد مختلف مختلف از جمله ساختمان ، معماری ،حمل ونقل و ارتباطات ، تجهیزات علمی و تجهیزات پزشکی جالب توجه ساخته است.
مهم ترین خواص نوری شیشه انعکاس ، شکست ،پراکندگی و عبور است. هر چند شیشه ها در برابر نور مرئی و مادون قرمز شفافند ولی اغلب آن ه در برابر نور ماوراء بنفش مات اند. برای عبور یا جذب محدوده خاصی از طول موج نور فیلتر های ویژه گرما استفاده می شود. برای تغییر در قدرت انعکاس نور ، گاه سطح شیشه را طراح دار یا مشجر می کنند.
انعکاس
هنگامی که نوری به سطح شیشه می تابد قسمتی از آن منعکس می شود که آن را با R نشان می دهند. R اول کلمه Reflection به معنی انعکاس است.
انعکاس کاملا به زاویه تابش ، یعنی زاویه بین اشعه نور و خط عمود بر سطح شیشه بستگی دارد.هر چقدر زاویه تابش بیش تر باشد مقدار انرژی (نور) منعکس شده بیش تر است. شیشه هایی که ضریب شکست بالایی دارند نسبت به شیشه هایی که ضریب شکست پایین تری دارند نور تابیده شده را بیش تر منعکس می کنند.
شکست
اگر نور از یک محیط به محیط دیگری وارد شود مسیر آن تغییر می کند.مقدار مسیر بیانگر ضریب شکست است که ان را از قانون اسنل محاسبه می کنند.
پراکندگی
پراکندگی معیاری از تغییر ضریب شکست نسبت به طول موج است.این تغییر باعث تفکنیک اجزای نور در منشور می گردد.تشکیل قوس قزح نیز به دلیل پراکندگی نور در قطره و ذرات آب است.
عبور
نوری که بر شیشه می تابد مقداری از آن منعکس ومقداری از آن عبور می کند.مقدار نوری که از شیشه عبور می کند به ضخامت شیشه ،وضعیت سطح (صاف، خشن،...) و نوع پوشش آن بستگی دارد.
شیشه صاف و روشن به ضخامت 3 میلیمتر ، 91 درصد نور روز را از خود عبور می دهد در حالی که اگر ضخامت شیشه 25 میلیمتر باشد ، فقط 78 درصد نور را از خود عبور می دهد.
جذب
وقتی نور خورشید بر شیشه می تابد قسمتی از آن جذب می شود. در مورد شیشه پنجره های معمولی ، جذب کسر بسیار جزئی از تابش را تشکیل می دهد. تغییرات عبور، انعکاس و جذب نور خورشید را از شیشه معمولی یک لایه در دیوار جنوبی و در عرض جغرافیایی 45 درجه نشان می دهد.
جذب، حاصل بر هم کنش الکترون های ظرفیت با فوتون های تابشی است.زیرا در اثر این بر هم کنش فوتون ها این انرژی خود را از دست می دهند لذا ممکن است جذب شوند.جذب وقتی اتفاق می افتد که که گاف انرژی ماده کوچک باشند . ولی اگر گاف انرژی، از انرژی فوتون های تابیده بزرگتر باشد، فوتون ها ممکن است عبور کنند.
ویسکوزیته یا ناروانی
مایعات قادر به تحمل نیروی برشی نیستند و سیلان می یابند. ویسکوزیته را با ضریب ویسکوزیته که بیانگر اصطکاک داخلی مایع است اندازه گیری می کنند.
تبلور
اگر شیشه ها را به مدت طولانی در دمای مناسبی حرارت دهیم متبلورمی شوند. ولی در بین اکسیدها B2o3 ودر بین سیلیکات ها فلدسپارپتاسیک (k2o.Al2 o3.6Sio2) از این قاعده مسیثنی هستند که حتی حرارت طولانی نیزنمی تواند آن ها را متبلور سازد.اخیرا در دسته ای از شیشه ها به طور عمدی تبلور ایجاد می کنند ، که به گروه شیشه - سرامیک مشهورند.
کشش سطحی
نیروی لازم برای افزایش سطح، کشش سطحی نامیده می شود و از نظر عددی برابر کار لازم در واحد سطح برای ایجادسطح جدید بوده و واحد آن N/M است.
کشش سطحی شیشه های سیمیکاتی معمولا در حدود mN/m 360-200 است و با افزایش دما مقداری کاهش می یابد.
هدایت حرارتی
هدایت حرارتی شیشه ها در دمای اتاق بین W/cmK 138./.- 71../. قرار دارد.
هدایت الکتریکی
شیشه ها در حالت جامد عایق های الکتریکی خوبی هستند درحالی که در حلت مذاب هادی الکتریکی می باشند. لذا مذاب شیشه را می توان را می توان با عبور مستقیم جریان الکتریکی حرارت داد.هدایت الکتریکی در شیشه ها از نوع الکترولیتی است. بدین معنی که جریان الکتریکی تئسط یون ها صورت می گیرد.حرارت دادن شیشه ها با جریان الکتریسیته مستقیم باعث تفکیک و جدایش یون ها می شود.برای رفع این مشکل از جریان الکتریکی متناوب استفاده می شود.
خواص مکانیکی
رشته های بی عیب شیشه تنشی معادل Kg/cm2 70000 را تحمل می کنند ، که بیش از 5 برابر تحمل فولاد است.اما معایب و نواقص سطحی تأ ثیر عمده ای بر خواص مکانیکی شیشه دارد.این معایب باعث تمرکز تنش ونتیجتا ترک خوردن شیشه می شود و مقاومت واقعی را به 0.01 مقاومت نظری کاهش می دهد.
از آنجایی که شیشه ساختمانی هموژن دارد، خواص آن در جهات مختلف یکسان است و به محض شروع ترک می کند.برای جلوگیری از ترک خوردگی و افزایش مقاومت شیشه ، سطح آن بابد کاملا صیقلی عاری از هر گونه عیب باشد.
دسته بندی شیشه ه بر اساس مصارف اقتصادی
سیلیس گداخته
سیلیس گداخته یاا سیلیس شیشه‌ای به روش تفکافت تتراکلرید سیلیسیم در دمای بالا یا بوسیله گدازش کوارتز یا ماسه خالص ساخته میشود و گاه آن را به اشتباه ، شیشه کوارتزی می‌خوانند. این ماده ، انبساط کم و نقطه نرمی بالایی دارد که به مقاومت گرمایی زیااد آن کمک میکند و امکان استفاده از آن را در گستره دمایی بالاتر از دیگر شیشه‌ها فراهم می‌آورد. این شیشه ، اشعه ماوراء بنفش را بخوبی از خود عبور میدهد.
سیلیکات های قلیایی
سیلیکات های قلیایی تنها شیشه‌های دو جزئی هستند که از اهمیت تجارتی برخوردارند. ماسه و کربنات سدیم را بسادگی با هم ذوب میکنند و محصولات بدست آمده با گستره
ترکیب Na2O.SiO2 تا Na2O.4SiO2 را سیلیکات های سدیم می‌خوانند. سیلیکات های محلول کربنات سدیم که به نام شیشه آبی (انحلال پذیر در آب) نیز خوانده میشود، بطور گسترده‌ای در ساخت جعبه‌هایی با کاغذ موجدار و به عنوان چسب کاغذ بکار می‌رود.
مصرف دیگر آن در ایجاد حالت ضد آتش است. انواع قلیایی‌تر آن به عنوان شوینده‌های لباسشویی و مواد کمکی صابون ها بکار می‌رود.
شیشه آهک سوددار
این نوع شیشه %95 کل شیشه تولید شده را تشکیل میدهد و از آن ، برای ساخت تمام انواع بطری ها ، شیشه های تخت ، پنجره خودروها و سایر پنجره‌ها ، لیوان و ظروف غذاخوری استفاده میشود. در کیفیت فیزیکی تمام انواع شیشه‌های تخت ، نظیر همواری
ونداشتن موج و پیچ ، بهبود کلی حاصل شده ، اما ترکیب شیمیایی تغییر زیادی نکرده است. اصولا ترکیب شیمیایی در گستره زیر قرار می‌گیرد:
SiO2 از %70 تا %74 ، CaO از %8 تا %13 ،Na2O از %13 تا %18.
فراورده‌هایی که این نسبتها را دارند ، در دماهای نسبتا پایین‌تری ذوب میشوند. در تولید شیشه بطری ، بخش عمده پیشرفت از نوع مکانیکی است. در هرحال ، تجارت نوشابه‌ها سبب ایجاد گرایشی در بین شیشه سازان برای تولید ظروف شیشه‌ای با آلومیـن و آهک زیاد و قلیاییت کم شده است. این نوع شیشه با دشواری بیشتری ذوب میشود، اما در برابر مواد شیمیایی مقاومتر است.
رنگ شیشه بطریها بدلیل انتخاب بهتر و تخلیص مواد خام و استفاده از سلنیم به عنوان زنگ‌زدا بسیار بهتر از قبل است.
شیشه سربی
با جانشین شدن اکسید سرب به جای اکسید کلسیم در شیشه مذاب ، شیشه سربی بدست می‌آید. این شیشه‌ها بدلیل برخورداری از ضریب شکست بالا و پراکندگی نور زیاد ، در کارهای نوری از اهمبت بسزایی برخوردارند. تاکنون میزان سرب موجود در شیشه را به%92 نیز رسانده‌اند.
درخشندگی یک بلورتراش داده شده خوب بدلیل مقدار زیاد سرب در ترکیب آن است. مقدار زیادی از این شیشه برای ساخت حباب لامپهای برق ، لامپ های نئون و رادیوترونها بدلیل مقاومت الکتـریکی بالای آنها مورد استفاده قرار می‌گیـرد. این شیشـه برای ایجاد حفاظ در برابر پرتوهای اتمی نیز مفید است.
شیشه بوروسیلیکاتی
شیشه بوروسیلیکاتی ، معمولا حاوی حدود 10 تا 20 درصد B2O2 ، حدود 80 تا 85 درصد سیلیس و کمتر از 10 درصد Na2O است. این نوع شیشه دارای ضریب انبساط کم ، مقاومت فوق‌العاده زیاد در برابر ضربه ، پایـداری عالی در برابر مواد شیمیـایی و مقاومت الکتریکی بالاست.
ظروف آزمایشگاهی ساخته شده از این شیشه ، تحت نام تجارتی پیرکس فروخته میشود. با این حال ، در سالهای اخیر نام پیـرکس برای اجناس شیشـه‌ای بسیـاری که ترکیب شیمیایی دیگری دارند (مانند شیشه آلومیـن - سیلیکات در ظروف شیشه‌ای مناسب برای پخت و پز) نیز بکار می‌رود. مصارف دیگر شیشه‌های بوروسیلیکاتی علاوه بر ظروف آزمایشگاهی عبارت است از واشرها و عایق های فشار قوی ، خطوط لوله و عدسی تلسکوپها.
شیشه‌های ویژه
شیشه‌های رنگی و پوشش‌دار ، کدر ، شفاف ، ایمنی ، شیشه اپتیکی ، شیشه فوتوکرومیکی و سرامیک های شیشه‌ای ، همه شیشه‌های ویژه هستند. ترکیب تمامی این شیشه‌ها بر طبق مشخصات محصول نهایی موردنظر تغییر میکند.
الیاف شیشه‌ای
الیاف شیشه‌ای از ترکیبات ویژه‌ای که در برابر شرایط جوی مقاوم هستند، ساخته میشوند. سطح بسیـار زیاد این الیـاف سبب میشود تا آنها نسبت به همه رطوبت موجود در هوا آسیب پذیر باشند. مقدار سیلیس (حدود %55) و قلیایی موجود در این شیشـه پایین است
نقش کانیها در تهیه شیشه
آشنایی
بزرگترین بخش بیشتر شیشه‌ها را سیلیس تشکیل میدهد. مواد جانبی را نیز به شیشه می‌افزایند. اکسید سدیم (Na2O) موجب کاهش دمای ذوب می‌گردد، ولی افزایش بیش از حد آن از مقاومت شیمیایی شیشه می‌کاهد. اکسید کلسیم (CaO) مقاومت شیمیایی و سایشی را در شیشه پایین می‌آورد. افزودن CaO به شیشه موجب تبلور آن می‌گردد و در نتیجه حالت اوپالین کدر به خود می‌گیرد.
برای افزودن مقاومت شیشه مقدار کمی اکسید آلومینیوم (Al2O3) و اکسید منیزیم (MgO) بر آن اضافه میکنند. دو عامل عمده در تشکیل شیشه نقش دارند که عبارتند از : غلظت مایع در محدوده خاصی از دمای محیط به سرعت افزایش می‌یابد و دمای ذوب باید به دمای محدوده افزایش غلظت باشد.
تقسیم بندی انواع شیشه‌ها بر اساس ترکیب شیمیایی و زمینه کاربرد آنها
• شیشه معمولی : بیشترین تولید را این شیشه‌ها به خود اختصاص میدهند. مصارف عمده آنها در شیشه‌های در و پنجره ، بطریها ، ظروف شیشه‌ای ، لامپها و غیـره است. ترکیب شیمیایی شیشه معمولی به شرح زیر است (: (SiO2 70 درصد) ، (Na2O 15 درصد) ، (CaO 9 درصد)، (MgO 3 درصد) ، (Al2O3 2 درصد
• شیشه‌های بردار : در این شیشه‌ها از بین B2O3 به جای CaO استفاده میشود. ویژگیهای مهم این شیشه‌ها عبارت است از ضریب انبساط کم ، مقاومت شیمیایی و الکتریکی بالا و مقاومت در برابر شوکهای حرارتی. مصارف عمده این شیشه‌ها در ساخت لوازم آزمایشگاهی ، پزشکی ، ظروف آشپزخانه و شیشه‌های صنعتی است. شیشه پیرکس نوعی شیشه بردار است. ترکیب شیمیایی شیشه بردار بدین شرح است (. (SiO2 71- 81 درصد) ، (Na2O 5.4- 6 درصد) ، (B2O3 10- 5.13 درصد) ، (Al2O3 2- 5 درصد.
• شیشه‌های سربی : ضریب شکست این شیشه‌ها زیاد است و از اینرو آن ها در ساخت انواع عدسی ، قطعات نوری و لامپ استفاده میشود. این شیشه حاوی 37 درصد اکسید سرب است که گاهی تا 92 درصد هم می رسد. شیشه های سربی‌ای که میزان اکسیـد سرب آن ها بیش تر باشد برای پیشگیـری از نفوذ پرتوهای رادیواکتیو و تهیه لامپ های الکترونیک بکار میروند.
• شیشه‌های کوارتزی : این شیشه‌ها از کوارتز خالص ساخته میشوند. ایستایی گرمایی و شیمیایی آنها بالاست. ضریب انبساط آنها اندک است و بسیار شفاف هستند. این شیشه‌ها در ساختن منشور و پنجره‌های اپتیک بکار میروند.
• سیلیکاتهای سدیم : این سیلیکاتها در آب محلول‌اند و به دلیل خاصیت چسبندگی شان به عنوان چسب بکار برده میشوند. ترکیب شیمیایی آنها به دو صورت Na2O.SiO2 و یا Na2O.4SiO2 است.
• شیشه‌های فسفات‌دار : در این شیشه‌ها مقداری P2O5 جایگزین SiO2 شده است. از این شیشه‌ها برای عبورامواج فرابنفش استفاده میشود.
• شیشه‌های اوپالین : این شیشه‌ها حاوی فلورین وآپاتیت هستند. ذوب شیشه عادی است، ولی به هنگام سرد شدن بلورهای کوچکی در آن متبلور میشوند. و بدین ترتیب خاصیت اوپالی در شیشه‌ها ایجاد می‌گردد.
صنعت شیشه
بطور کلی در صنعت شیشه حداکثر دمای مورد نیاز برای ذوب مواد اولیه 1600 درجه سانتیگراد است. ترکیب بیشتر شیشه‌ها در محدوده کوارتز ، کریستوبالیت و یاتریدیمیت قرار می‌گیرد. در صورتی که مواد اولیه با سیلیـس بیش تر انتخاب شوند و یا این که کانیهای نا نقطه ذوب بالا در مواد اولیه موجود باشند، باید مواد تا 1600 درجه حرارت داده شوند. در دمای بالا با کاهش غلظت ، گاز CO2 به آسانی ماده مذاب را ترک کرده و ناخالصیها نیز ذوب میشوند و در نتیجه محصول شفاف و خالی از حباب و مواد ذوب نشده خواهد بود.
مواد اولیه شیشه
مهمترین مواد تشکیل دهنده شیشه شامل SiO2 ، CaO و Na2O است.
• SiO2 : مهمترین منابع SiO2 ، ماسه‌های سیلیسی ،کوارتزیت و رگه‌های کوارتزی است. اکسیدهای آهن موجب رنگین شدن شیشه و کرومیت غالبا ذوب نمیشود و به صورت ناخالصی در شیشه باقی می‌ماند. ناخالصی آلومینیـوم در ماسه سیلیسـی موجب کاهش دمای ذوب و افزایش کیفیت شیشه میشود.
• CaO : مهمترین منابع اولیه CaO سنگ آهک است. هر تن CaCO3 حاوی 560 کیلوگرم CaO و 440 کیلوگرم CO2 است. ناخالصیهای سنگ آهک شامل MgO ، FeO ، MnO ، کانیهای رسی و نودولهای چرت هستند. MgO با SiO2 برای ترکیبات خاص تشکیل دو مایع با حالت امولسیون را میدهد. محدوده این دو مایع با حالت امولسیون وسیعتر از محدوده دو مایع SiO2 - Na2O است. میزان MgO برای شیشه‌های مختلف متفاوت است و چنانچه سنگ آهک خالص باشد جهت تامین MgO مورد نیاز می‌توان از دولومیت استفاده نمود.
• Na2O : مهمترین منابع تامین Na2O مورد نیاز شیشه عبارتند از کربنـات سدیمNa2CO2 ، آبسیت و آلکالی فلدسپات ، نفلین سیانیت ، هر تن کربنات سدیم حاوی 580 کیلوگرم Na2O و 420 کیلوگرم CO2 است.
• بوراکس : برای افزودن مقاومت شیمیـایی و ضریب شکست در شیشـه‌های مخصوص از بوراکس استفاده میکنند. باید دانست که بوراکس ، نقطه ذوب سیلیس را کاهش میدهد. در شیشه‌های نسوز مواد نسوز را بکار میگیرند.
مواد رنگی شیشه‌ها : هر یک از رنگهای ویژه توسط مواد شیمیایی آنها ، در شیشه ایجاد میشوند، رنگ سبز (Cr2O3) ، رنگ سبز تا زرد (CrO3)، رنگ آبی (CaO)، رنگ قرمز (CuO) و رنگ قهوه‌ای (Fe2O3). مواد بی رنگ کننده شیشه عبارت است از اکسید سلنیوم ، اکسید سدیم و اکسید نئومیوم.
شیشه های ویژه
شیشه سیلیس گداخته
شیشه سیلیسی گداخته یا سیلیس شیشه‌ای را می‌توان با گداختن سیلیس خالص تولید کرد، اما چنین محصولاتی معمولا حباب دارند و نمی‌توان آنها را به‌صورت شفاف تولید کرد. اکنون کمپانی کورنینگ ، این شیشه را به روش تفکافت فاز بخار تتراکلرید سیلیسیم در دمای بالا تولید میکند. این نوع فرایند ، بطور طبیعی برای کنترل سیستمهایی مناسب است که در آنها امکان تولید خالص فراهم باشد.
سیلیس خامی که با این روش تولید میشود، به شکل ورق یا بول(بول ، خرده سنگهای استوانه‌ای یا گلابی شکل کانی مصنوعی است) است. دمای بالای واکنش ، باعث بیرون رانده شدن آلاینده‌های نامطلوب میشود و مقدار ناخالصیهای موجود در سیلیس گداخته را به حدود یک در صد میلیون قسمت می‌رساند. شیشه سیلیس گداخته ، حداقل مقدار جذب فراصوت را داراست. از این شیشه بدلیل انبساط گرمایی کم آن در آینه‌های تلسکوپی استفاده میشود.
شیشه پر سیلیس
این محصول که به نام ویکور شناخته میشود، پیشرفت مهمی درجهت تولید شیشه‌ای است که از نظر ترکیب و خواص به شیشه سیلیس گداخته نزدیک است. در این روش ، محدودیتهای پیشین در زمینه ذوب و شکل‌دهی از میان رفته است. کالاهای نهایی ، حدود 96% سیلیس و 3% اسید بوریک دارد و 1% بقیه از آلومین و قلیا تشکیل شده است. از ترکیبات بورو سیلیکات-شیشه حاوی حدود 75% سیلیس ، در مراحل اولیه فرایند هنگامی که شیشه‌ها ذوب و قالبگیری میشوند، استفاده میشود. پس از خنک شدن ، کالاها را تحت عملیات گرمایی و تابکاری قرار میدهند که سبب جدا شدن شیشه به دو فاز فیزیکی متمایز میشود. کالای شیشه‌ای را در حمام محلول اسید هیدرو کلریک 10% (98C) به مدت کافی فرو می‌برند تا فاز انحلال پذیری ، کاملا از آن خارج شود.
سپس با شستشوی کامل ، کمترین مقدار باقی مانده از فاز انحلال‌پذیر و همچنین ناخالصیها شسته میشوند و سپس تحت عملیات گرمایی از بدنه ، آب‌زدایی شده و ساختارسلولی به شیشه غیر متخلخل تبدیل میشود. این روش از تولید شیشه ، سبب ساخت محصولی میشود که می‌توان آن را تا حرارت قرمز آلبالویی ، گرم کرده ، سپس بدون ایجاد هیچگونه آثار نامطلوب ، آن را درمخلوط آب و یخ فرو برد. این شیشه در برابر مواد شیمیایی نیز بسیار مقاوم و در برابر تمام اسیدها به جز اسید هیدرو فلوئوریک بسیار پایدار است. البته این اسید (درمقایسه با سایر شیشه‌ها) با سرعت کمتری به این شیشه حمله میکند. در ضمن ، انقباض این شیشه به نسبت یکنواخت و مساوی صورت می‌گیرد، بطوری که شکل اولیه همچنان حفظ میشود.
شیشه رنگی
هر چند قرنها از این شیشه‌ها تنها برای تزئین استفاده می‌شد، امروزه استفاده از شیشه‌های رنگی برای مقاصد صنعتی و علمی ضروری است. این شیشه‌ها ، در صدها رنگ مختلف تولید میشوند. شیشه رنگی ممکن است یکی از انواع سه‌گانه زیر باشد:
1. رنگ شیشه براثر جذب فرکانس خاصی از نور ، توسط عوامل موجود در محلول بوجود می‌آید. عوامل ایجاد رنگ در این گروه ، اکسیدهای عناصر واسطه بویژه گروه اول هستند مانند (Cr , V , Ti ). این طبقه را می‌توان به دو زیر گروه تقسیم کرد، یکی شیشه‌هایی که رنگ آنها ، بدلیل محیط ساختاری شیمیایی آنهاست و دیگری شیشه‌هایی که رنگ آنها به دلیل اختلاف در حالت اکسایش آنهاست. مثلا NiO حل شده در شیشه سدیمی _ سربی است که رنگ قهوه‌ای ایجاد میکند. اما این ترکیب در شیشه پتاسی تولید یک سرخ ژاسپ میکند.
2. رنگ بر اثر ترسیب ذرات کلوئیدی در شیشه بی‌رنگ ، ضمن انجام عملیات گرمایی بوجود می‌آید. مثال معمول این نمونه ، ترسیب طلایی کلوئیدی است که شیشه طلایی _ یاقوتی پدید می‌آورد.
3. رنگ بوسیله ذرات میکروسکوپی یا ذرات بزرگتر که ممکن است خود رنگی باشند، بوجود می‌آید. مانند قرمز سلنیمی( ( که در چراغهای راهنمایی ، حباب فانوسها و غیره بکار می‌رود. البته ممکن است این ذرات ، بی‌رنگ باشند و شیشه نیمه‌شفاف تولید کنند.
شیشه‌های پوشش دار
این شیشه‌ها با ترسیب فیلمهای فلزی شفاف بر روی سطح شیشه شفاف یا رنگی تولید میشوند. این فیلمها طوری طراحی میشوند که مشخصات عبور و بازتابش خاصی از نور را که در معماری امروز دارای اهمیت است، ایجاد کنند.
شیشه‌های مات یا نیمه شفاف
این شیشه‌ها در حالت مذاب ، شفاف‌اند. اما هنگام شکل دهی به دلیل جدایی و تعلیق ذرات ریز در محیط شیشه ، کدر میشوند. این ذرات از نظر اندازه و چگالی در شیشه ، انواع متفاوتی دارند و نور را به هنگام عبور ، پخش میکنند. شیشه مات ، اغلب از شیشه شفاف حاوی نقره بدست می‌آید. این ذرات نقره در واقع نقش هسته را برای رشد بلورهای غیر فلزی ایفا میکنند. این نوع شیشه برای ایجاد برخی سبکهای معماری مثلا در پنجره نورگیرها به منظور عبور طول موج مشخصی از نور و برای ظروف غذا خوری بکار می‌رود.
شیشه ایمنی
شیشه‌های ایمنی در دو نوع چندلایی و با پوشش سخت می‌باشند و شیشه نشکن را نیز می‌توان شیشه ایمنی به حساب آورد. این شیشه‌ها به‌آسانی شیشه معمولی نمی‌شکنند و ظروف غذا خوری ساخته شده از اینها ، در مقایسه با ظروف غذا خوری معمولی سبکتر و سه برابر محکمترند.
شیشه فوتوفرم
شیشه فوتو فرم ، نسبت به نور ، حساس است و عمدتا از سیلیکات لیتیم تشکیل یافته است. اکسید پتاسیم و اکسید آلومینیوم موجود در این شیشه ، خواص آن را اصلاح میکند و مقادیر بسیار کم ترکیبات سریم ونقره ، اجزایی هستند که نسبت به نور ، حساس‌اند. بر اثر تاباندن نور بنفش به این شیشه ، نقره توسط سریم حساس میشود و با انجام عملیات گرمایی در دمایی نزدیک به 600درجه سانتیگراد در اطراف آن ، تصویری ازمتاسیلیکات لیتیم ایجاد می شود.
متاسیلیکات لیتیم در اسید حل میشود. لذا می‌توان آن را به کمک اسید هیدروفلوئوریک 10% حذف کرد. اگر نور پس از عبور از نگاتیو یک نقشه شیشه ، تابانیده شود، یک کپی بسیار دقیق با تمام جزئیات و ریزه کاریها بر روی شیشه بدست می‌آید. مثلا به همین روش می‌توان نقشه مدارهای الکتریکی شیشه‌ای را به ارزانی و به شکل دقیقی تولید کرد. این فرایند ، ماشین‌کاری شیمیایی شیشه نامیده شده است.
شیشه فوتوکرومیک سیلیکاتی
این نوع شیشه‌ها مکمل شیشه فوتوفرم هستند، اما در عین حال خواص نامعلوم زیر را دارند.
• تیره شدن در نور بر اثر وجود نور فرابنفش درطیف مرئی
• بی‌رنگ شدن یا کمرنگ شدن در تاریکی و بی‌رنگ شدن گرمایی در دماهای بالاتر.
این خواص نور رنگی واقعا برگشت پذیرند و دچار خستگی نمی‌شوند. در این شیشه ، ذرات هالید نقره در اندازه‌هایی کمتر از یک میکرون موجودند که در مقایسه با هالید نقره معمولی عکاسی ، واکنش متفاوتی را در برابر نور از خود نشان میدهند. این ذرات را در شیشه صلب و نفوذناپذیری که از نظر شیمیایی بی‌اثر است، جای میدهند. بدین ترتیب ، مراکز رنگی که محل نورکافت هستند، نمی‌توانند از مکان خود به جای دیگر نفوذ کنند و ذرات پایدار نقره را تشکیل دهند و ترکیب برگشت ناپذیر تولید کنند.
شیشه _ سرامیک
این ماده ، ماده‌ای است که مانند شیشه ، ذوب و شکل داده میشود و سپس بوسیله فرایندهای واشیشه‌ای شدن کنترل شده ، تا حد زیادی به سرامیک بلورین تبدیل میشود. از این مواد ، در ساخت پوشش آنتن رادار هواپیما ، موشکهای هدایت شونده و وسایل الکترونیکی مختلف استفاده میشود. همچنین این مواد تحت نام تجاری پیرو سرام در تولید ظروف آشپزخانه که همزمان برای هر سه کار پخت ، پذیرایی و انجماد غذا استفاده میشوند، بکار میروند.
الیاف شیشه
اگرچه الیاف شیشه ، محصول جدیدی نیست، با این حال سودمندی آن بدلیل ظرافت فوق‌العاده‌اش افزایش یافته است. می‌توان این ماده را به صورت رشته کشید، یا آنکه برای تولید عایق ، نوار و صافیهای هوا می‌توان آن را به روش دمشی به شکل شبکه حصیری در آورد. الیاف کشیده شده برای تقویت پلاستیک‌های مختلف بکار میروند و محصول چند سازه حاصل در ساخت لوله ، مخزن و وسایل ورزشی نظیر چوب ماهیگیری و چوب اسکی استفاده میشوند. متداولترین رزین‌هایی که با الیاف شیشه مصرف میشوند، رزینهای اپوکسی و پلی استر هستند.
ترکیبات ثانوی شیشه
اجزای ثانوی شیشه ، موادی هستند که بوسیله آنها می‌توان برخی معایب شیشه‌ها را اصلاح و خواص آنها را تعیین کرد. این مواد بر مبنای عمل آنها طبقه‌بندی شده‌اند و بر حسب نوع اصلاحی که انجام میدهند در مراحل مختلف شیشه سازی به ترکیبات شیشه اضافه میشوند.
طبقه‌بندی ترکیبات ثانوی
پایدار کننده‌ها
پایدار کننده‌ها ترکیباتی هستند که حلالیت شیشه‌ها را در مقابل آب ومواد شیمیایی تا اندازه‌ای کم میکنند. بطور کلی ، پایدار کننده‌ها از اجزای تشکیل‌دهنده شیشه هستند که خصوصیت آن را تعیین میکنند. پایدار کننده‌های قابل ذکر به صورت زیر می‌باشند.
• کربنات کلسیم : کربنات کلسیم جهت غیر محلول کردن شیشه در آب بکار می‌رود.
• کربنات باریم : کربنات باریم سبب افزایش وزن مخصوص شیشه میشود.
• اکسید سرب Pb3 و PbO : اکسید سرب موجب شفافیت و صاف بودن شیشه میشود.
• اکسید روی : اکسید روی باعث افزایش مقاومت حرارتی و مکانیکی شیشه و خواص مکانیکی و شیمیایی آن میشود.
• اولومیت MgCO3 + CaCO3 : اولومیت باعث سهولت سوختن ترکیبات اولیه شیشه میشود.
رنگ‌زداها
شیشه‌ها ممکن است به خاطر داشتن مقدار کمی از اکسیدهای آهن رنگی بنظر آیند، این رنگ در نتیجه ناخالص بودن مواد اولیه است. برای از بین بردن این ناخالصی از دی‌اکسید منگنز یا فلز سلنیوم استفاده میشود. دی‌اکسید منگنز وقتی به شیشه مذاب افزوده میشود، سیلیکات فرو را به سیلیکات فریک اکسید میکند. اکسید منگنز (II) به رنگ بنفش و سیلیکات فریک به رنگ زرد میباشد. این دو رنگ مکمل یکدیگرند. بنابراین مخلوط شیشه ، بی‌رنگ خواهد شد. سلنیوم بعلت گران بودن ، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. سلنیوم ، رنگ توده مخلوط را صورتی میکند که در نهایت با رنگ سیلیکات فرو که سبز پریده است، ترکیب شده ، آن را بی‌رنگ میکند.
رنگین کننده‌ها
این مواد برای تولید شیشه‌های رنگی به ترکیب شیشه افزوده میشوند.
رنگ شیشه ترکیب فعال رنگ اصلی فرمول رنگین کننده‌ها
رنگ بنفش به شدتهای مختلف تابعی از دما و قدرت جذب
پودر قهوه‌ای
سیاه مایل به خاکستری
بنفش
TEX()} {KMnO_4} {TEX} ترکیبات منگنز
سبز و سبز مایل به زرد
پودر سیاه
پودر قهوه‌ای مایل به قرمز
اکسیدهای آهن
سبز متمایل به زرد
پودر سبز
پودر زرد
پودر نارنجی
ترکیبات کروم
آبی
پودر خاکستری
پودر سیاه
کبالت
زرد
پودر زرد و نارنجی
کادمیم
قرمزهای مختلف
آبی آسمانی
پودر قهوه‌ای قرمز
پودر سیاه
مس
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 31 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلودمقاله شناخت و بررسی انواع شیشه های اپتیکی
