شیشه از چی درست میشه

شیشه یک ماده جامد غیربلوری (آمورف) و شفاف است که از سرد کردن سریع مواد معدنی ذوب شده به دست می آید. در علوم هفتم اصلی ترین ماده تشکیل دهنده شیشه، سیلیسیم دی اکسید (SiO₂) یا همان شن و ماسه معرفی شده است که حدود ۷۰ درصد ترکیب آن را شامل می شود. برای کاهش دمای ذوب سیلیس و تسهیل فرایند تولید، موادی مانند سودا (کربنات سدیم، Na₂CO₃) و آهک (کربنات کلسیم، CaCO₃) به ترکیب اضافه میشوند. این مواد با سیلیس واکنش داده و ساختار شیشه را پایدارتر می کنند. همچنین، افزودنی هایی مانند اکسید فلزی (مثل منیزیم یا آلومینیوم) برای بهبود مقاومت حرارتی یا شفافیت به کار می روند. فرمول کلی شیشه معمولی به صورت Na₂O·CaO·6SiO₂  نمایش داده می شود که نشان دهنده نسبت ترکیبی این مواد است.

فرایند تولید شیشه با ترکیب دقیق مواد اولیه آغاز می شود. این مواد پس از آسیاب شدن و اختلاط، در کوره هایی با دمای حدود ۱۷۰۰ درجه سانتیگراد ذوب می شوند تا مایع یکنواختی ایجاد شود. در مرحله بعد، این مایع مذاب بسته به کاربرد نهایی، به روش هایی مانند دمیدن، نورد کردن، یا شناورسازی روی فلز مذاب (در روش شیشه شناور) شکل می گیرد. سپس، محصول شکل گرفته طی فرایند annealing (تدریجی سرد کردن) در بازه دمایی کنترل شده قرار می گیرد تا تن شهای داخلی آن کاهش یابد و استحکامش افزایش پیدا کند. این مراحل، شیشه ای بادوام و کاربردی تولید میکند که در صنایع ساختمان، خودروسازی و لوازم خانگی کاربرد گسترده ای دارد.

در جدول زیر، ترکیب کلی مواد اولیه شیشه به همراه نقش هر ماده و درصد تقریبی ترکیب آورده شده است:

شیشه از چی ساخته می شود

مواد اولیه شیشه صنعتی عمدتاً از ترکیب چند ماده معدنی و افزودنی خاص ساخته می شود که هرکدام نقش کلیدی در تعیین ویژگی نهایی آن دارند. مهمترین ماده اولیه، سیلیسیم دی اکسید (SiO₂) یا سیلیس است که معمولاً از شن و ماسهٔ کوارتزی استخراج می شود و حدود ۷۰-۷۵٪ ترکیب شیشه را تشکیل می دهد. سیلیس به تنهایی در دمای بسیار بالا (حدود ۱۷۰۰°C) ذوب می شود و ساختار اصلی شیشه (شبکه اکسیدی) را می سازد. برای کاهش دمای ذوب و تسهیل فرایند، سودا (کربنات سدیم، Na₂CO₃) به عنوان «گدازآور» افزوده می شود که دمای ذوب را تا حدود ۱۰۰۰°C  پایین می آورد. اما سودا موجب حل شدن شیشه در آب می شود؛ بنابراین آهک (کربنات کلسیم، CaCO₃) به ترکیب اضافه می گردد تا پایداری شیمیایی و مقاومت مکانیکی شیشه را افزایش دهد. این سه ماده با نسبتهای مشخص (معمولاً ۷۲٪ سیلیس، ۱۵٪ سودا، ۹٪ آهک و ۴٪ افزودنی ها) ترکیب می شوند و فرمول کلی شیشهٔ سودالایم را بهصورت Na₂O·CaO·6SiO₂  شکل می دهند.

افزودنی ثانویه نیز برای بهبود خواص فیزیکی-شیمیایی شیشه استفاده می شوند:

• آلومینا (Al₂O₃): از خاک رس یا فلدسپات تأمین می شود و مقاومت شیشه در برابر سایش و تغییرات دمایی را افزایش می دهد.
• منیزیم اکسید (MgO): جایگزین بخشی از آهک می شود تا شیشه در برابر رطوبت مقاومتر گردد.
• اکسیدهای فلزی: مانند آهن (FeO) برای ایجاد رنگ سبز، کبالت (CoO) برای آبی، یا منگنز (MnO₂) برای شفافیت و خنثی سازی رنگ ناخواسته.
• سولفات ها یا نیترات ها: به عنوان «مواد تصفیه کننده» برای حذف حباب گاز از مذاب استفاده می شوند.

شیشه از چه سنگی درست می شود؟

شیشه در اصل از مواد طبیعی ساخته می شود و ماده اولیه اصلی آن، ماسه ای است که غنی از سیلیس (دی اکسید سیلیکون) می باشد. این ماسه از فرسایش سنگ کوارتزی به دست می آید؛ به عبارت دیگر، سنگ سیلیسی مانند سنگ آذرخشی پس از فرسایش و تجزیه به ذرات ریز تبدیل می شوند و به عنوان منبع اصلی سیلیس در تولید شیشه به کار می روند که با نام شیشه شدگی کوارتز شناخته می شود. به همین دلیل، اصطلاح «شیشه از چه سنگی درست می شود» به معنای استفاده از سنگ آذرخشی به عنوان منبع سیلیس در تولید شیشه تعبیر می شود.

سنگ دیگری نیز برای ساخت شیشه استفاده می شوند و هدف استفاده از آن ها افزایش استحکام و بهبود عملکرد شیشه است. مهم ترین ماده ای که برای ساخت شیشه به کار می رود، سیلیسیم دی اکسید است. سنگ آهک نیز برای اینکه استحکام شیشه در برابر نفوذ آب افزایش پیدا کند، مورد استفاده قرار می گیرد.

مراحل ساخت شیشه 

1. انتخاب و آماده سازی ماسه خالص:
   ابتدا ماسه ای که قرار است برای تولید شیشه استفاده شود، باید بسیار خالص و تقریباً به صورت کوارتز خالص باشد. درصد بالای دی اکسید سیلیکون (SiO₂) در این ماسه ضروری است و میزان آهن موجود در آن باید کمتر از 45 درصد باشد تا شیشه تولیدی رنگ نامطلوب نگیرد.
2. ذوب ماسه در کوره:
   فرایند تولید شیشه با گرم کردن ماسه در کوره ای مخصوص آغاز می شود. دمای این کوره به حدود 1200 درجه سانتی گراد می رسد که باعث می شود ماسه به طور کامل ذوب شود و به حالت مایع یکدست درآید؛ به گونه ای که دیگر امکان بازگرداندن آن به شکل دانه ای وجود نداشته باشد.
3. افزودن مواد افزودنی:
   پس از ذوب شدن ماسه، مواد افزودنی متنوعی مانند سدیم (معمولاً به صورت خاکستر سودا یا کربنات سدیم)، کلسیم (از طریق سنگ آهک یا دولومیت) و آلومینیوم (مانند فلدسپار) به نسبت مشخص به مخلوط اضافه می شوند. این مواد افزودنی به شیشه خواص خاصی مانند کاهش دمای ذوب، افزایش مقاومت و بهبود شفافیت می بخشند.
4. ساخت شیشه شفاف:
   برای تولید شیشه شفاف، مجموعه ای از مواد اولیه شامل شن و ماسه سیلیکا، اکسید سدیم، اکسید کلسیم، دولومیت و فلدسپار به نسبت مناسب مخلوط می شوند. سپس این مخلوط در کوره ای با دمای حدود 1500 درجه سانتی گراد گرم می شود تا کاملاً مذاب شود.
5. انتقال به حمام شناور:
   ماده مذاب از کوره خارج شده و به داخل حمام شناوری منتقل می شود که از یک سطح آینه مانند و از قلع مذاب تشکیل شده است. در این مرحله، مواد مذاب با دمای ورودی 1500 درجه سانتی گراد وارد حمام شده و تا حدود 650 درجه سانتی گراد سرد می شوند. 
6. پوشش دهی (در صورت نیاز):
   اگر نیاز به سطوح شیشه ای انعکاسی باشد، بر روی شیشه خنک شده پوشش سخت یا نرم اعمال می شود تا خواص نوری مورد نظر به دست آید.
7. بازپخت (Annealing):
   پس از پوشش دهی، فرایند بازپخت انجام می شود تا تنش داخلی ناشی از سرد شدن ناگهانی برطرف شود. این مرحله باعث بهبود یکنواختی و استحکام شیشه می گردد.
8. برش و پرداخت:
   در نهایت، شیشه با استفاده از ابزارهای الماس به شکل های نهایی (مانند ورقه های مربع) برش داده شده و در مراحل نهایی تحت بازرسی قرار می گیرند. این بازرسی ها برای اطمینان از عدم وجود حباب های هوا، تنش های داخلی یا ذرات شن نذوب شده انجام می شود.

به طور کلی، این فرایند ترکیبی از حرارت دهی، افزودن مواد شیمیایی و کنترل دقیق دما در هر مرحله است تا شیشه ای با کیفیت، شفاف و مقاوم تولید شود. 

ماده ای دانه ای برای ساخت شیشه

برای ساخت شیشه از متریال ها و محصولات مختلفی استفاده می شود. یکی از انواع این محصولات، ماده ای دانه ای شکل است که می تواند برای تولید ایمن شیشه مورد استفاده قرار گیرد. این ماده دانه ای در واقع همان سیلیس است که می تواند نقش مهمی را در کاهش نقطه ذوب شیشه داشته باشد. با این حال باید برای اضافه کردن این ماده به شیشه توجه زیادی داشت. چرا که افزایش مقدار اضافه شدن آن به شیشه باعث کاهش استحکام شیشه خواهد شد. این ماده دانه ای باید با درصد مناسب استفاده شود تا اثربخشی مناسبی داشته باشد.

ویژگی ساختاری شیشه

ساختار ماده: شیشه به عنوان ماده ای غیرفلزی و غیرکریستالی شناخته می شود که فاقد ساختار اتمی منظم است. برخلاف مواد رسانای الکتریکی، این ماده به دلیل نبود الکترون آزاد، جریان برق را هدایت نمی کند.

رفتار حرارتی: نقطه ذوب شیشه های سیلیکاتی عموماً در بازه ۱۴۰۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد قرار دارد، اما این دما با تغییر درصد ترکیباتی مانند سیلیس، سودا یا آهک، قابل تنظیم است.

حالت ماده: شیشه در شرایط محیطی به شکل جامد ظاهر می شود، اما ساختار بی نظم آن موجب می شود برخی رفتارهای فیزیکی اش شباهت به مایعاتی با ویسکوزیته بسیار بالا داشته باشد. به عنوان مثال، در بازه های زمانی طولانی، تغییرات جزئی در ضخامت شیشه های قدیمی دیده می شود.

مقاومت و واکنش پذیری شیمیایی

پایداری در محیط های شیمیایی: این ماده به طور کلی در مقابل اسیدهای قوی (به جز اسید فلوئوریدریک) و بازهای رقیق مقاوم است، که آن را به گزینه ای ایده آل برای ساخت ظروف آزمایشگاهی و صنایع شیمیایی تبدیل می کند.

نقش ترکیبات کمکی: افزودن اکسیدهای فلزی به ترکیب پایه شیشه، نه تنها روی ظاهر آن تأثیر می گذارد، بلکه ویژگی هایی مانند جذب نور خاص یا مقاومت حرارتی را نیز تقویت می کند.

ترکیبات رنگی ساز:

اکسید آهن: طیف های رنگی سبز تا قهوه ای را ایجاد می کند.

اکسید کبالت: عامل اصلی ایجاد رنگ آبی آسمانی در شیشه است.

اکسید کروم یا مس: بسته به شرایط تولید، رنگ های سبز زمردی یا قرمز متمایل به نارنجی پدید می آورند.
این ترکیبات علاوه بر جنبه های زیبایی شناختی، کاربردهای تخصصی مانند فیلترکردن پرتوهای فرابنفش یا افزایش تحمل دمایی در شیشه های صنعتی را ممکن می سازند.

منبع: ویکیپدیا