فرمول و مراحل ساخت 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 .

کمتر عنصری را در جدول عناصر می توان یافت که از آن شیشه به دست نیاید ولی سه ماده کربنات دو سود ، سنگ آهک و سیلیس مواد اصلی تشکیل دهنده شیشه می باشند .

در طی سالیان دراز در ترکیبات اصلی شیشه تغییرات کمی بوجود آمده است و تغییرات مهم در ترکیبات فرعی ، پدید آمده است .

ترکیبات اصلی عبارتند از: ماسه ، آهک و کربنات سدیم .

هر ماده خام دیگر ، جزء ترکیبات فرعی تلقی می‌شود، هرچند که بر اثر استفاده از آن ، نتایج مهمی بدست آید.

 مواد شیشه ساز مورد تایید موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران عبارتند از سیلیس ، دی اکسید بور ، پنتا اکسید فسفر که از هـر یک به تنهایی می توان شیشه تهیه کرد .

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 نیز وجود دارد.

برای ساخت شیشه ، مراحلی وجود دارد که باید طی شود تا مواد اولیه شیشه به محصولی با کیفیت و قابل قبول تبدیل شود. امادر طی ساخت شیشه، ظرافت‌هایی وجود دارد که بهتر است آنها را در یک کارخانه تولیدشیشه مشاهده کرد .

برخی از ترکیبات فرعی شیشه باعث ایجاد کیفیت در شیشه شده و عدم وجودشان در مواد اولیه باعـث از بین رفتن مرغـوبیت کالای تولیدی می شوند که به چند نمونه از آنها اشاره می گردد .

تثبیت کـننده ها

کربنات سدیم ، کربنات پتاسیم ، سـیلـیکات سدیم در آب حل می شوند و از شفافیت شیشه به تدریج کم می کنند به هـمین عـلـت است که اغلب شیشه های مصرف شده در گـلخانه پس از چند سال کدر می شوند و نور از آن ها به خوبی عـبور نمی کند .

برای آن که مقاومت شـیشـه را در مقابل آب وهـوا ثابت کنیم باید اکسـیدهای دوظرفـیتی باریم ، سرب ، کـلسیم ، مـنـیزیم و روی به مـخـلـوط اضافه کنیم که به این عـناصر تثبیت کـننده می گـویند .

تصفیه کننده ها

تصفیه کننده ها موجب کاستن حباب هوای شیشه می شوند و بر دو نوع اند :

1)  فـیزیکی : سولفات سدیم ، کلرات سدیم

با ایجاد حباب های بزرگ ، حباب های کوچک را جذب و از شیشه مذاب خارج می کنند .

2)  شیمیایی : املاح آرسنیک و آنتیموان

ترکیباتی ایجاد می کنند که حباب های کوچک داخل شیشه را از بین می برند .

ایجاد رنگ شفاف در شیشه و بالا بردن مقاومت آن

استفاده از نیترات سدیم برای از بین بردن رنگ سبز شیشه ناشی از اکسید آهن که همراه مواد دیگر وارد کوره می شود باعث شفافیت و بی رنگی شیشه می شود.

برای ایجاد مقاومت بیشتر در مقابل عـوامل جوی و شفاف تر شدن شیشه از اکسید منگنز استفاده می شود .

اسـتفاده از فلدسپار نیز باعـث بالاتر بردن مقاومت شیشه در مقابل مواد شیمیایی می شود .

برای این که شیشه در برابر اسید فلوئوریدریک هم مقاوم باشد ، ترکیباتی از فـسـفـات به آن می افزایند .

برای ساختن شیشه های مرغـوب بلور که درخشندگی بیشتری دارند از اکسید سرب به جای کلسیم اکسید استفاده

می شوند .

برای ساختن بلور مرغـوب از اکسـید نقـره اسـتفاده می کنند .

  برخی دیگر از افزونی های دیگر شیشه :

1) استفاده از خرده شیشه که به ذوب مواد سرعت بیشتری می دهد .

2) استفاده از بوراکس به جای اکسید و کربنات سدیم که در اثر حرارت به سدیم اکسید و بورم اکسید تجزیه می شود و در واقع به جای هر دو ماده عمل می کند .

3) استفاده از اکسید فلزات برای تهیه شیشه های رنگی .

4) اکسید سزیم برای جذب پرتو مادون قرمز خورشید

5) اکسیدبرم ، برای ازدیاد مقاومت حرارتی شیشه مورد استفاده قرار می گیرند .

    دو نمونه از ترکیبات منجر به تولید شیشه

 (1) ترکیبات  : اکسید سیلیسیم حدود 74 تا 80 درصد و بقیه شامل پر اکسید سـدیم تا 15 درصد و اکسـید کلسیم 7 تا 12 درصد اکسـید منیزیم 2 تا 4 درصد و 2 درصد هم عـناصر دیگر چون اکسید آهن ، اکسید آلومینیوم ، اکسید منیزیم ، فسفید تیتانیم ، سیلیسیم تری اکیسد .

(2)ترکیبات : اکسـید سیلیسیم در حدود 73 درصد ، اکسـید سـدیم 15 درصد ، اکسـید کـلـسـیم 55/5 درصد ، اکـسـید منیزیم 6/3 درصد ، اکـسـید آلـومـیـنـیـوم 5/1 درصد ، اکـسـید بور و اکـسـید پتاسـیم هر کدام 4/0 درصد ، اکـسـید آهن و اکـسید سـیلـیـسـیم 6 ظرفـیتی هـریک 3/0 درصد .

    عـلاوه بر موارد بالا هـمـیشـه مـقـداری خرده شـیشـه نیز با این مواد وارد کوره می گـردد .

مراحل ساخت شیشه

  1-  تهیه مواد اولیه و تبدیل آنها به پودر با دانه‌بندی بین 0.1 تا 2 میلی‌متر

  2-  توزین هر یک از مواد اولیه به نسبتهای مورد نظر و مخلوط کردن آنها همراه با 4 تا 5 درصد آب و انتقال مخلوط به کوره

   3-  ذوب کردن مخلوط در کوره و تهیه خمیر شیشه

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.

   4-  بی‌رنگ کردن خمیر شیشه و خارج کردن گازها

   5-   تبدیل به فرآورده‌های مورد نیاز بازار و صنایع

   6- پختن شیشه ( قرار دادن شیشه داغ در کوره‌هایی که دمای کمی دارد، برای کاهش شکنندگی شیشه)

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.

 معروف‌ترین انواع شیشه‌ها

 معروف‌ترین شیشه‌هایی که در مقیاس صنعتی تولید می‌شوند، عبارتند از شیشه‌های سودالایم (شیشه جام)، شیشه‌های بوروسیلیکاتی و شیشه‌های کریستال .

شیشه سودا لایم (شیشه جام)

 بیشتر از ۹۵ درصد از میزان کل شیشه تولیدی در جهان، شیشه سودالایم است. شیشه‌های در و پنجره ساختمان، شیشه‌های خودرو، بطری‌ها و بسیاری دیگر از محصولات شیشه‌ای روزمره از جنس شیشه سودالایم هستند. مهمترین اجزای تشکیل‌دهنده این نوع شیشه عبارتند از اکسید سیلیسیوم، اکسید کلسیم و اکسید سدیم.

شیشه بوروسیلیکاتی

این نوع شیشه‌ها ضریب انبساط حرارتی کم تا متوسط داشته، رفتار ویسکوزیته – دمای بلند و چگالی کمی دارند.  بسیاری از ظروف شیشه‌ای آزمایشگاهی ، صنعتی و خانگی با استفاده از این نوع شیشه ساخته می‌شوند. این شیشه‌ها در بازار با نام‌های تجارتی مانند پیرکس، سیماکس، ترکس و … شناخته می‌شوند.

شیشه کریستال

شیشه کریستال یا شیشه سرب‌دار یکی از انواع شیشه‌های سیلیکاتی است که در ترکیب خود حاوی اکسید سرب است. این نوع شیشه‌، دارای ظاهری درخشنده و شبیه به کریستال‌های کوارتز است و به نظر می‌رسد علت نامگذاری آن نیز همین شباهت باشد. این شیشه‌ها همچنین سختی کمی دارند و امکان تراشکاری این شیشه‌ها وجود دارد. بنابراین ظروف تزیینی موسوم به ظروف کریستال از این جنس ساخته می‌شوند.

سایر :

سایر انواع شیشه عبارتند از: شیشه فتوکرومیک، شیشه اپال و شیشه سیلیسی. همچنین انواع مختلفی از شیشه نیز وجود دارد که در مقیاس صنعتی تولید نمی‌شوند.