شيشه چيست ؟

شيشه چيست ؟درطول تاریخ به دوره‌هایی با نامهای مختلف برمی‌خوریم، دوره سنگ (عصر حجر) دوره برنز و دوره آهن. اما هیچگاه دوره‌ای به نام دوره شیشه نامیده نشده است. شاید در آینده دوره شیشه آغاز شود، زیرا هر روز كه می‌گذرد، شیشه در رشته‌های مختلف صنعت نقش مهمتری بازی می‌كند. به زودی شاهد آن خواهیم بود كه در تكنولوژی ارتباطات، سیمهای مسی جای خود را با الیاف شیشه عوض می‌كنند و این شاخه صنعت را به مرحله جدیدی از پیشرفت می‌رسانند.در علوم و فنون دیگر نیز پیشرفتهای چشمگیری بر اساس استفاده گسترده از شیشه در پیش روست.
قسمت ماسه، 180 قسمت خاكستر گیاهان دریایی و پنج قسمت گچ را مخلوط كن، اكنون شیشه در اختیار توست. این قدیمی‌ترین دستورالعمل تهیه شیشه است كه بر روی یك لوحه گلی متعلق به كتابخانه آشور بالیپال، پادشاه آشور، نوشته شده است. قدمت این دستورالعمل به 2500 سال می‌رسد اما تا امروز فرمول آن تغییر زیادی نكرده است، تا سده هجدهم، مهمترین مواد اولیه برای تهیه شیشه را ماسه، سودا، آهك و كربنات پتاسیم تشكیل می‌داد. اما شیشه‌ای كه از اختلاط و گداز اینها به دست می‌آمد، كدر و غیرشفاف بود، اینكه چگونه گذشتگان، این نقصها را بر طرف كردند و شیشه‌های تمیز و شفاف به دست آوردند معلوم نیست، در گذشته، شیشه‌سازان خود را شاگرد یك استاد افسانه‌ای می‌دانستند، طبیعت! طبیعت میلیونها سال است كه شیشه تولید می‌كند. فوران گدازه‌های آتشفشانی و سرد شدن آنها با ذوب شدن شهابسنگها در اثر برخورد با زمین، تكه‌های شیشه‌ای پدید می‌آورد. این نوع شیشه‌ كه شیشه طبیعی یا اویسیدان نامیده می‌شود در دوره نوسنگی مواد اولیه ساختن سلاح و ابزار بودند. احتمال می‌رود كه انسان برای اولین بار 4000 سال پیش، موفق شد كه با ذوب مخلوطی از مواد گوناگون، شیشه مصنوعی را بسازد. به نظر می‌رسد كه ذوب مخلوط ماسه و خاكستری كه در كنار آتش وجود داشته به تولید نخستین نمونه‌های شیشه مصنوعی انجامیده است. به رغم معلوم شدن تركیبات نسبی شیشه تغییرات اندكی در روشهای ساخت، آن در طول تاریخ مشاهده می‌شود. اگر چه از 2000 سال پیش، انسان با دمیدن لوله شیشه را ساخت با مواد كمك ذوب، به مخلوط اولیه شیشه اضافه كرد. ولی در هنر شیشه‌سازی، با گذشت قرنها، تغییرات كلی دیگری پیش نیامد و این هنر به همان صورت سنتی نسل به نسل و از پدر به پسر منتقل شد. در میانه سده نوزدهم، اكتشافات مهم در زمینه‌های فیزیك و شیمی اسرار زیادی را در مورد ساختار ماده و واكنشهای شیمیایی گشود و وقت آن رسید كه در صنعت شیشه‌سازی نیز تحولی بنیادین پدید آید. تحقیقات منظم در اواخر همین سده، اصول راهیابی به یك روش نو در صنعت شیشه سازی را به دست داد. برای اینكه خواص شیشه قابل كنترل و قابل تغییر شود، روشها و تركیبات جدید به كار گرفته شد و مورد آزمایش قرار گرفت. یكی از پیشاهندگان این پژوهشها «اتو شوت» شیمیدان و صنعتگر شیشه‌سازی اهل آلمان بود. وی تصمیم گرفت آزمایشهایی را كه قبلاً بر اساس باورهای كیماگری انجام می‌شد بر طبق اصول دقیق علمی انجام دهد. شوت، در خلال سالهای دهه هشتاد سده گذشته ذوب یكدست و یكنواخت شیشه را از طریق به هم زدن آن امكانپذیر ساخت. او در پی پاسخگویی به این پرسش بود كه میان خواص فیزیكی و شیمیایی شیشه با ساختار و تركیب شیمیایی آن چه ارتباطی وجود دارد. او به روشهایی دست یافت و بر حسب آن موادی را كه تا آن موقع مورد استفاده قرار نگرفته بود. به كار برد و در نتیجه شیشه‌هایی با نوع كاملاً جدید تولید كرد. سرانجام شوت شیشه‌ای تولید كرد كه خود در نامه‌ای كه به ارنست آیه
نوشت آن را محصولی با خصوصیات برجسته نور شناختی نامید و عصر عدسیها این گونه آغاز شد. امتیاز تولید علمی شیشه برای اولین بار نصیب اتو شوت گشت. رفته رفته تولید انبوه جای تولیدات نمونه و كم را گرفت. نكته مهم این بود كه محصولات تولید شده از نظر جنس‌ همان بودند كه ارنست آیه فیزكدان طبق محاسبات خود انتشار داشت. ارنست استاد دانشگاه شهر یناورئیس رصدخانه آن بود و گون یكی از صاحبان كارخانه‌های عدسی تراشی زایس بود اطلاعات علمی او در بهبود و اصلاح محصولات و دستگاههای ساخت این كارخانه، به خصوص میكروسكوپها، بسیار مفید و موثر واقع شد. امروزه هزاران نوع شیشه وجود دارد كه سه نوع مهم آن عبارت‌اند از:
1-شیشه دارای بیكربنات سدیم برای تولید در و پنجره‌ها و بطری مایعات. 2- شیشه بلور (كریستال) 3- شیشه سیلیس‌دار برای مصرف در لامپهای روشنایی یا حفظ مایعات دارویی. این سه نوع شیشه 95 درصد تولید كارخانه را شامل می‌شود. پنج درصد باقیمانده از آن شیشه‌های مخصوص است كه شیشه‌های نوری از آن جمله‌اند و شیشه‌های نوری در بسیاری از زمینه‌های علمی و عملی نقش مهمی دارند. این نوع شیشه اكنون در چند صد نوع مختلف ساخته می‌شود. آشكار است كه برای تهیه این گونه‌های مختلف مواد اولیه گوناگون نیز لازم است. مهمترین ماده اولیه، تهیه شیشه، ماسه كوارتز است. این ماده در زمین به اندازه كافی وجود دارد و در موارد زیادی هم از راه واكنشهای شیمیایی قابل تولید است. اما تولید عدسیها و ابزارهای نوری به هیچ روی كاری ساده و ارزان نیست. با عدسیهای مخصوص مثل یك قطعه جواهر رفتار می‌شود چرا كه این عدسیها واقعاً هم گران هستند. ماسه معمولی آن درجه خلوصی را ندارد كه برای تهیه عدسیهای مخصوص لازم است، زیرا درجه خلوص ماسه‌های مورد استفاده برای تهیه این عدسیها باید به اندازه‌ای باشد كه در یك میلیون جز آن بیش از چند جزناخالصی وجود نداشته باشد، ماسه كوارتز برای تهیه عدسیها، از كوارتزی كه منشا معدنی داشته باشد انتخاب می‌شود. آن را دُر كوهی هم می‌نامند. پس از انتخاب ماسه، دانه‌های آن را تا اندازه 1/0 تا 4/0 میلیمتر خرد می‌كنند. برای تهیه شیشه معمولاً تا 18 نوع ماده اولیه باید با هم تركیب شوند. اكسیدهای سیلیسییوم، فسفر و اسیدهای بور (B) جزو این مواد هستند. همچنین از مواد فرعی مثل اكسیدهای لیتیوم، سدیم، گالیوم، سرب، لانتاتوم، نئودیوم و مواد كمیاب دیگر نیز استفاده می‌شود. اما بیشتر این مواد گرانقیمت هستند، مثلاً قیمت یك كیلوگرم اكسید ژرمانیوم بیش از یك هزار مارك است. از آن گذشته برای ذوب كردن این مواد نیز انرژی زیادی صرف می‌شود. همین عوامل سبب می‌شوند كه بهای شیشه‌های توری بسیار بالا باشد. متخصصان شیمی و فیزیك، پیوسته در این فكرند كه كیفیت عدسیها را بالا ببرند و كار با آنها را آسانتر كنند. در سالهای گذشته در این رشته پیشرفتهای مهمی صورت گرفته است. مثلاً اخیراً شیشه‌های سرامیكی ساخته شده كه سبكتر، مقاومتر و در مقابل گرما عایق است. با وجود اینكه در صنعت شیشه‌سازی برای یافتن دقیق‌ترین درصد تركیبات و مناسبترین دماهای ذوب از كامپیوتر هم استفاده می‌شود ولی رسیدن به تركیب مورد نظر برای هر مورد خاص همیشه هم از طریق محاسبه امكان ‌پذیر نیست، بلكه دانشمندان این رشته گاهی هم مجبور می‌شود كه مانند صنعتگر شیشه‌ساز و در مراحل علمی كار هم دخالت و نظارت كند. در آزمایشگاهها، ابتدا نمونه هر تركیبی را در بوته‌های پلاتینی ذوب می‌كنند و اگر نتیجه رضایت‌بخش بود سخت‌ترین مرحله كار آغاز می‌شود. باید آزمایشها و محاسبات گوناگونی در مورد این نمونه به عمل آید. آزمایشهای تاریخی اتوشوت ابتدا در بوته‌های كوچك سفالی انجام می‌گرفت. امروزه بوته‌های بسیار بزرگ ذوب مواد ساخته شده‌اند كه گنجایش 200 تن ماده را دارند و برای تولید شیشه‌های مخصوص مثل صفحه‌های قوسدار تلویزیون به كار گرفته می‌شوند. اكسون شیشه مخصوص عدسیها، به طور كلی در بوته‌های پلاتینی یا با پوشش پلاتین تولید می‌شوند. زیرا این فلز اصلاً با ماده مذاب درون بوته مخلوط نمی‌شود و در مقابل مواد خورنده مقاومت می‌كند. تهیه عدسی دستگاه‌های نوری خیلی پیچیده‌تر از تهیه انواع مختلف شیشه تا 1600 درجه سانتیگراد هم می رسد. دما در تمام مراحل ذوب، تصفیه و همگن‌سازی ماده دقیقاً كنترل می‌شود. در قسمت ذوب، ابتدا حجم ماده اولیه كمتر می‌شود زیرا مقداری گاز از آن خارج می‌گردد. حباب‌های كوچك باقیمانده در ماده را هم به وسیله افزودن مواد تصفیه كننده برطرف می‌كنند. در مرحله همگن كردن ماده مذاب و از میان بردن رگه‌ها، از یك دستگاه همزن، در دمایی كمتر از دمای قبلی استفاده می‌شود. این مرحله بسیار مهم است. زیرا وجود رگه‌، شیشه را برای مصارف نوری غیرقابل استفاده می‌كند. پس از سردتر شدن ماده مذاب، آن را در قالب می‌ریزند یا برای تهیه عدسی آن را پرس می‌كنند. در اینجا باز هم مرحله مهم دیگری آغاز می‌شود. مرحله سرد كردن ماده قالب ریزی شده یا پرس شده. نخست شیشه در مدت چند ساعت كاملاً به آرامی و به طور پیوسته سرد می‌شود. این روش از ترك خوردن شیشه جلوگیری می‌كند. بعد محصول در درون یك كوره برقی تا دمای بین 700 و 500 درجه سانتیكراد سرد می‌شود تا به مرحله سوم كه مرحله نهایی سرد شدن است تحویل شود. این مرحله كه مرحله سرد شدن تدریجی نهایی است وكاهی ممكن است ماهها طول بكشد تا كالا در حد دمای عادی محیط سرد شود. سرعت سرد شدن در مرحله نهایی كسری از یك درجه در طی یك ساعت است. این روش سرد كردن به وسیله دستگاههای الكترونیكی كنترل می‌شود. پس از سرد شدن تا دمای محیط، محصولات را به قسمتها بعدی تحویل می‌دهند تا كار روی آنها را آغاز كنند. در این موقع است كه معلوم می‌شود آیا مراحل ذوب، قالب‌ریزی و مراحل مختلف سرد شدن به خوبی و بدون ایراد انجام شده است و محصول ویژگیهای مطلوب را دارد یا نه. سپس هر قطعه با دقت تمام كنترل می‌شود و عیبهای احتمالی، مانند نقاط خالی، حباب و هوا و رگه، جستجو می‌شود. این كنترل‌ها باز هم كافی نیستند و كنترلهای مداوم بعدی در جریان كار بر روی هر قطع نیز انجام می‌گیرد. گر چه تحقیقات زیادی انجام شده است تا در دستگاههای معمولی نوری و در دوربینهای عكسبرداری و فیلمبرداری به جای شیشه از مواد مصنوعی استفاده شود، اما هیچگاه مصنوعی نتواسته است به خوبی جایگزین آن شود، بنابراین در آینده نیز این ماده بی‌نظیر جای خود را در بسیاری از مصارف خاص همچنان حفظ خواهد كرد. توسعه بی‌وقفه صنعت شیشه آن را به سوی تولید محصولات تخصصی‌تر و فنی‌تر هدایت می‌كند، كه این امر خود بر پیشرفت علوم دیگر تأثیر دارد

مراحل ساخت شيشه :

مراحلی وجود دارد که باید طی شود تا مواد اولیه شیشه به محصولی با کیفیت و قابل قبول تبدیل شود. اما در طی ساخت شیشه ، ظرافت‌هایی وجود دارد که باید آنها را در یک کارخانه تولید شیشه مشاهده کرد و نمی‌توان به‌صورت تئوری آن را بیان کرد.
مواد خام شیشه
قبل از هر چیز باید بدانیم شیشه از چه موادی ساخته می شود ؟
ترکیب شیشه
با وجود هزاران فرمول جدید شیشه که طی 30 سال گذشته بوجود آمده، درخور توجه است که هنوز مانند 2000 سال پیش ، 90 درصد تمام شیشه‌های جهان از آهک ، سیلیس و کربنات سدیم تشکیل یافته‌اند. اجزای اصلی عبارتند از: ماسه ، آهک و کربنات سدیم.
هر ماده خام دیگر ، جزء فرعی تلقی می‌شود، هرچند که بر اثر استفاده از آن ، نتایج مهمی بدست آید.
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.
کربنات سدیم نقش کمک ذوب را در شیشه دارد .
سولفات سدیم و کلرات سدیم موجب از بین رفتن حباب های موجود در شیشه می شود .
استفاده از نیترات سدیم باعث می شود رنگ سبزی که در بعضی از شیشه ها به علت وجود اکسید آهن دیده می شود از بین برود .
استفاده از اکسید سرب برای ساختن شیشه های مرغوب مثل کریستال ها که باعث درخشندگی شیشه می شود .

ذوب
کوره‌های شیشه‌سازی را می‌توان به کوره‌های بوته‌ای یا کوره‌های مخزنی تقسیم‌بندی کرد. کوره‌های بوته‌ای با ظرفیت تقریبی 2 تن یا کمتر برای تولید شیشه‌های ویژه به مقدار کم یا هنگامی که حفاظت از پیمانه مذاب در برابر محصولات احتراق الزامی است، بسیار مفیدند. بوته‌ها از جنس خاک رس یا پلاتین هستند. در کوره مخزنی ، مواد پیمانه از یک سر مخزن بزرگی که از جنس بلوکهای نسوز است، وارد می‌شوند. این کوره‌ها با گاز یا برق گرم می‌شوند.
بسته به توانایی آجر نسوز کوره برای تحمل انبساط ، دمای کوره‌ای که به‌تازگی شروع به تولید کرده است، روزانه تنها به اندازه معینی افزایش می‌یابد. پس از گرم شدن کوره بازیابی گرما ، در تمام اوقات دمایی که دست‌کم معادل با 1200 درجه سانتی‌گراد است، همچنان حفظ می‌شود. بخش زیادی از گرما به جهت تابش در کوره تلف می‌شود و در واقع مقدار بسیار کمتری از گرما برای ذوب شیشه به‌مصرف می‌رسد. در هر حال ، دمای دیواره‌های کوره ممکن است چنان بالا رود که شیشه مذاب آنها را حل کند یا بپوساند، مگر اینکه اجازه داده شود دیواره‌ها ضمن تابش مقداری خنک شوند. به‌منظور کاهش کنش شیشه مذاب ، غالبا در دیواره‌های کوره ، لوله‌های آب خنک‌کن کار گذاشته می‌شود.
شکل دهی
شیشه را می‌توان با قالب‌گیری ماشینی یا دستی شکل داد. عامل مهمی که باید در قالب‌گیری ماشینی شیشه مدنظر داشت، این است که طراحی ماشین باید چنان باشد که کالای موردنظر ، ظرف چند ثانیه کاملا شکل گیرد. در طی این زمان نسبتا کوتاه ، شیشه از حالت یک مایع گرانرو به جامدی شفاف تبدیل می‌شود. در نتیجه به‌سهولت می‌توان دریافت که حل مشکلات طراحی همچون جریان گرما ، پایداری فلزات و لقی یاتاقانها بسیار پیچیده است و موفقیت چنین ماشینهایی به مهندس شیشه کمک شایانی می‌کند.
شیشه پنجره ، شیشه جام ، شیشه شناور ، شیشه نشکن و مشجر ، شیشه دمشی و … ، با ماشین شکل داده می‌شوند.
تابکاری
به‌منظور کاهش کرنش در تمام کالاهای شیشه‌ای ، اعم از آنکه به روشهای ماشینی یا دستی قالب‌گیری شده‌اند، لازم است که تحت عملیات تابکاری قرار گیرند. بطور خلاصه ، عملیات تابکاری دو بخش دارد:

اول ،‌ نگه داشتن توده‌ای از شیشه در دمایی بالاتر از یک دمای بحرانی معین تا زمانی که میزان کرنش درونی ، ضمن ایجاد یک سیلان پلاستیکی ، کمتر از یک مقدار حداکثر از پیش تعیین شده گردد.

دوم ، خنک کردن تدریجی این توده تا دمای اتاق به‌نحوی‌که مقدار کرنش همچنان کمتر از آن میزان حداکثر باقی بماند. تابدان یا آون تابکاری چیزی بیش از یک محفظه گرم و به‌دقت طراحی شده نیست که در آن سرعت خنک کردن چنان کنترل می‌شود که شرایط گفته شده رعایت شود. ایجاد یک رابطه کمی میان تنش و شکست مضاعف ناشی از تنش ، متخصصان شیشه را قادر به طراحی شیشه ای کرده است که می‌تواند شرایط خاصی از تنش‌های مکانیکی و گرمایی را تحمل کند.

با استفاده از این اطلاعات ، مهندسان ، مبنایی برای تولید تجهیزات پیوسته تابکاری یافته‌اند. این تجهیزات ، مجهز به وسایل خودکار تنظیم دما و گردش کنترل شده هستند که امکان انجام بهتر تابکاری با هزینه سوخت پایین‌تر و ضایعات کمتر محصول را فراهم می‌آورند.

صنعت شیشه و شیشه سازی

شيشه ها در سراسر عمر زمين با سرد شدن سريع ماگماها وگدازه ها تشكيل شده اند.
بهترين مثال در اين زمينه ،شيشه ابزيدين (1) است كه در ساخت پيكان هاي نوك تيز و وسايل برش مورد استفاده قرار مي گرفت.
شيشه هايي با تركيب شيميايي متفاوت ،از ماه و شهابسنگها نيز بدست آمده است و از اين راه مي توان اطلاعات مهمي راجع به پيدايش سيستم خورشيدي بدست آورد .
اگر چه تاريخچه ساخت شيشه روشن نيست، ولي احتمالاً اولين بار در3000سال پيش ، در مصر توليد شد كه از آن در وسايل تزئيني استفاده مي نمودند. تكنيكهاي دميدن توسط رومي ها توسعه يافت و وسايل شيشه اي رايج شدند . از آن پس شيشه سير تكاملي خود را از يك شئ كم مصرف تزئيني ، به ماده اي با مصارف گوناگون طي نمود .
اين تكامل تدريجي مديون اختراعات علمي و گروه هاي متعدد محققين ، در سطوح مختلف مي باشد. با وجود اينكه شيشه كاربردي عمومي يافته است محققين بر روي يك تعريف رضايتبخش براي آن توافق ندارند .
متداولترين ترين تعريف به اين صورت است كه « شيشه يك محصول معدني مذاب است كه بر اثر سرد شدن ، بدون آنكه بلوري شود ، به حالت جامد در مي آيد.» اما اين توصيف چندان رضايت بخش نيست چرا كه شيشه هاي آلي را در بر نمي گيرد. در ضمن شيشه ها با روش هاي مختلفي مانند تبخير محلول و ته نشيني بخار ، ساخته مي شوند.
با اين حال تعريف فوق در اكثر موارد صادق است.
شيشه هاي طبيعي عموماً غني از سيليسيم مي باشند و مقادير زيادي از ساير فلزات نظير Fe ,Na ,K ,Ca ,Mg وAl كه همه آنها با اكسيژن همراه هستند،را شامل مي شوند.
شيشه هاي تجارتي مشابه هم هستند و معمولاً از ذوب كردن مخلوطهايي از SiO2 و ساير اكسيد هاي معدني ، در دماي بالا، ساخته مي شوند. معمولا اين قبيل شيشه ها، با استفاده از مواد شيميايي ومعدني به عنوان منبع پخت ، درتانكهاي حرارتي بزرگ الكتريكي ،نفتي ياگاز سوز ،ذوب مي شوند .
واحدهاي ذوب اغلب پيوسته است واز يك طرف ، به كوره وارد شده واز طرف ديگر شيشه مذاب به طور پيوسته، خارج شده و به شكل مورد نظر تبديل مي شود،
شكل دهي با يكي از روشهاي زير صورت مي گيرد : دميدن ،فشردن ، ريخته گري درون قالبها ، بيرون راندن از روزنه هاي مخصوص و غيره .

در فرايند شناور سازي پيلكينگتون ، نوار باريكي از شيشه مذاب ،بر سطح حمامي ازقلع مذاب براي هموار كردن تمام نا همواريهاي سطح آن،به مدت كافي شناور ميشود .اكثر صفحات شيشه اي ،در دنيا به روش شناور سازي ساخته مي شوند . ساختار شيشه
به آساني مي توان ساختار يك شيشه ساده را در ذهن تصور نمود . نمودار ساده اي از شيشه هاي SiO2 خالص و SiO2 بلوري(كوارتز) در شكل - 1 نمايش داده شده است .
هر دو ماده حاوي اتم هاي سيليسيم هستند كه در يك ساختار چهار وجهي با چهار اتم اكسيژن پيوند برقرار كرده اند . ماده بلوري داراي نظمي با ابعاد گسترده تر مي باشد . از نظر تئوري، دانستن موقعيت يك سلول واحد در بلور، مي تواند براي پيشگويي موقعيت كليه اتم هاي ديگر مورد استفاده قرار گيرد.
اگرچه شيشه، گاهي در ابعاد بيش از چند قطر اتمي ساختار منظمي دارد، ولي در ابعاد بيشتر نظمي ندارد .

شكل 1
(a) ساختار بلوري
SiO2 (b طرحواره اي از ساختار شيشه
SiO2 (c چهار وجهي نشان داده شده در قسمت هاي و نمايش دهنده يك اتم سليسيم (دايره تو پر ) به همراه چهار اتم اكسيژن (كره هاي تو خالي بزرگ) مي باشند .

شيشه SiO2 خواص مطلوب زيادي از قبيل پايداري شيميايي فوق العاده،توانايي مقاومت در مقابل تغييرات زياد و ناگهاني دما و قابليت عبور نور در گستره وسيعي از طول موج را دارا مي باشد. متأسفانه ، ويسكوزيتــه و نقطه ذوب SiO2 بسياربالا است (ºC 1723) و اين مطلب ساختن شكلهاي قابل استفاده از آن را مشكل مي سازد.به همين دليل شيشه SiO2را به سختي ميتوان از مذاب آن ساخت . روش پايين آوردن نقطه ذوب و ويسكوزيته شيشه SiO2 ، وارد نمودن تعديل كننده هاي شبـــكه (اتم هايي كه شبكه Si-O-Si را مي شكنند)، مي باشد .

درشكل- 2 اثر افزايش Na2O – نوعي تعديل كننده – نمايش داده شده است. با شكستن شبكه ، ويسكوزيته ودماي ذوب آن پايين مي آيد و دردماي مناسب، به شكلهاي قابل استفاده اي تبديل مي شود.
اكثر عناصر جدول تناوبي نيز مي توانند در شيشه هاي سنتزي بعنوان يك تشكيل دهنده و تعديل كننده شبكه وارد شوند. با تغيير تركيب شيميايي موادي كه در ساخت شيشه به كار مي رود ، مي توان خصوصيات فيزيكي و شيميايي زيادي را در مواد شيشه اي ايجاد نمود. به همين دليل كاربردهاي كنوني شيشه ، گستره اي از شيشه ساده (شيشه هاي پنجره اي و بطري) تا شيشه هاي پيچيده(ارتباطات راه دور ، صفحات بلور – مايع، ليزرها ، پروتزهاي پزشكي و محاسبات نوري)را در بر مي گيرد .

شكل 2- افزايش Na2O به شيشه , شبكه بلوري آن را در هم ريخته و مانند ذوب شدن با دماي بالا , از ويسكوزيته آن مي كاهد شيمي شيشه هاي معمولي اگر چه پرداختن جديدترين كاربرد هاي شيشه جالب است .شيمي اشياء شيشه اي ساده و عادي ميتواند بطور فريبنده اي پيچيده و جالب باشد.
متداولترين تركيبي كه در سراسر دنيا براي شيشه بكار مي رود ، مخلوطي از Na2O ، CaO و SiO2 به همراه مقادير كمي از ساير اكسيدها مي باشد . اين نوع شيشه را شيشه آهكي مي نامند . شيشه آهكي نسبت به ساير شيشه ها مزايايي دارد :
• سازنده هاي آن ارزان و متداولند
• به هنگام سرد شدن متبلور نمي شود
• در دماهاي نسبتأ پايين (حدود ºC1300 ) ذوب مي شود
• در برابر عوامل خوردگي جوي مقاوم است
در نتيجه بطري ها ، شيشه هاي مربا ، شيشه پنجره ها ، لامپ روشنايي و لامپهاي فلورسنت معمولاً از شيشه آهكي ساخته مي شوند .
در ضمن شيشه آهكي را مي توان به آساني رنگ كرد. براي مثال ، افزودن غلظتهاي كمي از يونهاي فلزات واسطه ، سبب جذب نور در ناحيه مرئي طيف مي شودكه به علت انتقالات الكترونهاي 3d مي باشد .
مثلاً رنگ سبزي كه در لبه شيشه پنجره ها ديده مي شود ناشي از وجود مقادير كم Fe 2+ مي باشد. ساير رنگ كننده ها عبارتند از Co2+ , براي رنگ آبي ، Mn3+ براي رنگ ارغواني و Cr3+ براي رنگ سبز . از آنجاييكه انتقالات درالكترونهاي 3d اتفاق مي افتد ، رنگهاي حاصل بستگي به محيط اطراف يونها دارد . به همين دليل ، رنگها اغلب با تغيير در تركيب شيشه ها ، تغيير مي كنند .
در هر صورت عناصر خاكهاي نادر نيز مي توانند در شيشه هاي رنگي مورد استفاده قرار گيرند كه انتقالات الكتروني آنها در اوربيتالهاي داخلي تر انجام مي پذيرد. بنابراين، انتقالات آنها تحت تأثير محيط اطراف يون قرار نمي گيرد و رنگ حاصل به تركيب شيشه بستگي نخواهد داشت .
اما يكي از معايب شيشه آهكي ، عدم پايداري آن است. عموماً شيشه را بعنوان ماده بي اثر در نظر مي گيرند ولي خيلي از شيشه ها ازنظر شيميايي فعال هستند . شكلهاي متعددي از اين قبيل واكنشها وجود دارد كه دو مورد مهم آنها به قرار زير است : در محلولهاي اسيدي ، تعويض يونهاي H+ مجاور سطح شيشه با يونها قليايي داخل شيشه به آساني انجام مي پذيرد . معمولاً اين تعويض يون سبب تشكيل يك لايه محلول رنگين كماني بر شيشه مي شود . بر عكس ، در معرض يك محلول قليايي ، ساختار شيشه با وارد شدن يونها ي OH- در هم شكسته مي شود و در نهايت منجر به انحلال كامل شيشه مي گردد.
تشكيل لايه سفيد نازكي بر روي سطح ظروف شيشه اي، پس از آنكه مدت زيادي در معرض شوينده ها قرار ميگيرد ، مثال به خوبي شناخته شده اي از فرايند اخير مي باشد . شيشه هاي آهكي در مقابل دماهاي زياد با تغييرات ناگهاني حرارت نيز زياد مقاوم نيستند . بدليل انبساط حرارتي زياد (تغيير ابعاد با دما)شيشه آهكي، تغييرات ناگهاني دما سبب ايجاد فشارهاي ناخواسته در شيشه وشكاف برداشتن ياشكستن آن مي شود . يك راه حل براي اين قبيل مسائل ، توسعه شيشه هاي بوروسيليكات است. يك مثال از شيشه هاي بوروسيليكات مقاوم حرارتي و پايدار، شيشه پيركس است.
بوروسيليكاتها گستره وسيعي از كالاهاي خانگي مصرفي را در برميگيرند. افزايشB2O3 به تركيب شيميايي شيشه دو مزيت دارد . يكي اينكه انبساط گرمايي را تا 50% كاهش ميدهد و درنتيجه مقاومت هر شئ را دربرابرشوكهاي گرمايي بالامي برد دوم اينكه پايداري شيشه بطورمحسوسي بالا مي رود. علل افزايش پايداري شيميايي در بوروسيليكاتها روشن نيست . يك نظر رايج اين است كه با سرد شدن شيشه يك فاز غير قابل اختــلاط بوجود مي آيد، يك فاز ناپيـــوسته غني از Na2O و B2O3 و يك فاز پيوشته غني از SiO2 .
پايداري شيشه بدون از دست دادن توانايي تشكيل شيشه در دماهاي معقـول تقويت مي شود . از آنجا كه قطر فاز ناپيوسته كاملاً زير طول موج نور مرئي است ، شفافيت اين ماده محفوظ است. از اين پديده مي توان براي توليد گروه معروف ديگري از شيشه ها يعني شيشه هاي شيري رنگ استفاده كرد. بسياري از شيشه ها به گونه اي طراحي شده اند كه به صورت دو فاز جدا مي شوند و ريخت (مورفولوژي)آنها طوري است كه شكست و پراكندگي دروني نور، ماده اي نيم شفاف يا مات به وجود مي آورد. هر دو فاز مي توانند شيشه باشند ، يا در مواردي يك فاز ميتواند بلوري باشد.
از شيشه هاي شيري رنگ در ساخت بعضي از ظروف آشپزي نيم شفاف و بشقابهاي سفيد غذا خوري استفاده مي شود. تركيبهاي استاندارد ديگري براي شيشه وجود دارد . آلومينو سيليكاتها خواصي مشابه بوروسيليكاتها دارند اما مي توانند دماهاي بالاتري را تحمل كنند.

شيشه هاي سربي با توجه به دارا بودن خواصي از قبيل : ضريب شكست بالا، دماي ذوب پايين ، سادگي شكل پذيري و مقاوم بودن در مقابل تابش هاي پر انرژي ، كاربرد وسيعي دارند . از دو خاصــيت اول درساخت شيشــه هاي صنعتي، شيشه هاي تزييني و نوري و از خاصيت سوم در پنجره هاي تابشي و لامپ هاي تلوزيون و … استفاده مي شود .
شيشه هاي كه از افزايش بورات ، فسفات ، ژرمنات و كالكوژنيد بدست مي آيند ، نيز كاربرد تجارتي دارند . شيشه – سراميك ها شيشه – سراميك ها بين شيشه ها و سراميك ها ي بلوري ، پلي ايجاد مي كنند .
شيشه – سراميك ها به بهترين شكل به صورت » جامدهاي ريز بلوري كه با تبـــلور كنترل شده شيشه بوجود آمده اند « تعريف ميشوند . شيشه ها با استفاده از تكنيــكهاي استاندارد ذوب شده و شكل مي پذيرند و سپس با عمليات حرارتي ويژه اي ، بلور دانه اي يكنواختي تشكيــل ميشود . معمولاً 50% حجمي شيشه – سراميك ها بلوري است و آنها را بادرجه بلوري شدن از شيشه هاي مات تشخيص مي دهند. خواص ويژه شيشه – سراميك ها توسط خواص فيزيكي تك بلورها و بوسيله رابطه بين بافت بلورها و شيشه باقي مانده كنترل مي شود . به همين دليل شيشه – سراميك ها داراي خواص گوناگوني از قبيل : استحكام ، قابليت ماشين كاري و پايداري در برابر تغييرات حرارتي مي باشند .

(شكل 3 )

شكل 3-(a) β – ميكروگراف الكتروني عبوري شيشه – سراميك كوارتز پر شده , كه درجه تبلور اين مواد را نمايش مي دهد
(b) ميكروگراف الكتروني عبوري شيشه – سراميك فلورميكا نمونه اي از اين پديده ، ويژنز (2) محصول كورنينگ است (3) كه از شيشه Li2O - Al2O3 - SiO2 كه مقاديـــر كمي از TiO2 و ZrO2 دارد تحت تاثير گرما ساخته مي شود.
تحت تاثير گرما بلورهايي از زيركونيم تيتانات از شيشه رسوب مي كند و محلهاي هسته زايي را براي رشد بلورهاي ليتيم آلومينوسيليكات از شيشه فراهم ميكنند . از آنجا كه انبساط گرمايي بلورهاي ليتيم آلومينوسيليكات بطور استثنائي پايين است ، اين شيشه – سراميك ها مي توانند تغييرات ناگهاني دما را در ارتباط با ظروف خوراك پزي تحمل كنند . در ضمن به دليل اينكه اندازه هر بلور كوچكتر از طول موج نور است و ضريب شكست اين بلورها و شيشه با يكديگر همخواني دارد پراكندگي نور صورت نمي گيرد و اين مواد شفاف به نظر ميرسند .
الياف نوري
بالاخره ، يكي از ساده ترين شيشه ها (SiO2 خالص) در يكي از مهمترين محصولات شيشه اي يعني هدايت كننده هاي نوري براي ارتباطات راه دور مورد استفاده قرار مي گيرد .اين قبيل الياف نياز به خلوص خيلي بالايي براي عبور نور در بيش از دهها كيلومتر دارند .در اين مواد بايد از ناخالصي هايي ماننـــد فلزات واسطه يا H2O محلول ، حتي به ميزان يك بيليونيم نيز اجتناب نمود ، زيرا اين مواد قسمت عمده نور را در فواصل زياد ، جذب ميكنند . در ضمن هنگام ذوب SiO2 نيز با مشكلاتي مواجه مي شويم كه تهيه اين ماده را مشكل تر مي كند . به همين دليل الياف نوري معمولاً با استفاده از تكنيك غير متداول رسوب دهي بخار شيميايي (4) تشكيل مي شوند. در شكل ديگري از اين تكنيك يعني رسوبدهي بخار بيروني (5) مخلوطي از SiCl4, و O2 در شعله CH4 - O2 شعله ور مي شود. يكي از محصولات واكنش SiO2 بي شكل دوده مانند است كه بر سطح خارجي يك ميله شيشه اي ته نشين مي شود.
ميله جابجا مي شود وبا حرارت دادن در دماي بالا دوده به شيشـــه محكم مي شود. شيشـــه حاصل به صورت يك تار نازك و فوق العاده خالص در مي آيد. با افزايش كنترل شده ساير هاليدها(براي مثال GeCl4) به شعله ، ضريب شكست مقطع طولي تار حاصل با دقت زياد كنترل مي شود. تركيبات شيشه – سراميك و شيشه هاي تجارتي متنوع ديگر در سراسر جهان به فروش مي رسد . توسعه تكنيكهايي مانند روش رسوب دهي بخار شيميايي و تحقيق در زمينه اساس شيميايي و ساختار شيشه در بسياري از آزمايشگاه هاي دانشگاهي و صنعتي دنبال مي شود . اين تحقيقات تا زماني كه به طرق مختلفي بر زندگي روزمره اثر مي گذارند ، ادامه خواهند يافت .

برچسب : شيشه - چگونكي توليد شيشه - شيشه چگونه توليد مي شود - تاريخچه شيشه - روش ساخت شيشه - شيشه سكوريت -

شيشه چيست ؟

صنعت شیشه و شیشه سازی

مطالب مشابه :

لباس بچه آشور

دانلود آهنگ جدید علی امیری به نام ماموت غمگین

از كوروش تا مارك اورل .....و واقعيت آن منشور

ايران 9

يكي از ويژگي هاي ستونهاي اشكاني ساخت آن با آجر و پوشش گچ است كه...

در سال 155 ق م مهرداد اول ماد را گرفت و در سال 141 ق م مهرداد اول بابل را گرفت

شيشه چيست ؟