شیشه‌ ها و کاربردهای آن‌ها

شیشه ها دسته‌ای از مواد آمورف هستند که از منجمد شدن یک مذاب بدون فرایند کریستالیزه شدن به وجود می‌آیند. در این تعریف مواد آمورف دسته‌ای از مواد را تشکیل می‌دهند که در هنگام انجماد نظمی در ساختار کریستالی آن‌ها مشاهده نمی‌شود. در مقابل این مواد خواصی دارند که از آن تحت عنوان شیشه‌ای شدن یاد می‌شود.

در این مطلب سعی داریم تا با انواع شیشه‌ها و کاربردهای آن‌ها آشنا شویم. اما پیش از آن اجازه دهید تا به یک سوال مهم پاسخ دهیم که شیشه‌ای شدن چیست و به چه موادی شیشه‌ای می‌گوییم؟

مفهوم دمای انتقال شیشه‌ای (Glass Transition)

می‌توان شیشه‌ای شدن را پدیده‌ای دانست که طی آن در اثر تغییر دما برخی خواص ماده مثل ضریب انتقال انبساط حرارتی و ظرفیت گرمایی دچار تغییرات زیادی می‌شوند. بنابراین انتظار می‌رود که این تحولات در یک گستره‌ی دمایی رخ دهد که به دمای انتقال شیشه‌ای می‌گوییم.

امروزه شیشه‌ها سهم وسیعی از قطعات و وسایلی را تشکیل می‌دهند که بشر با آن‌ها سر و کار دارد. گستره‌ی کاربرد این دسته از مواد در تمامی صنایع از مواد نوشیدنی تا صفحات نمایش و بردهای الکتریکی و حتی داروسازی فراگیر شده است. پرداختن به کاربردها و خواص منحصر به فرد این مواد نیاز به توضیحات فراوان دارد ، اما در این مقاله به معرفی مهم‌ترین شیشه‌ها به لحاظ ترکیب شیمیایی و کاربردهای آن‌ها می‌پردازیم:

انواع شیشه ها

شیشه سیلیسی یا کوارتزی (Quartz’ Glass)

خلوص این دسته بین ۹۷/۹۹-۹۵/۹۹ درصد است. درجه ذوب آن‌ها بالاست و معمولا ذوب آن‎ها در دمای حدود ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد اتفاق می‌افتد. به منظور حذف حباب‌های گازی حرارت‌دادن تحت خلا انجام می‌شود. انبساط حرارتی پایین، استحکام فشاری بالا، ضریب شکست پایین و مقاومت به خوردگی بالا باعث شده تا از آن‌ها در ساخت تیوب کوره‌ها، بوته‎‌ها و لنزها استفاده شود.

شیشه آب یا سدیم سیلیکات (Sodium Silicate – Water Glass)

به وسیله ذوب کوارتز (SiO2) و سودا در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد تولید می‌شود. میزان سیلیس یا در ترکیب اولیه آن‌ها حدود ۶۶-۷۶ درصد وزنی است و از سیلیکات سدیم به عنوان بایندر (چسب) استفاده می‌شود. این شیشه‌ها برای مصارف خاص طراحی و ساخته می‌شوند مثل سیمان‌های مقاوم به اسید.

شیشه سودالایم (Soda-lime Glass)

از معمول ترین و پرمصرف ترین شیشه هایی است که به نوع تخت یا پنجره نیز معروف است. معمولا ترکیب شیشه سودالایم به شکل زیر است:

شیشه فتوکرومیک (Photochromic Glass)

فتوکرومیک‌ها زمانی که در معرض نور آفتاب قرار می‌گیرند، تیره می‌شوند و زمانی که تابش نور قطع می‌شود، به حالت اولیه‌ی خود باز می‌‍گردند. این ویژگی به علت وجود پدیده ای به نام فتوکروم است. ماده ای نظیر کلرید نقره (AgCl)  از جمله موادی است که این خاصیت را به آن‌ها می‌دهد. از جمله کاربردهای شیشه فتوکرومیک می‌توان به شیشه عینک و برخی لنزهای دوربین اشاره کرد.

شیشه سربی یا کریستال (₂O-CaO-SiO₂K یا ₂O-PbO-SiO₂K)

کریستال به شیشه‌هایی گفته می‌شود که کاملا براق باشند و بتوانند نور را از خود عبور دهند. جز اصلی تشکیل دهنده‌ی این آن‌ها اکسید پتاسیم و اکسید سرب است. این اکسیدها به طور معمول در شیشه های اپتیکی (نوری)، تکنیکی و آب‌بندی استفاده می‌شوند.

شیشه های کریستالی سربی عموما بین ۳۲-۲۴ درصد وزنی اکسید سرب دارند. از خصوصیات بارز این این دسته می‌توان به شکل‌پذیری، برش‌پذیری و دانسیته‌ی بالای آن‌ها اشاره کرد. در جدول زیر ترکیب عمومی شیشه های کریستالی نوع K₂O و Na₂O نشان داده شده است.

شیشه بوروسیلیکاتی (Borosilicate Glass)

این شیشه‌ها ضریب انبساط حرارتی پایین و شوک پذیری حرارتی بالایی دارند. معمولا در ساخت آن‌ها از ۸۰ درصد وزنی سیلیس استفاده می‌شود. این شیشه ها در ابتدا برای کاربردهای آزمایشگاهی ساخته شدند اما بعد از مدت زمانی به صورت گسترده در صنعت و تجارت مورد استفاده قرار گرفتند. پیرکس را می‌توان در دسته شیشه های بوروسیلیکاتی قرار داد.

شیشه اپال – اپک سفید (Opal-Opaque Glass)

این دسته تا حدی سفید و کدر به نظر می‌رسند. علت کدر بودن آن‌ها به خاطر وجود فازهای کریستالی و گازی است. استفاده از فلوئوریدها در مواد اولیه‌ (بچ) شیشه های اپال به خاطر ایجاد فازهای مذکور مرسوم است.

شیشه های خاص

لعاب های سرامیکی

لعاب‌ها طیف وسیعی از ترکیبات شیشه ای را شامل می‌شوند که دارای ترکیبات قلیایی نظیر آلومینوسیلیکات ها، بوروسیلیکات، سیلیکات سرب و ترکیبات کریستالی هستند. به طور معمول ویسکوزیته لعاب باید کمتر از نوع عادی باشد تا در محدوده دمای کاری بتوان به راحتی از آن استفاده کرد.

یکی از نکات مهم در ساخت لعاب، تطابق ضریب انبساط حرارتی با زیرپایه است. لعاب های مورد استفاده در شیشه-سرامیک معمولا برای تولید پوشش های دارای ضریب انبساط حرارتی بسیار بالا یا بسیار پایین ساخته می‌شوند.

شیشه های آب بندی و اتصال

از این نوع برای آب‌بندی مذاب فلزات تولید می‌شوند و برحسب محدوده انبساط حرارتی فلز مرتبط دسته بندی می‌شوند. ضریب انبساط حرارتی این شیشه ها باید نسبت به فلزی که با آن در تماس هستند کمتر باشد. از این نوع برای استفاده در محیط‌های دما بالا یا پایین استفاده می‌شود.

شیشه های فسفاتی (Phosphate Glasses)

شیشه کلسیم فسفاتی فاز اصلی موجود در چینی استخوانی است. در تولید شیشه فسفاتی از عناصری مثل Zn, Mg Ca Ba یا  Na استفاده می‌گردد. استفاده از آلومینا باعث بهبود مقاومت در برابر بخار آب و کاهش ضریب انبساط حرارتی آن‌ها می‌شود. شیشه کلسیم فسفاتی از ترکیب اکسید فسفر، اکسید کلسیم و سیلیس تولید می‌شود.

شیشه کالکوژنایدی(Chalcogenide Glasses)

اهمیت این دسته به دلیل خاصیت نیمه‌رسانایی و قابلیت عبور اشعه مادون قرمز است. در تولید آن‌ها از موادی نظیر سولفور و سلنیم استفاده می‌شود. گرچه عناصر دیگری نظیر ژرمانیم، سیلیس، فسفر، آرسنیک، آنتیموان، بیسموت و در برخی موارد تیتانیوم، کادمیم و سرب نیز در تولید این شیشه‌ها دخیل هستند. از این دسته در تولید ابزاری نظیر ابزار حافظه، پرینتر، دوربین های مادون قرمز، تصویربرداری، حسگرهای شیمیایی و زیستی و… استفاده می‌گردد.

در پایان این مطلب فیلمی در خصوص فرایند تولید شیشه تهیه شده که توجه شما را به تماشای آن جلب می کنیم.