آشنایی با مواد خام شیشه

اصطلاح شیشه معمولأ به معنای محصول ترکیبی مواد مذاب معدنی‌ است که برای داشتن شرایطی استوار و محکم بدون تبلور سرد شده‌اند. بسیاری از مواد تشکیل دهنده‌ی شیشه به گونه‌ایی هستند که شامل بورات و فسفات می باشند، اما بیشتر شیشه‌های تجاری به دلیل هزینه پایین منصفانه آن‌ها و مقاومت مناسبشان در برابر رطوبت یا معرف‌های شیمیایی دیگر، بر پایه سیلیکات می‌باشند.

سیلیکا (دی اکسید سیلیکون، SiO₂) در 1730 درجه سیلسیوس ذوب می‌شود تا مایع چسبناکی ارائه دهد که برای شیشه بسیار با دوام با خواص مفید و قابل توجه سرد می‌گردد. با این وجود تولید آن برای کاربردهای وسیع به دلیل حرارت‌های بالای ترکیبی (که می باید بسیاری از نسوزها را ذوب کند) و محدوده کاری بسیار کوتاه (جاییکه در درجه های پایین تغییر حرارت، ذوب از مایع به جامد تغییر می کند)، بسیار مشکل است.

برای کمک به ذوب ، کربنات‌های فلزات قلیایی مانند کربنات سدیم (Soda Ash) یا کربنات پتاسیم (Potash) اضافه می‌گردند تا سیلیس روان و هضم شده و حرارت ذوب به میزان قابل توجهی کاهش یابد. با این وجود این شیشه‌ها مقاومت بسیار پایینی در برابر فرسایش در اثر آب و هوا دارند. به منظور افزایش دوام و استقامت در برابر رطوبت عنصر سومی اضافه می‌شود که می تواند از میان لیست طولانی MgO – CaO – SrO – BaO – ZnO – PbO – Al₂O – B₂O₃ – ZrO₂ – TiO₂ و Fe₂O₃ باشد. به این ترتیب تعداد شیشه های چند عنصری (ترکیبی) می‌توانند نامحدود باشد، اما شیشه صاف پنجره همیشه از ترکیب Na₂O-MgO-CaO-SiO₂ می باشد که شیشه ارزان، مداوم و مقاومی را ایجاد می‌کند که از مواد خام قابل دسترس آسان ساخته می شود.

بعلاوه دیگر اجزاء موجود در شیشه ممکن است برای رنگی‌کردن آن یا جذب اشعه مادون قرمز یا فرابنفش باشد. مقداری از عناصر حتی ممکن است در ناخالصی‌های حاصل از مواد خام موجود باشد یا ممکن است به طورعمدی افزوده شود تا خاصیت های کنترلی سولاری (خورشیدی) و یا یک رنگ مورد نظر و خاص را ایجاد نماید.

شیشه و مواد اولیه آن

شیشه‌ها مواد معدنی هستند با ساختاری شیمیایی و وضعیتی میان جامد و مایع. شیشه‌ها زمانی شکل می‌گیرند که مواد معدنی گداخته کانی‌ها با سرعتی بالا سرد می‌شوند. سرد کردن سریع از شکل گیری کریستال‌ها و توسعه یک ساختار «جامد» صحیح جلوگیری می‌کند.

عناصر زیادی موجب شکل‌گیری شیشه می‌شوند، اما بیشتر شیشه‌های تجاری بر پایه سیلیکات‌ها می‌باشند. سیلیکات‌ها کانی‌های طبیعی هستند که شامل سیلیس (SiO₂) به عنوان عنصر اصلی می باشند. شن و ماسه عملأ SiO₂ خالص است. علت استفاده از سیلیکات‌ها ، هزینه نسبتأ پایین آنها و قابلیت در دسترس بودن وسیع آنها می‌باشد علاوه بر این SiO₂ شیشه‌ای را شکل می دهد که هم از لحاظ فیزیکی قوی و با دوام است و هم در برابر رطوبت و دیگر معرف های شیمیایی مقاوم است.

سیلیکا (SiO2) – فراوان‌ترین اکسید موجود در پوسته‌ی زمین که بسیار محکم و با استقامت است و ذوب آن بسیار سخت است. بنابراین با اضافه کردن کربنات سدیم به آن، نقطه‌ی ذوب آن را پایین می‌آورند.

کربنات سدیم (Na2O) – زمانی که کربنات سدیم به سیلیس خالص افزوده می‌شود نقطه ذوب پایین می‌آید.

آهک (CaO) – افزودن آهک به آمیز شیشه باعث افزایش دوام آن می‌شود، باعث کریستالیزیسون می‌شود. آهک باعث می‌شود افزوده می‌شود تا شیشه دوام بیشتری پیدا کند بدون افزایش زیاد از حد نقطه ذوب (1400 C) اما مایع گداخته حاصل کریستال‌هایی را نسبتأ در دماهای بالا شکل می‌دهد که به این ترتیب شیشه قبل از آنکه بتواند تشکیل شود و شکل بگیرد به صورت بلور خواهد درآمد.

مگنزیا (MgO) – برای توقف تشکیل بلور در دمای بالا افزوده می‌گردد.

این چهار عنصر (اکسیدهای اصلی شیشه) پایه تمامی شیشه‌های تجاری است که از این رو آن‌ها شیشه‌های سیلیکات – آهک – کربنات سدیم نامیده شده‌اند. اکسیدهای دیگر به میزان ناچیز وجود دارند:

Fe₂O₃ (اکسید آهن) – نیز به پالایش و تخلیص شیشه (برطرف کردن حباب‌ها) کمک می کند اما به میزان بسیار کمی شیشه را به رنگ سبز متمایل می‌کند.

Al₂O₃ (آلومینا) – مقاومت شیشه در برابر رطوبت را افزایش می‌دهد.