شیشه جزو مایعات است ...
شیشه مایعی است سفت تمام مایعات جز هلیوم که مایعی است بسیار روان مقداری ناروانی دارند شیشه معمولی در ده ای اتاق آنقدر ناروان است که جریان آن را تنها با آزمایشات بسیار دقیق می توان اندازه گرفت خواص مشهور شیشه نتیجه همین ساختمان مایعی آن است همه می دانند که ناروانی مایعات با کاهش دما افزایش می یابد اما بیشتر مایعات در دمایی که به ناروانی شیشه می رسند به حالت مایع نمی مانند.
مایعات بسته به نوع مواد نشان هر کدام در دمای خاصی منجمد می شوند به عبارت دیگر تغییراتی مشخص و ناپیوسته از مایع به جامد را طی می کنند.
خاصی منجمد می شوند به عبارت دیگر تغییراتی مشخص و ناپیوسته از مایع به جامد را طی می کنند .
در سمت مانند زمانی که آب یخ می بندد اما شیشه را که سرد کنیم دستخوش چنین تغییراتی نمی شود بلکه بیش از پیش ناروان می گردند تا به سفتی یک جسم جامد معمولی برسد.
شیشه مایعی است که آنقدر سرد شده که منجمد نمی شود.
جامدات و مایعات: اغلب جامدات از همچون ساختمان بطوری منظمی برخوردارند اما شیشه چنین نیست ساختمان درونی شیشه از بی نظمی برخوردار است که معمولاً در مایعات معمولی مشاهده می شود شیشه در دماهایی که به اندازه کافی بالا باشد به سهولت آب جاری می شود اما شیشه در دمای اتاق به سفتی یخ و ظاهراً مانند آن جامد است شیشه را هنگامی که سرد می کنیم فقط بیش از بیش ناروان می شود تا به ماده ای سفت و عملاً جامد تبدیل می گردد طوری که می توان در زندگی روزمره از آن استفاده کرد شیشه معمولی از آن جا که دمای آن را از نقطه ای که جسم می تواند متبلور شود (و گاهی هم می شود) بسیار پایین تر آروده اند، مایعی است (جزو تافته) به این معنی که دمای آن را از نقطه انجماد تئوریکی این پائین تر آورده اند در صورتی که خواص و ساختمان درونی خود در حالت مایع را همچنان حفظ کرده است.
* موادی که شیشه از آنها درست می شود دی اکسید سیلیکون (sio2) ماده اصلی بخش عظیمی از شیشه های معمولی است دی اکسید سیلیکون در طبیعت به صورت بلور خالص مانند کوارتز و کریستوبالت و به صورت ترکیباتی از تعداد کثیری از سیلیکاتهای معدنی به وفور وجود دارند شن و ماسه درصد بالایی از دی اکسید سیلیکون دارند.
نقطه ذوب بلورهای خالص دی اکسید سیلیکون در حدود 1700 درجه سانتی گراد است بنابراین شیشه هایی از جنس sio2 خالص تقریباً از دمای c1700 به پایین به زیر نقطه انجماد می رسند فرمول sio2 طبیعت دی اکسید سیلیکون را آنچنان که باید و شاید نشان نمی دهد هر اتم سیلیکون در حقیقت با 4 اتم اکسیژن پیوند دارد و هر اتم اکسیژن میان دو اتم سیلیکون مشترک است از شیشه هایی که از جنس sio2 خالصند و به کوارتز گداخته یا سیلیسی گداخته مشهورند در موارد حساسی استفاده می شود اما دمای نرم شدن این نوع شیشه آنقدر بالاست که در موارد معمولی نمی توان از آن استفاده کرد.
Sio2 مایع در دمای لازم برای ذوب لانه های کوارتز (یعنی c1700) کاملاً ناروان است و پیش از آنکه به زیر نقطه انجماد و دمای c1300 برسد ناروانی آن به موز 1012 پواز می رسد و جسم در این حالت آنقدر سفت است که نمی توان آن را بوسیله باد کردن یا قالبگیری شکل داد اما افزودن پاره ای از اکسیدهای فلزی مانند سوادا (Na2) و آهک (cao) ناروانی sio2 (و دمایی را که برای ذوب مواد تشکیل دهنده آن لازم است) به سطحی پایین می آورد که عملاً میشود از آن استفاده کرد.
در کارخانه موقعی روی شیشه کار می کنند که ناروانی آن به میان 103 تا 106 پواز رسیده باشد و حوارت لازم برای شیشه های تجاری با ترکیب سودا با آهک و سیلیس فقط 600 الی 700 درجه سانتی گراد است علاوه بر سیلیکون تعدادی از عناصر وجود دارند که اکسیدها- سولفیدها- تلورید ها و سلیندهایشان، شیشه های غیر آلی را می سازند برای مثال می توان از بورون، ژرمانیم- فسفر – وانادیمه- آرستیک و زیر کونیم نامه بود بعد از اینها نوبت می رسد به اصطلاح واسطه ها از قبیل تیتانیوم- روی- قلع- آلومینیوم- توریمه- برلیوم- و کادمیوم .
از اکسید اینها به تنهایی شیشه در سمت نمی شود بلکه این اکسیدها با یکی از مواد اصلی شبکه شیشه ای پیوند برقرار می کنند هم مواد اصلی سازنده شیشه و هم واسطه ها پیوند های قطبی پدید می آورند و باعث محکم شدن ساختمان شیشه می شوند از قبیل na2o و cao بلکه معمولاً ناروانی شیشه را پایین می آورند همچنین ویژگی های مطلوب شیشه اصلی از نظر شیمیایی اپتیتکی و اقصتادی را تشدید می کنند.
به ترتیب که از مواد اصلی سازنده شیشه به طرف واسطه ها و سپس تعدیل کننده ها می رویم استحکام پیوندها به طور منظم کاهش می یابد.
لا اقل یک شیشه تک عنصری (شیشه ای که از یک عنصر تشکیل شده نه از یک جنس مرکب) را می شناسیم، گوگرد مایع را چنانچه خیلی سرد کنیم در دمای اتاق به صورت شیشه ای لاستیکی و قابل کشش در خواهد آمد اما این شیشه فقط تا یک حد متوسطی از ثبات برخوردار است و نسبتاً زود از حالت شیشه ای خارج می شود.
خواص شیشه خواص مکانیکی : پیوند سیلیکون- اکسیژن پیوندی است بسیار محکم و بنابراین شیشه باید ماده محکمی باشد و در اساسی چنین هم هست رشته های نازک شیشه ای که تازه درست شده باشد وزنی بیش از هفتاد هزار کیلوگرم بر سانتی متر مربع را تحمل می کند این رقم 5 برابر مقاومت بهترین فولاد و مهمتر اینکه در برابر مقاومت تئوریک فولاد است اما وجود معایب و نواقعی تأثیر عمده ای بر استحکام عملی مواد دارند چنین معایبی به ویژه معایب سطح جسم که باعث ترک برداشتن آن می شوند استحکام واقعی شیشه معمولی را به کمتر از 0.01 استحکام تئوریک آن که از روی قدرت پیوندهای اتمی محاسبه شده می رساند.
دسته کم سه راه برای افزایش استحکام سودمند شیشه وجود دارد اول بر طرف کردن نواقص سطح شیشه که باعث ترک خوردگی آن می شود دوم جلوگیری از اعمال نیروهای کششی در سطح شیشه سوم جلوگیری از گسترش ترک خوردگی .
از همه این روشها استفاده می شود جلوگیری از گسترش ترکهای ریز در سطح شیشه کار مقرون به صرفه ای نیست و در عوض شیشه را با لایه سفتی از ماده ای دیگر روکش می کنند این روکش شیشه را از آسیبهای شیمیایی و مکانیکی دور نگه می دارد.
ترک خوردگیهای مزاحم از معایب سطح جسم ناشی می شوند چنانچه سطح شیشه تحت فشار کششی قرار گیرد این ترک خوردگیها به داخل شیشه سوایت می کند.
دومین طریقه برای استحکام بخشیدن به شیشه که به آن اشاره کردیم .
جلوگیی از قرار گرفتن سطح آن در معرض نیروی کششی است اگرچه این روش یک کمی با معجزه شبیه است لااقل دو راه برای انجام آن وجود دارد و آن، سفت کردن حرارتی و شیمیایی جسم است در طریقه سفت کردن حرارتی جسم را تا بالاتر از دمای تحول حرارت می دهند و سپس سطح آن را به طور ناگهانی سرد می کنند به این ترتیب انقبافی آرایشی سطح شیشه متوقف می شود اما داخل آن که هنوز سرد نشده به انقباض آراریشی خود ادامه می دهد موقعی که جسم را سرد می کنند.
داخل آن همیشه در حال کشش و سطح آن در حال فشردگی خواهد بود طریقه سفت کردن شیمیایی به این ترتیب است که جسم داغ شیشه ای را در مجاورت نمکی که یونهای درشت فلزی اش را با یونهای ریزتر سطح شیشه مبادله کند.
قرار می دهند بنابراین موقعی که شیشه را سرد می کنند سطح آن نمی تواند به اندازه داخل آن انقباض پیدا کند شیشه سفت شده را پیش از آنکه ترک بردارد باید آنقدر خم کرد که بر نیروی فشردگی سطح غلبه شود و سطح جسم مورد کشش قرار گیرد مقاومت این نوع شیشه ها در برابر ضربه چهارالی ده برابر شیشه های سفت نشده است.
شفافیت : برای خواننده جای تعجب نیست که شفافیت شیشه از ساختمان اصلی آن به مثابه یک جسم مایع ناشی می شود شفافیت، خاصیت عمومی مایعات است در صورتی که در میان جامدات، شفافیت به ندرت یافت می شود اما هر مایعی و در واقع هر شیشه ای شفاف نیست و ما باید در اینجا نشان دهیم که شیشه شفاف با مایعات غیر شفاف متفاوت است.
اما شیشه طول موجهای ویژه ای از نور را جذب می کند به همین دلیل است که شیشه معمولی در واقع نسبت به طول موجهای مادون قرمز و ماوراء بنفش واقع در دو سر طیف غیر شفاف است شیشه های معمولی فاقد سیستم های انرژی ای که پذیرایی انرژیهای گوناگون فوتونهای نور مرئی باشند هستند هر چند که این شیشه ها هم پرتوهای مادون قرمز و هم پرتوهای ماوراء بنفش را واقعاً جذب می کنند این که شیشه معمولی نور را جذب نمی کند نه به دلیل خاصیت ذاتی آن بلکه به سبب انتخاب دقیق مواد برای تولید شیشه است وجود مقادیر بسیار ناچیزی از پاره ای ناخالصیها در شیشه باعث رنگی یا مات شدن آن می شود اکسید آهن که به وجود آورنده رنگهای سبز و قوه ای تیره است بیش از هر ناخالصی ای دردسر ایجاد می کند البته موقعی که می خواهند شیشه مخصوصاً رنگی باشد عمداً مقداری از ناخالصی های مناسب را به آن می افزایند.
سپس شیشه معمولی نور را منعکس نمی نماید همان گونه که نور مرئی را جذب نمی کند.
شیشه سیلیسی خالص 5/99 درصد sio2 دارد.
از این شیشه عمدتاً به خاطر کم بودن مقدار انبساط حرارتی آن و در حرارتهای بالا و موقعی هم که بسیار خالص باشد بخاطر شفاف بودنش نسبت به قسمت عظیمی از طول موجهای طیف الکترومغناطیسی و امواج صوتی استفاده می شود شیشه سیلسی مقاومت خوبی از لحاظ شیمیایی الکتریکی دارد.
و عایقی است بسیار مقاوم.
شیشه سیلیس 96 درصد : اجزای اصلی این شیشه عبارتند از 96 درصد sio2 و 3 درصد B2O3 این نوع شیشه ویژگیهای حرارتی خوبی دارد و هم از لحاظ کاربرد آن در دماهای بالا و هم از نظر پایین بودن ضریب انبساط هیچ شیشه ای به پای آن نمی رسد به غیر از سیلیس خاهی .
شیشه سودا- آهک- سیلیس: اجزاء اصلی آن عبارت است از 7 درصد sio2، 15 درصد Na2o و 10 درصد Cao ویژگیهای الکتریکی این شیشه بسته به ترکیبات آن از تنوع بسیار زیادی برخوردار است این نوع شیشه رایجترین شیشه است و به مقادیر عظیمی برای تولید شیشه های مسطح (از جمله شیشه پنجره) ظروف و حبابهای الکتریکی بکار می رود.
شیشه سرب – قلیا- سیلیکات: اجزاء اصلی آن 30 الی 70 درصد sio2،18 الی 65 درصد 60p و 5 الی 20 درصد Na2o یا k2o است.
شیشه های بوروسیلیکات: اجزاء اصلی آن عبارتند از 60 الی 80 درصد Sio2، 10 الی 25 درصد D2o3 و 1 الی 4 درصد AL2o3 انبساط حرارتی آن کم و به یک سوم .
شیشه سودا – آهک می رسد.
شیشه بور و سیلیکات را می توان طوری ساخت که مقاومت شیمیایی و قدرت عایق بودن آن زیاد باشد و از آن در مواردی استفاده کرد که ترکیبی از این دو ویژگی لازم باشد.
شیشه آلومینو سیلیکات: اجزای اصلی آن عبارت است از 5 الی 60 درصد sic2،20 الی 40 درصد AL23o 5 الی 50 درصد cao و حداکثر تا 10 درصد B2o3 این هم از شیشه هایی است.
که انبساط آنها کم و از لحاظ شیمیایی مقاومند شیشه آلومینو سیلیکات را برای لوله های اسلحه لوله هایی برای عبور موج و برای بسیاری از مواردی که از شیشه برو سیلیکات استفاده می کنند بکار می برند.
شیشه های اپتیکی : شیشه کراون باریم سبک شیشه کراون باریم متراکم شیشه فلینت خیلی سبک شیشه فلینت خیلی متراکم.
شیوه های تولید : الف – مراحل ذوب : باید در تهیه اندازه گیری و حمل و نقل مواد خام شیشه دقت فراوانی بکار برد زیرا تغییرات هر چند ناچیز در مقدار اجزاء (حتی در اجزاء فرعی) ممکن است نه تنها روی خواص محصول بلکه (به سبب افزایش یا کاهش ناروانی شیشه در دمای معین) روی رفتار آن در حین شکل دادن تأثیر عمیق بگذارد از آنجا که هدف اصلی از ذوب شیشه تبدیل این مواد خام به خمیری یک دسته است یکنواختی اندازه ذرات نیز اهمیت دارد در غیر این صورت ارتعاشاتی که در حین حمل و نقل خمیر شیشه پدید می آید باعث می شود که ذرات ریز تر به سطح آن بیاید و ذرات درشت تر به صورت توده هایی با ناروانی های گوناگون در محصول نهایی ظاهر شوند غیر از ماسه و نمک قلیا و آهک که اجزاء اصلی شیشه های سودا- آهکی هستند خرده شیشه هایی از جنس همان شیشه را به خمیر شیشه اضافه می کنند زیرا هر نوع شیشه در دمایی پاین تر از دمای لازم برای ذوب هر کدام از اجزاء تشکیل دهنده اش ذوب می شود بنابراین افزودن خرده شیشه روند ذوب را تسریع می کند و به همین دلیل امکان دارد.
75 درصد از تمام شیشه مذاب را خرده شیشه تشکیل دهد اجزاء مخلوط شده شیشه را به طور هموار در کف کوره پهن می کند کوره های شیشه گری در دو نوع متفاوت وجود دارد.
کوره های پات و کوره های تانکی – کوره های پات که امروزه از آن فقط برای تولید شیشه های اپتیکی رستیشه های کریستالی استفاده می شود معمولاً 13 تا12 ظرف گلی نسوز را در خود جای می دهند ظروف گلی را در کوره های ویژه (pot arch) از قبل تا بالای c1000 حرارت می دهند و در همان حال که داغ هستند به داخل کوره حمل می کنند تا بر اثر افزایش ناگهانی حرارت ترک برندارند اما اغلب کوره های شیشه گری از نوع کوره های تانکی و احیاء کننده اند.
ذوب شیشه شامل سه مرحله مشخص است اول مرحله ای که در آن واکنشهای شیمیایی میان اجزاء شیشه صورت می گیرد و در نتیجه آن توده ای چسبناک و پر از حباب پدید می آید.
دوم: مرحله پالایش است در این مرحله دمای خمیر شیشه را تا حدود 1550 درجه سانتی گراد افزایش می دهند تا گازهایی که حبابها را به وجود آورده اند به سطح شیشه بیایند تا اندازه ای بخاطر تسهیل در امر از بین بردن این حبابهاست که عوامل شیمیایی مثل سولفات سدیم و اکسیدهای آرسنوس، و آنتیموان را به خمیر شیشه اضافه می کنند شیشه در این مرحله آنقدر رقیق است که نمی شود روی آن کار کرد در مرحله آخر دمای شیشه مذاب را آنقدر پایین می آورند که ناروانی آن به حدی برسد که بشود روی آن کار کرد.
مراحل شکل داده به شیشه : مشهور ترین طریقه برای شکل دادن شیشه باد کردن آن با دست است از یک گوشه از شیشه مذاب شروع می کنند به بیرون آوردن خمیر شیشه که روی آن کار بکنند امروزه از این شیوه برای تولید محصولات هنری و ظروف تجملی سر سفره استفاده می کنند بسیاری از محصولات شیشه ای که با این روش تولید می شوند ترکیبی است از باد کردن و قالب ریزی و این روش کمتر به مهارت و سلیقه شیشه گر متکی است و سرعت و محصول دهی آن بیشتر و از نظر اقتصادی به صرفه تر است .
باد کردن و قالب ریزی : قالبهای شیشه سه نوعند- آهنی – خمیری و فشاری- هر سه این قالبها صرفنظر از نام فریب دهنده شان از جنس آهن خاکستری ریخته شده و تراشکاری و صیقل داده شده اند.
طور کار کردن آن به این ترتیب است: قالب را از شیشه مذاب پر می کنند و با قدرت زیاد در شیشه هوا می دمند.
در نتیجه شیشه به صورت بالنی با جداره نازک در می آید و قالب را باز می کنند بطری را بیرون می آورند و به پرداخت آن مشغول می شوند.
قالب خمیری عبارت است از یک قالب آهنی که جداره داخلی اش را قشری از مایعی سنگین و ناروان می مالند این مایع حرکت شیشه را هنگام باد کردن آن آسان می سازد برای این کار معمولاً از صابون یا موم استفاده می کنند و سطح آن را آرد یا خاک اره می پاشند این لایه پس از پختن به صورت قشری از کربن دانه دانه در می آید این لایه را در طول مرحله کار مرطوب نگه می دارند.
و بخارات حاصل شده به عنوان لایه ای میان قالب و شیشه عمل می کند بخارات و آب اضافی از روزنه های قالب خارج می شوند استفاده از قالب خمیری این مزیت را دارد که محصول جز با بخار با چیز دیگری تماس نداشته و بنابراین سطح آن به طور طبیعی صاف و صیقلی است ظروف مواد شیمیایی – لیوانها و انواع ویژه ای از حبابهای الکتریکی را با این روش تولید می کنند.
شیشه گری تنهاصنعتی است که به قالبهایی نیاز دارد که محصول را در ابعاد دقیق و در شرایطی تهیه کنند که در آن حرارت محصول را بیش از آن که به قالب بریزند به 1000 درجه سانتی گراد و دمای قالب را به حدود 500 درجه سانتی گراد در مانده باشند باید روی بسیاری از محصولات شیشه ای که از طریق باد کردن یا قالب ریزی تولید شده اند کار کرد و زائده های آنها را از بین برد برداشتن این زائده ها لاکراکنیگ 6 می گویند و این روند را امروزه به طور کاملاً مکانیکی انجام می دهند ابتدا با الماس محصول را از آنجایی که باید کنده شود خراش می دهند آنگاه محصول را در برابر جویانی از هوای داغ می چرخانند پس از آنکه جسم یکی دو دور چرخید گرمای شدید زائده های محصول را از محلی که با الماس بریده شده جدا می کنند.
محل بریدگی را با شعله ای که دقیقاً روی لبه آن نشانه گیری کرده اند صاف می کنند و گرمای شعله دقیقاً به اندازه ای است که لبه تیز را ذوب و گرد کند.
تولید لوله : از روش مکانیکی و دستی فقط برای لوله های دارای ابعاد و اشکال غیر معمولی و در تعداد کم استفاده می شود برای تولید لوله همیشه ای بروشی مکانیکی شیشه مذاب از انباره جاری شده روی شاه میله ای فلزی و توخالی می ریزد.
این میله که می چرخد و به طرف پایین باریک می شود نقش یک هسته را دارد شیشه به صورت لایه ای ضخیم و همگن روی این میله قرار می گیرد هوایی که با فشار از داخل شاه میله عبور می کند شیشه را موقعی که روی این میله قرار می گیرد پر می کند و به صورت لوله در می آورد.
تولید شیشه مسطح : روش تولید شیشه مسطح مواد خام شیشه را از یک سر کوره با سرعتی که توسط خروج شیشه از کوره در اوینگ تعیین می شود به داخل آن می فرستند شیشه موقعی که به کوره در اوینگ می رسد خنک شده دمای آن از c1550 به c1000 پائین می آید.
ورقه شیشه که به سرعت خودش را می گیرد از طرف لبه هایش توسط غلتکهایی گره دار گرفته می شود بعد به طور عمودی از داخل کوره سود کننده عبور کرده به طرف قسمتی که شیشه را در آنجا می برند بالا می رود شیشه سطحی که به این طریق تولید می شود کاملاً فاقد ناهمواریها نیست زیرا تفاوت در ترکیب و سرعت سرد کردن شیشه باعث تغییرات جزئی در ضخامت آن می شود و مانع از این می گردد.
که در سطح آن کاملاً با هم موازی باشند بنابراین از این شیشه در جاهایی استفاده می کنند که تغییرات جزیی در منظره ای که از پشت شیشه دیده می شود قابل قبول باشد برای جلوگیری بیشتر از پدید آمدن ناهمواریها و ناصافی ها از شیشه های گرانبهاتر یعنی شیشه های جلا دیده یا شناور شده استفاده می کنند شاید ساده ترین روش برای تولید شیشه مسطح قالب ریزی و غلتک زنی آن است.