آشنایی با ماده اولیه شیشه و فرآیند ساخت شیشه
باور کنید یا نه، شیشه از ماسه مایع ساخته می شود. می توانید شیشه را با حرارت دادن ماسه های معمولی (که بیشتر از دی اکسید سیلیسیم ساخته شده است) درست کنید تا ذوب شود و تبدیل به مایع شود. برای اینکه بهتر بتوانید با ماده اولیه شیشه و در کل فرآیند ساخت شیشه آشنا بشوید این مطلب از برای شما تهیه شده است.
ماده اولیه برای تهیه شیشه چیست؟
شیشه ساختمانی چیست؟ برای تهیه ی شیشه مواد اولیه مختلفی مورد نیاز است. در ادامه به طور خلاصه این مواد تشکیل دهنده ی شیشه را شرح داده ایم:
- سیلیس: همانطور که گفته شد سیلیس، ماده اصلی و مهمترین و بیشترین بخش شیشه را تشکیل می دهد.
- کربنات سدیم: ناروانی سیلیس را کاهش می دهد و ذوب را آسان می کند.
- آهک: شیشه را در برابر نفوذ آب مقاوم می کند.
- فلدسپار: یک نوع تعدیل کننده در میان مواد تشکیل دهنده ی شیشه است.
در کنار مواد خام اصلی بالا تعدادی ماده خام فرعی نیز در ساختار شیشه به کار رفته است از جمله:
- سنگ گچ: عاملی برای تصفیه
- سولفات سدیم: عاملی برای تصفیه
- نیترات سدیم: عامل اکسید کننده
- آرسنیک: عامل متعادل کننده در از بین بردن رنگ ها
- زغال: عامل احیا کننده در ساخت شیشه
- اکسیدهای متفاوت مانند اکسید کبالت، اکسید مس، اکسید کادمیوم، اکسید کرم و بی کربنات پتاسیم
چطور شیشه از ماسه درست می شود؟
شاید برای شما نیز جای تعجب داشته باشد اما در شن و ماسه، درصد بالای دی اکسید سیلیکون وجود دارد. ماده ی خام برای شیشه، ماسه است. ماسه ای که به عنوان مواد تشکیل دهنده ی شیشه بکار می رود باید تقریبا کوارتز خالص باشد. اگر قرار است شیشه را برای ساخت ظروف ناهار خوری به کار ببریم، درصد آهن آن نباید از 45 درصد بیشتر باشد. اما چگونه از ماسه شیشه می سازند؟
این پروسه با حرارت دادن ماسه به اندازه ای که کاملا ذوب و یکدست شود انجام می گیرد. ماسه حالت روان به خود می گیرد و دیگر نمی توان آن را به مرحله ی دانه ای قبل بازگرداند. از انواع کوره های بوته ای یا مخزنی، برای ذوب ماسه استفاده می شود. دمایی که به ماسه وارد می کنند، چیزی معادل 1200 درجه سانتیگراد است. انواع شیشه ها را با اضافه کردن مواد مختلف به نسبت های مختلف تولید می کنند.
شیشه از چه سنگی درست می شود؟
مواد تشکیل دهنده ی شیشه بر پایه ی ماسه است. اما سنگ اولیه ای که شیشه سیلیسی از آن ساخته می شود، سنگ آذرخشی نام دارد. با برخورد آذرخش با ماسه، واکنشی در ماسه شکی می گیرد که آن را شیشه شدگی کوارتز می نامند و در نتیجه ی آن یک نوع ساختار ریشه مانند، به نام سنگ آذرخشی به وجود می آید. پایه ای ترین ماده برای ساخت شیشه، سیلیسیم دی اکسید است. البته این تنها سنگی نیست که در ساخت شیشه بکار می رود؛ از سنگ آهک نیز برای جلوگیری از نفوذ آب در شیشه استفاده می شود. مواد دیگر به منظورها مختلف برای مناسب کردن شیشه برای کاربری های مختلف به آن اضافه می شود. که در بالا این مواد را معرفی کردیم.
همانطور که می دانید پیشرفت های بسیار شگرفی در تکنولوژی تولید شیشه رخ داده است. با تغییر الیاف در بافت شیشه، شیشه نشکن و وارد بازار شده است. برای همین شاید فرمول مواد تشکیل دهنده ی شیشه هیچگاه بسته نشود. برای کسب اطلاعات بیشتر می توانید مشاوره های رایگان با کارشناسان ما داشته باشید.
مراحل ساخت شیشه
برای اینکه بتوانید ماسه را به شیشه تبدیل کنید باید مراحل زیر را دنبال کنید:
- ذوب و پالایش: به منظور ساخت شیشه شفاف، مجموعه مواد اولیه صحیح مورد نیاز است. این مواد شامل: شن و ماسه سیلیکا (SiO2) ، اکسید سدیم (Na2O) تولید شده از خاکستر سودا، اکسید کلسیم (CaO) از سنگ آهک / دولومیت، دولومیت (MgO) و فلدسپات (Al2O3) است. این مواد به نسبت مناسب مخلوط می شوند و همه آن ها با هم به کوره ای که با دمای 1500 درجه سانتیگراد گرم منتقل می شوند.
نکته: به منظور رنگی کردن شیشه ها، اکسیدهای فلزی خاصی نیز به مواد اولیه بالا اضافه می شوند.
- حمام شناور: مواد مذاب از کوره به داخل حمام شناور می رود که از یک سطح آینه مانند ساخته شده از قلع مذاب تشکیل شده است. این مواد در دمای 1500 درجه سانتیگراد وارد حمام می شوند و در حدود 650 درجه سانتیگراد از حمام خارج می شوند. شکل آن در خروجی مانند یک روبان جامد است.
- اضافه کردن پوشش برای شیشه بازتابنده: پس از آن، اگر در حال تولید سطوح شیشه ای انعکاسی هستید (شیشه هایی که به خنک نگه داشتن خانه ها کمک می کنند) روش های پوشش دهی دنبال می شود که در آن یک پوشش سخت یا یک پوشش نرم روی سطح روبان خنک شده در دمای بالا قرار داده می شود.
- بازپخت: در مرحله بعد ، به منظور از بین بردن تنش های داخلی جمع شده در شیشه ، فرایندی به نام بازپخت انجام می شود. این فرآیند به نوار شیشه ای اجازه می دهد تا از لایه ای عبور کند که هرگونه تنش در سطح شیشه را از بین می برد و به تدریج آن را سرد می کند تا شکل نهایی آن سخت شود. این کار باعث می شود بریدن شیشه و شکل دادن آن آسان تر شود.
- بازرسی: از طریق فن آوری های پیشرفته بازرسی، می توان بیش از 100 میلیون بازرسی در طول مراحل تولید شیشه برای شناسایی حباب های هوا ، تنش ها یا دانه های شن که از ذوب شدن خودداری می کنند، انجام داد. این بازرسی برای نتیجه نهایی یک قدم ضروری است.
- بریدن بر اساس نیاز: در آخر ، از فولادهای الماس برای اصلاح و برش روبان های شیشه ای به شکل مربع استفاده می شود.
ویژگی‌های نوری شیشه
مهمترین دلیل تولید شیشه ویژگی شفاف بودن آن در برابر طول موج‌های مرئی است. نقطهٔ مقابل شیشه مواد است که نور مرئی را از خود عبور نمی‌دهند. سطح شیشه معمولاً هموار است چون هنگام تشکیل، مولکول‌های بسیار سرد شدهٔ مایع دیگر مجبور نیستند هندسهٔ بلورهای سخت را به خود بگیرند بلکه نیروی باعث شکل گرفتن آن‌ها میشود و به صورت میکروسکوپی سطحی هموار بدست می‌آید. این ویژگی‌ها باعث شفافیت و درخشندگی شیشه میشود و حتی در شیشه‌های رنگی (که نور را جذب می‌کنند) هم قابل مشاهده است.
شیشه این توان را دارد تا ، آن را بازتاب کند و بدون اینکه نور دچار پراکندگی شود برپایهٔ آن را از خود بگذراند. این ویژگی‌ها در ساخت و پنجره مورد نیاز است. شیشه‌های معمولی نزدیک به ۱٫۵ دارند. بر پایهٔ معادله‌های فرسنل، بازتاب یک ورق شیشه در محیط معمولی و در هوا، نزدیک به ۴٪ در یکای سطح است و گذر نور از آن برای یک جزء (دو روی سطح) نزدیک به ۹۰٪ است. کاربرد دیگر شیشه در است برای نمونه .
دیگر ویژگی‌ها
در فرایند تولید شیشه سیلیسی این امکان وجود دارد که آن را مذاب کرد، در قالب ریخت و دوباره از بیرون آورد و از هندسهٔ صاف و ساده تا شکل‌های پیچیده به آن بخشید. نهایی شکننده و آسیب‌پذیر خواهد بود مگر اینکه لایه لایه بر روی آن کارهای ویژه صورت گیرد. اما به هر حال ماندگاری شیشه در بیشتر شرایط بسیار بالا است، بسیار آهسته دچار خوردگی و فرسایش میشود و در برابر واکنش‌های آب و حمله‌های شیمیایی پایدار است به همین دلیل مناسب‌ترین گزینه برای نگهدارنده‌های و خوراکی است.
پس از آنکه مواد خام شیشه و درصد هر یک از آن‌ها بدست آمد، این مواد به کوره برده میشود. از مذاب کردن مواد اولیه در کوره‌های گازی به دست می‌آید. کوره‌های کوچکتر مانند ذوب‌کننده‌های الکتریکی یا کوره‌های دیگ-مانند هم وجود دارند که برای شیشه‌های ویژه بکار می‌روند. پس از ذوب و یکدست کردن مخلوط و از بین بردن حباب‌های کوچک هوا، شیشه شکل می‌گیرد.
شیشه‌های تخت در و پنجره و کاربردهای مانند آن از راه فرایندی به نام ساخته می‌شوند. این فرایند در سال‌های ۱۹۵۳ تا ۱۹۵۷ از سوی آلستر پیلکینگتن و کنث بیکرستف ارائه شد. آن‌ها شیشه را در یک حمام مذاب به صورت لوله‌ای و پیوسته دور خود می‌پیچیدند و شیشه در این حمام شناور بود و از بالا برای اینکه سطح همواری بر رویش تشکیل شود آن را در برابر فشار قرار می‌دادند. بطری‌ها و ظرف‌های شیشه‌ای معمول از راه دمیدن و فشار بدست می‌آیند. البته علاوه بر این روش‌ها، راه‌های دیگری هم برای تولید شیشه وجود دارد.
پس از آنکه شیشه شکل دلخواه را به خود گرفت آن را به آرامی سرد می‌کنند تا تنش‌های حرارتی موجود از بین برود. ترمیم سطح، لایه لایه کردن و پوشاندن سطح شیشه با یک مادهٔ ویژه همه از فرایندهای شیمیایی است که در ادامهٔ ساخت شیشه قرار دارد این فرایندها برای بالا بردن پایداری و مقاومت شیشه (مانند شیشهٔ ضد گلوله) یا دادن برخی ویژگی‌های نوری به آن (مانند ) دنبال می‌شوند.
یکی از مهمترین مشکلاتی که ممکن از در صنعتی شیشه رخ دهد ایجاد لکه در شیشه است که این بواسطه استفاده از به وقوع می‌پیوندد. برای اینکه شیشه‌ها بدون لکه تولید یا برش داده شوند حتماً می‌بایست از آب بدون سختی یا همان استفاده نمود.
با افزودن برخی یون‌های الکتریکی که به صورت یکنواخت در شیشه پراکنده می‌شوند یا با پراکنده کردن دانه‌های بسیار ریز در شیشه (مانند ) می‌توان شیشه‌های رنگی بدست آورد. شیشهٔ آهک سوددار اگر نازک باشد در چشم معمولی بی‌رنگ به نظر می‌آید. افزودن اندکی ناخالصی تا ۰٫۱ درصد وزنی، رنگ سبز کمرنگ به شیشه می‌دهد که در شیشه‌های ضخیم‌تر یا با کمک ابزارهای نوری این رنگ به خوبی دیده میشود.
اما رنگ سبز پررنگ مانند بطری‌های سبز رنگ از افزودن اکسید آهن (II) و بدست می‌آید. به همراه و نمک‌های آهن، باعث بدست آمدن پُلی سولفید آهن و تولید شیشه‌های کهربایی با بازهٔ رنگ زرد تا نزدیک به سیاه میشود. اگر اندکی به شیشه‌ای که با آهن سبز شده‌است افزوده شود، رنگ سبز آن از میان می‌رود. این ویژگی‌ها در کارگاه‌های هنری بسیار کاربرد دارد برخی شیشه‌ها را به صورت رنگی خریداری می‌کنند و برخی خودشان به مواد خام رنگ اضافه می‌کنند.
کوره‌های ذوب شیشه
رایج‌ترین کوره‌های مورد استفاده برای تهیه شیشه کوره‌های تانکی است. طول این نوع کوره در حدود ۴۰ متر و پهنای آن در حدود ۱۲ متر می‌باشد. کار این پیوسته بوده و با جلو رفتن مواد همیشه جا برای تغذیه مجدد کوره آماده می‌گردد. مواد نسوز داخل کوره‌های ذوب شیشه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌باشد و باید در مقابل دارای مقاومت بالایی باشند زیرا مواد داخل کوره به شدت جداره کوره را در مقابل سایش قرار می‌دهند.
عمر مواد نسوز کوره‌های شیشه حداکثر ۴ سال می‌باشد. ظرفیت این کوره‌ها تقریباً حدود ۱۵۰۰ تن است. دستگاه‌های دادن شیشه به انتهای شیشه متصل است. پس از آنکه مواد اصلی شیشه و درصد آن‌ها به دقت تعیین شد و مواد زائد آن جدا گردید مواد را وارد کوره می‌نمایند زیرا تغییر جزئی مواد روی خواص شیشه مخصوصاً روانی و شکل‌دادن و کارایی بعدی آن تأثیر زیادی دارد. مواد که وارد کوره شد به تدریج جلو رفته گرم‌تر میشود.
در حرارت حدود ۱۰۰ درجه آب فیزیکی خود را از دست می‌دهد و در حرارت حدود ۶۰۰ درجه و مخلوط می‌شوند و در حرارت ۹۰۰ درجه کربنات سدیم با سیلیس ترکیب میشود، در ۱۰۰۰درجه متا سیلیکات کلسیم تشکیل میشود و در حرارت ۱۴۰۰ تا ۱۵۰۰ درجه ذوب و پالایش شیشه درون کوره پایان می‌یابد ولی در این حرارت شیشه روان بوده و دارای ای بسیار پایین می‌باشد که کار کردن روی آن غیرممکن می‌باشد. برای کار کردن روی شیشه باید مواد را به حالت خمیری در بیاوریم. برای این کار حرارت شیشه را پایین آورده و به حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسانند.
