چگونگی تعیین اجزای گوناگون ترکیب شیشه

با بررسی ترکیب شیشه‌های گوناگون می‌توان به این نتیجه رسید که با وجود تعداد و تنوع بالای ترکیبات شیشه محدودیت معینی نیز وجود دارد؛ چرا که در ترکیبات تمام شیشه‌ها، حداقل یک جزء از گروه‌های سه‌گانه‌ی شیشه وجود دارد.

عناصر سازنده شیشه

اگرچه تقریبا تمام عناصر موجود در جدول تناوبی می‌توانند در شیشه حضور داشته باشند ولی به ندرت می‌توان ترکیباتی را یافت که حاوی درصد بالایی سیلیس و یا بریا فسفر نباشند. این عناصر را عناصرسازنده‌ی شیشه می‌نامیم و از آنجایی که همیشه به شکل اکسید در ترکیب شیشه حضور می‌یابند به آن‌ها اکسید‌های سازنده شیشه نیز می‌گوییم.

واسطه‌ها و تعدیل‌کننده‌ها

به غیر از گروه اکسید‌های سازنده دو گروه دیگر نیر در ترکیب شیشه حضور دارند. واسطه‌ها اکسید‌هایی هستند که در عین گرایش به شیشه‌سازی، کیفیت لازمه را به صورت کامل ندارند و تعدیل‌کننده‌ها اکسید‌هایی هستند که عملا تمایلی به شیشه‌سازی نداشته و فقط در نقش تعدیل و تنظیم‌کننده حضور می‌یابند. لازم به ذکر است که مرز مشخصی بین گروه‌های شیشه‌ساز، واسطه و تعدیل‌کننده وجود ندارد و گاها امکان این هست که در برخی ترکیبات واسطه‌ها به عنوان شیشه‌ساز عمل کرده و در ترکیبات دیگر نقش تعدیل‌کننده داشته باشند.

از نظر بلورینگی، ویژگی لازم برای شیشه‌ای شدن، رسیدن به درجه و نوع معینی از بی‌نظمی در ساختمان بلوری جسم است. پس با گروه‌بندی بالا فقط می‌توان میزان تمایل اکسید‌های گوناگون برای شیشه‌سازی را به طور نسبی درک و سطح بندی کرد. به بیان دیگر با این گروه‌بندی فقط می‌توان قابلیت هر کدام از اکسید‌ها را به تنهایی در مخلوطی با دیگر اکسید‌ها جهت ایجاد ساختمان بلوری نامنظم برای حالت شیشه‌ای تعیین نمود.

یک شرط ضروری جهت تشکیل شیشه در شرایط مساعد برای هر اکسید آن است که پیوند کاتیون – اکسیژن از یک سو قابلیت انعطاف‌پذیری لازم برای تشکیل ساختمان بلوری را داشته باشد و از سوی دیگر قدرت کافی جهت حفظ ثبات بی‌نظمی حاصله را داشته باشد. همچنین برای شکل‌گرفتن شیشه نیاز است، بی‌نظمی حاصل در فرآیند ذوب به هنگام سرد شدن نیز به مقدار کافی حفظ گردد به طوری که جسم در عین سخت بودن در دمای اتاق حالت بی‌نظمیِ دماهای بالاتر را حفظ نماید.

استحکام بالای پیوند‌ها در شیشه‌های اکسیدی تنها زمانی بدست می‌آید که کاتیون‌هایی با نسبت زیاد و اندازه‌ی کوچک داشته باشیم. در چنین شرایطی عدد کوردیناسیون کاتیون در مقابل اکسیژن پایین خواهدا بود و از آنجا که بار کاتیون بین تعداد کمی از اتم‌های مجاور توزیع می‌شود، قدرت پیوند کاتیون – اکسیژن به نسبت زیاد خواهد بود.

نوع دیگری از دسته‌بندی به ویژه در شیشه‌های سیلیکاتی، اکسید‌های معمولی را به سه دسته تقسیم می‌کند: شیشه‌ساز‌ها، تعادل‌دهنده‌ها و گدازآور‌ها

شیشه‌ساز‌ها

در این دسته‌بندی شیشه‌سازها با همان روش قبلی دسته‌بندی می‌شوند ولی از آنجایی که این نوع شیشه‌ها سیلیکاتی هستند فقط Sio2 به عنوان مبنی تلقی می‌شود.

گدازآور‌ها

اکسید‌هایی هستند که در دماهای نسبتا پایین با مخلوط مواد اولیه ترکیب می‌شوند. اکسید‌های قلیایی گروه 1 جدول تناوبی شامل این اکسید‌ها هستند. شیشه‌هایی که مقدار زیادی از این اکسید‌ها داشته باشند مقاومت شیمیایی ضعیفی دارند.

تعادل‌دهنده‌ها

شامل اکسید‌هایی هستند که مقاومت شیمیایی بالایی در شیشه ایجاد کرده و با گدازآورها خصوصیات شیشه را برای شکل‌دهی کنترل می‌کنند. تعادل‌دهنده‌ها شامل اکسید‌های قلیایی خاکی مانند CaO، MgO و BaO، همچنین Al2O3 که مقاومت شیشه را در برابر آب افزایش می‌دهد، می‌شود.

حال این سوال پیش می‌آید که چه عواملی ترکیب نهایی یک نوع شیشه را مشخص می‌کند؟ چه عواملی ترکیب شیشه را محدود و کنترل می‌نماید؟

1. در اولین گام ترکیب شیشه باید نیازهای مصارف نهایی را برآورده سازد.
2. باید با نیازهای مربوط به آماده‌سازی در رابطه با ذوب، شکل‌دادن و همگن‌شدن تطابق داشته باشد.
3. ترکیب مورد نظر باید دارای اکسیدهایی باشد که بیش از حد گران نباشند تا شیشه در بازار قابلیت فروش داشته باشد.

معمولا ترکیب شیشه بسته به کاربرد و نیازهایش با در نظرگرفتن عوامل بالا تعیین می‌شود. برای مثال شاید شیشه‌ای نیازمند مقاومت شیمیایی بالا باشد و به این ترتیب میزان Al2O3 آن را در ترکیب افزایش می‌دهند یا برای افزایش مقاومت در برابر هوازدگی و پوسته‌شدن ظروف شیشه‌ای مقدار MgO ترکیب را افزایش می‌دهند. یک ترکیب ایده‌آل علاوه بر شکل ظاهری، رنگ، استحکام، مقاومت در برابر حملات شیمیایی و هوازدگی باید خصوصیات لازم برای تسهیل در فرآیند ذوب را برخوردار باشد.