تئوری و تکنولوژی شیشه

تعداد بازدید: 3168
چهارشنبه 03 دي 1393

تئوری و تکنولوژی شیشه

شیشه (Glass) ماده ای است که تحت آزمایش پراش پرتو ایکس آمورف یا بی شکل است و از خود رفتار ویژه انتقال به حالت شیشه ای را بروز می دهد. این پدیده رفتاری است که یک فاز آمورف جامد هنگام حرارت دادن به نمایش گذاشته و در آن تغییرات کم و بیش ناگهانی برخی خواص (مانند ظرفیت گرمایی و ضریب انبساط حرارتی) از مقادیر خاص جامدات بلوری به مقادیر مخصوص به مایعات دیده می شود. دمای این تغییرات ناگهانی به دمای انتقال به شیشه یا Tg موسوم است.

انتقال به شیشه

ارتباط بین بلور، مایع و شیشه را می توان به وسیله یک نمودار نشان داد. با سرد کردن مایع از حالت اولیه A، حجم به صورت تدریجی و یکنواخت در امتداد خط AB کاهش می یابد. اگر سرعت سرد کردن آهسته باشد، در دمای {{انجماد}} Tf تبلور صورت می گیرد. در این دما حجم معمولا به صورت ناگهانی از نقطه B تا C کاهش می یابد. پس از آن با کاهش دما، حجم در امتداد خط CD کاهش خواهد یافت. اگر سرعت سرد کردن به اندازه کافی بالا باشد، عمل تبلور در دمای Tf انجام نخواهد شد، در این حالت حجم مایع ابر سرمایش یافته و در امتداد خط BE (در ادامه خط AB) به کاهش خود ادامه می دهد. مایع ابر سرمایش یافته، مایعی است که به زیر دمای انجماد رسیده ولی هنوز منجمد نشده و در نتیجه از نظر ترمودینامیکی در حالت فراپایدار قرار دارد. در دمای معینی که با Tg نشان داده می شود منحنی حجم – دما به صورتی محسوس تغییر شیب داده و تقریبا به موازات خط CD که مربوط به جامدات بلوری است، ادامه می یابد. Tg به دمای استحاله یا انتقال به شیشه موسوم است. در واقع شیشه حالتی از ماده است که در آن انرژی، حجم و آرایش اتمی حالت مایع حفظ می شود در حالی که نرخ تغییرات انرژی و حجم آن با دما و فشار، مشابه جامدات است.

 

تئوری ساختاری شیشه سازی

یکی از معروف ترین تئوری های ساختاری شیشه سازی، تئوری زاکازیاسن است که در ادامه مطرح می شود. به علت یکسان بودن خواص مکانیکی بلور و شیشه، نیروهای بین اتمی در یک شیشه اکسیدی باید مشابه بلور آن باشد. بنابراین، اتم های شیشه باید مانند بلور ها تشکیل شبکه های سه بعدی گسترده بدهند؛ ولی، الگوی پراش پرتو ایکس شیشه ها بر خلاف بلور ها فاقد خطوط مشخص است و این امر نشان دهنده عدم وجود تقارن و تناوب در ساختار شیشه است. ساختار شیشه دارای سلول واحدی بی نهایت بزرگ و دارای بی نهایت اتم است. به طور کلی قوانینی را که زاکاریاسن درباره اکسیدهای شیشه ساز مطرح کرد به این شرح است:

1- هیچ آنیون اکسیژنی نباید به بیش از دو کاتیون وصل شود.

2- تعداد اکسیژن های اطراف کاتیون باید کم باشد.

3- چند وجهی های اکسیژن باید فقط رئوس خود را به اشتراک بگذارند و نه یال ها و وجوه خود را.

4- حداقل باید سه راس هر چند وجهی به اشتراک گذاشته شود.

قوانین فوق پس از بررسی شیشه های پیچیده تر توسط زاکاریاسن به شکل زیر مطرح شد. یک شیشه اکسیدی در صورتی تشکیل می شود که:

1- نمونه حاوی درصد بالایی از کاتیون های دارای عدد همسایگی 3 یا 4 باشد (این کاتیون ها توسط مثلث ها یا چهار وجهی های اکسیژنی محاصره شده باشند)

2- این چهار وجهی ها یا مثلث ها تنها رئوس خود را به اشتراک بگذارند.

3- برخی اتم های اکسیژن تنها با دو کاتیون مرتبط باشند و اتصالات بیشتری با کاتیون های دیگر برقرار نسازند.

هنگامی که ساختار شیشه ها بر اساس مدل زاکاریاسن مورد بررسی قرار می گیرد، معمولا اصطلاح اکسید شبکه ساز، برای اکسیدی که بخشی از شبکه شیشه ای را می سازد به کار می رود و اصطلاح اکسید دگرگون ساز را، برای اکسیدی که قادر به این کار نیست. اکسید های واسطه نیز به اکسید هایی گفته می شود که بسته به شرایط بتوانند گاه شبکه ساز و گاه دگرگون ساز باشند.

فرمول عمومی یک شیشه اکسیدی را می توان به صورت AmBnO نوشت. که در این جا m و n معمولا اعداد صحیحی نیستند. علامت B معرف کاتیون های شبکه ساز و A معرف کاتیون های دگرگون ساز است. بر اساس نظر زاکاریاسن کاتیون های A که کاتیون های بزرگ با بار کم مانند Na+، K+، Ca2+، Ba2+ و Pb2+ هستند، در داخل حفره های نسبتا بزرگ ساختار شیشه قرار گیرند. برای ساختار هایی که از چهار وجهی ها تشکیل شده اند، اشتراک حداقل سه راس هر چهار وجهی لازم است و در نتیجه، در فرمول AmBnO، n در محدوده 0.33 و تا 0.5 خواهد بود.

تا پیش از انتشار مقاله زاکاریاسن تلاش جدی در راستای تعیین ساختار های شیشه های ساده توسط پراش اشعه ایکس انجام نشده بود. وارن با کمک مطالعات اشعه ایکس نتیجه گرفت که ساختار شیشه سیلیسی درست به گونه ای است که زاکاریاسن پیشنهاد کرده بود. شکل روبرو نمایشی دو بعدی از ساختار یک شیشه سیلیکات سدیمی را به روایت وارن ارائه می دهد.

این ساختار مبتنی بر شبکه پیوسته ای از چهار وجهی های SiO4 است که در آن یون سدیم به صورتی نامنظم و اتفاقی در حفره های بزرگ شبکه قرار می گیرند. بر خلاف سیلیس آمورف، در اینجا تمام اکسیژن ها به دو اتم سیلیسم وصل نمی شوند، زیرا با وارد شدن Na2O، اتم های اضافی اکسیژن وارد شبکه شده و نسبت اکسیژن به سیلیسیم افزایش می یابد. اتم های اکسیژنی که فقط به یک اتم Si وصل می شوند، معمولا اکسیژن های تک اتصال یا غیر پل ساز، خوانده می شوند.

نظریه زاکاریاسن بعدها مورد انتقادات زیادی قرار گرفت ولی با وجود این انتقادات این تئوری به مدت طولانی و به طور وسیع مورد قبول واقع شد. محدودیت های این تئوری اخیرا کاملا تشخیص داده شده زیرا، شیشه های اکسیدی زیادی ساخته شده اند که از قوانین زاکاریاسن پیروی نمی کنند.

 

تئوری سینتیکی شیشه سازی

امروزه تئوری سینتیکی شیشه سازی بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. تئوری سینتیکی شیشه سازی به این نکته اشاره می کند که تبلور یا عدم تبلور مایع در هنگام سرد شدن پیش از رسیدن به دمای Tg یک مسئله سینتیکی است که به سرعت جوانه زنی و رشد و سرعت خارج کردن انرژی حرارتی از سیستم بستگی دارد. تورنبال در مقاله مشهور خود اشاره می کند که می توان در هر دسته ای از مواد، اعم از کووالانسی، یونی، فلزی، واندوالس و هیدروژنی موادی با قابلیت شیشه سازی یافت. سرعت سرد کردن، میزان تمرکز جوانه ها و برخی از خواص ماده مانند کشش سطحی سطح مشترک بلور - مایع، {{انتروپی}} ذوب و غیره به عنوان عوامل موثر و مهمی هستند که توانایی مایعات مختلف را از نظر شیشه سازی تحت تاثیر قرار می دهند. در واقع در این نظریه این پرسش مطرح می شود که یک مایع باید با چه سرعتی سرد شود تا تبدیل به شیشه شود. در نتیجه، از نظر تئوری سینتیکی شیشه سازی، هر ماده ای می تواند تبدیل به شیشه شود به شرط این که با سرعت کافی سرد گردد.

برای این که مایعی در زیر دمای لیکوئیدوس به صورت جامد بلوری در نیاید یا به عبارت دیگر منظم نشود، باید سرعت تشکیل جوانه ها به قدری پایین باشد که در زمان داده شده فرصت منظم شدن یا تبلور به ماده داده نشود. ابتدا توجه محققان به سرعت {{رشد}} معطوف شد، در جدول زیر سرعت های تبلور برای مواد مختلف نشان داده شده است. این سرعت برای موادی که به آسانی شیشه ای می شوند، باید پایین ترین مقدار ممکن را داشته باشد. یکی از موارد قابل توجه در این جدول میزان گرانروی در نقطه ذوب است. بر اساس روابط موجود در مورد سرعت رشد و گرانروی، در مایعی که در نقطه ذوب گرانروی بالایی دارد، سرعت رشد بلور کم بوده و این ماده با سهولت بیشتری به صورت شیشه در می آید. سرعت سرد کردن مواد جدول زیر، بیش از حد بالاست و آن ها می توانند در عمل با سرعت سرد کردن بسیار کمتری به صورت شیشه در آیند، زیرا سرعت جوانه زنی این مواد اندک است. بنابراین آهسته بودن {{جوانه زنی}} یا رشد هر دو به شیشه سازی کمک می کنند.

سرعت تبلور و گرانروی مایعات شیشه ساز

لگاریتم گرانروی در نقطه ذوب

ماکزیمم سرعت تبلور (cm/s)

نقطه ذوب

ماده

7.36

2.2 ×10-7

1734

SiO2

5.5

4.2 ×10-6

1116

GeO2

6.7

1.5×10-7

580

P2O5

انواع شیشه های تجاری مهم

از مهم ترین شیشه های تجاری می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1- شیشه سیلیسی (یا SiO2 آمورف)

2- {{شیشه وایکور}} (Vycor)

3- {{شیشه های دوتایی SiO2-R2O}}  

4- {{شیشه های دوتایی SiO2-RO}}

5- {{شیشه های سیستم SiO2-Na2O-CaO}}

6- {{شیشه بوروسیلیکاتی}} مقاوم در برابر حرارت

7- {{شیشه کریستال}}

8- {{شیشه فتوکرمیک}}

9- {{شیشه اوپال}}

 

مواد اولیه صنعت شیشه

از مهم ترین مواد اولیه صنعت شیشه سازی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1- اکسید سیلیسیم که از کوارتز و ماسه یا ترکیبات غنی از اکسید سیلیسیم تامین می شود.

2- برات که از اسید بوریک، Na2B4O7 یا Na2B4O7.5H2O تامین می شود.

3- اکسید سدیم که از Na2Co3 تامین می شود.

   

4- اکسید پتاسیم که از K2CO3 یا KNO3 تامین می شود.

5- اکسید کلسیم که از کربنات کلسیم، دولومیت یا فلدسپات تامین می شود.

6- اکسید آلومینیوم که از Al2O3، Al2O3.3H2O یا فلدسپات تامین می شود.

تکنولوژی شیشه

کوره های ذوب شیشه برای ذوب مواد اولیه و تبدیل آن ها به شیشه مورد استفاده قرار می گیرند. برای تهیه انواع مختلف شیشه از کوره های متفاوتی استفاده می شود. کوره های ذوب شیشه را می توان به کوره های الکتریکی و احتراقی تقسیم بندی کرد. کوره های الکتریکی به طور گسترده در صنایع کوچک، و فایبرگلاس مورد استفاده قرار می گیرد. شکل روبرو نمایی از یک کوره ذوب شیشه را نشان می دهد.

روش های متفاوتی برای شکل دهی انواع مختلف شیشه وجود دارد که در ادامه برخی از آن ها معرفی خواهد شد.

 

1- روش فلوت:

امروزه شیشه های تخت به روش فلوت تهیه می شوند. این روش در سال 1950 معرفی شد. در ابتدا مواد اولیه، به صورت پیوسته به داخل کوره در دمای 1500 درجه سانتی گراد ریخته می شوند، ترکیب آن ها یکنواخت شده و برای حذف حباب ها تحت عملیات تصفیه قرار می گیرند. معمولا کوره حاوی 2000 تن شیشه مذاب است و در هر ساعت، 500 تن شیشه تولید می کند.

مذاب ویسکوز در دمای 1100 درجه سانتی گراد و تحت اتمسفر نیتروژن بر روی حمام قلع مذاب شناور می شود. در این شرایط ضخامت شیشه بدست آمده تقریبا 6 میلی متر است. برای تهیه شیشه های نازک تر یا ضخیم تر از غلتک استفاده می شود.

 

2- روش تهیه ظروف شیشه ای:

ظروف شیشه ای توسط روش هایی که در جدول زیر بیان شده، تولید می شوند.

فرآیند

محصول

پرس

ظروف آشپزخانه، کتری و گلدان، عدسی و آجرهای شیشه ای

ریخته گری گریز از مرکز

صفحات شیشه ای و تیوپ های کاتدی

دمش

 بطری

پرس و دمش

جام های شیشه ای  و شیشه لامپ

پرس-دمش و چرخش

جام های شیشه ای  و ابزارهای آزمایشگاهی

 
تمامی این فرآیندها با تهیه ترکیب و ذوب آن آغاز می شود و هنگامی که مذاب به دمای مطلوب رسد، یک لقمه داغ از شیشه مذاب به بخش شکل دهی فرستاده می شود. هنگامی که شیشه از کوره به بخش شکل دهی منتقل می شود، رنگی قرمز - نارنجی دارد. فیدر لقمه ها، وزن، دما و شکل لقمه را کنترل می کند. سرعت این فیدر ها می تواند 300 لقمه بر دقیقه باشد. تصویری از عملکرد یک فیدر در شکل زیر نمایش داده شده است.
 

- روش پرس:

در روش پرس، لقمه در داخل قالب قرار گرفته و فشار سمبه، موجب می شود تا شیشه تمام قالب را پر کند.
 

- روش پرس-دمش

این فرآیند امکان ایجاد گردنه های باریک بطری را ایجاد می کند و در این روش از سه قالب استفاده می شود. در روش پرس و دمش ابتدا لقمه تزریق می شود، سپس به داخل قالب فشرده می شود. سمبه به داخل قالب تزریق فشرده می شود  و انحنای گردنه بطری ایجاد می شود، سپس شیشه فرم داده شده به همراه سمبه به قالب دیگری فرستاده می شود و در آن جا با انجام دمش، فرآیند شکل دهی کامل می شود.

   

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

 واهاک مارقوسیان، شیشه: ساختار، خواص و کاربرد، دانشگاه علم و صنعت ایران، 1390.

 Bourhis, E. Glass, Wiley, 2008.

صفحه مهندسی مواد و متالورژی

مجله علمی ویکی پی جی

 

 

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است

شیشه از دید wikipedia.org

Glass is an amorphous (non-crystalline) solid material. Glasses are typically brittle and optically transparent. The most familiar type of glass, used for centuries in windows and drinking vessels, is soda-lime glass, composed of about 75% silica (SiO2) plus sodium oxide Na2O from soda ash, lime CaO, and several minor additives. Often, the term glass is used in a restricted sense to refer to this specific use. In science, however, the term glass is usually defined in a much wider sense, including every solid that possesses a non-crystalline (i.e., amorphous) structure and that exhibits a glass transition when heated towards the liquid state. In this wider sense, glasses can be made of quite different classes of materials: metallic alloys, ionic melts, aqueous solutions, molecular liquids, and polymers. For many applications (bottles, eyewear) polymer glasses (acrylic glass, polycarbonate, polyethylene terephthalate) are a lighter alternative to traditional silica glasses...more

شیشه از دید publicbookshelf.com

Glass is a combination of sand, flint, spar, or some other silicious substances, with one or other of the fixed alkalies, and in some cases with a metallic oxide. Of the alkalies, soda is commonly preferred; and of the silicious substances, white sand is most in repute at present, as it requires no preparation for coarse goods, while mere washing in water is sufficient for those of a finer quality. The metallic oxide usually employed, is litharge, or some other preparation of lead. Iron is used in bottle-glass. The silicious matter should be fused in contact with something called a flux. The substances proper for this purpose are lead, borax, arsenic, nitre, or any alkaline matter. The lead is used in the state of red-lead; and the alkalies are soda, pearlash, sea-salt, and wood-ashes. When red-lead is used alone, it gives the glass a yellow cast and requires the addition of nitre to correct it. Arsenic, in the same manner, if used in excess, is apt to render the glass milky. For a perfectly transparent glass, the pearlash is found much superior to lead; perhaps better than any other flux, except it be borax, which is too expensive to be used, except for experiments, or for the best looking-glasses...more

شیشه از دید breakglass.org

There are a few main ingredients used in glass making plus many additives for particular properties. Sand or Silica: The main ingredient of glass making is Silica, which as a very high melting point of over 2,000 deg C. It is possible to make highly specialised products from just silica such as halogen lamps or one of the materials in fibre optic cables. This is because it has such a high melting point and is stronger than normal glass. Sodium Carbonate: Sodium Carbonate lowers the melting point of Silica to about 1,000 deg C and is therefore added to make the process more efficient. The Sodium Carbonate will, however, cause the finished glass to be water soluble which is not desirable in glass making. Sodium Carbonate was originally found in the ash of certain plants – soda ash – but is now commonly produced from table salt. Lime or Calcium Oxide: Calcium Oxide is extracted from limestone and counters the effects of the Sodium Carbonate making the glass non-soluble in water. Magnesium Oxide and Aluminium Oxide can also be used to enhance the properties of the glass.These ingredients, along with other ingredients, are carefully weighed and mixed together to form ‘batch’. The batch is placed in a furnace with cullet (recycled glass) where it melts and can be used for the production of glass products...more

تئوری شیشه
تکنولوژی شیشه
شیشه
برچسب ها: شیشهسرامیک
هفدهمین نمایشگاه بین المللی تجهیزات پزشکی، دندان پزشکی، دارویی و آزمایشگاهی تبریز 97
هفدهمین نمایشگاه بین المللی تجهیزات پزشکی، دندان پزشکی، دارویی و آزمایشگاهی تبری ...بیشتر
بیستمین نمایشگاه بین المللی صنعت مشهد 97
نمایشگاه بین المللی صنعت مشهد 97   عنوان: بیستم ...بیشتر
نمایشگاه ساختمان، تاسیسات و تجهیزات سرمایشی و گرمایشی، کاشی و سرامیک، چینی، شیرآلات بهداشتی و ساختمانی بجنورد 97
نمایشگاه ساختمان، تاسیسات و تجهیزات سرمایشی و گرمایشی، کاشی و سرامیک، چینی، شیرآ ...بیشتر
دریافت نشان عالی ارزش آفرینی ملی شرکت پاکمن در پنجمین کنگره برند ملی، اقتدار ملی
حضور پاکمن و دریافت نشان عالی ارزش آفرینی ملی شرکت پاکمن در پنجمین کنگره برند مل ...بیشتر
پاکمن; حامی دومین کنفرانس بین المللی نقش مهندسی مکانیک در ساخت و ساز شهری
پاکمن; حامی دومین کنفرانس بین المللی نقش مهندسی مکانیک در ساخت و ساز شهری که در ...بیشتر
دوازدهمین نمایشگاه ساختمان، تاسیسات و سیستم های سرمایشی و گرمایشی شهرکرد 97
دوازدهمین نمایشگاه ساختمان، تاسیسات و سیستم های سرمایشی و گرمایشی شهرکرد 97 & ...بیشتر
هجدهمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان تهران 97
هجدهمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان تهران 97   ...بیشتر
هفدهمین نمایشگاه بین المللی تاسیسات ساختمان و سیستم های سرمایشی و گرمایشی تهران 97
هفدهمین نمایشگاه بین المللی تاسیسات ساختمان و سیستم های سرمایشی و گرمایشی تهران ...بیشتر
شانزدهمین نمایشگاه ساختمان کرمان 97
شانزدهمین نمایشگاه تخصصی ساختمان کرمان 97   عنوان:&n ...بیشتر
هفدهمین نمایشگاه صنعت ساختمان و صنایع وابسته مازندران 97
بیستمین نمایشگاه صنعت ساختمان و صنایع وابسته مازندران 97   ...بیشتر
تقویم نمایشگاه های بین المللی سال 1397
نمایشگاه به عنوان يكی از مهمترين بخش های تجاری و اقتصادی ایران با بهره مندی از ف ...بیشتر
راندمان بویلر
شاخص های مؤثر در محاسبات راندمان بویلر، یکی از اساسی ترین ضوابط مؤثر در ارتقا سط ...بیشتر
کتاب موتورخانه بخار شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: موتورخانه بخار/ ق ...بیشتر
مقررات ملّي ساختمان ايران مبحث نوزدهم
دانلود فایل PDF مقررات ملی ساختمان ایران-مبحث نوزدهم-صرفه جویی در مصرف انرژی ...بیشتر
راه اندازی سختی گیر نیمه اتوماتیک رزینی
دستور العمل راه اندازی سختی گیر های نیمه اتوماتیک رزینی سختی گیرهای رزینی از ...بیشتر
جانمایی بویلر در موتورخانه
براي عملکرد مناسب بويلرها و تجهيزات وابسته بايد فضاي کافي را در موتورخانه به آن ...بیشتر
کتاب انتخاب بویلر شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: انتخاب بویلر/ قرب ...بیشتر
مراحل آموزش و نگهداری دیگ های بخار سیار
مقدمه از دیرباز استفاده از تجهیزات مولد بخار در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت ...بیشتر
معرفی کتابچه دیگ آبگرم شرکت پاکمن
راه اندازی آموزش و بهره برداری از   Hot Water Boilers   ...بیشتر
معرفی کتابچه موتور خانه استخر
نام مقاله: کتابچه موتور خانه استخر نام نویسنده: دپارتمان پژوهش شرکت پاکمن ...بیشتر
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار براي استفاده بهينه از بویلر ...بیشتر