محتويات
المكون الأساسي للزجاج
المكون الأساسي للزجاج هو مادة السيليكا أو التي تُعرف كذلك باسم الرمال الصناعية، والتي تُعد أكثر المكونات من حيث الأهمية في صناعة الزجاج، ويقوم رمل السيليكا بتوفير ثاني أكسيد السيليكون الرئيسي (SiO2) اللازم في تركيب الزجاج، وذلك هو الذي يجعل السيليكا المكون الرئيسي في كافة أنواع الزجاج القياسي والمتخصص، في حين أن صناعة الزجاج تتطلب مجموعة مُتعددة من العناصر المختلفة، ولكن السيليكا تُمثل أكثر من 70٪ من وزنه النهائي، والنقاوة الكيميائية الخاصة بها هي المحدد الأساسي للون والوضوح وقوة الزجاج المصنوع.
وفي صناعة الزجاج يوجد احتياجات ومتطلبات بحيث تكون السيليكا كالتالي:
- نقية كيميائيًا أي تتكون من أكثر من 98٪ SiO2.
- قطرها يكون بحجم حبيبات تتراوح بين 0.075 مم و 1.18 مم.
- اللون ينبغي أن يشتمل على بين 0.025٪ و 0.04٪ Fe2O3.
وتلك الاحتياجات محددة جدًا وتقنية، وهذا لأن السيليكا لا بد وأن تكون صلبة وتستطيع أن تُقاوم درجات الحرارة المرتفعة وتُحافظ على شكل ثابت كمنتج نهائي.
والرمل الصناعي يُعتبر من الأمور الحيوية للكثير من نواحي الحياة المتنوعة، وذلك يشتمل على بناء المباني، وتُستخدم مادة السيليكا في صناعة الزجاج المسطح الذي يوجد بالمباني في كافة أنحاء العالم، وبالرغم من ذلك فإن تصنيع الزجاج لا يُوفر مواد البناء فقط، بل يُتيح كذلك صناعة الزجاج الأمامي والنوافذ الخاصة بصناعة السيارات، فضلًا عن أنه يتم استخدام الرمال الصناعية داخل عبوات زجاجية من أجل الطعام والمشروبات وأدوات المائدة.
والسيليكا المطحونة تُعتبر هامة في إنتاج الألياف الزجاجية العازلة، وتقوية الألياف الزجاجية، ومن الأمثلة على تطبيقات الزجاج المتخصصة: أنابيب الاختبار، الأدوات العلمية الأخرى، المصابيح المتوهجة والفلورية، التلفزيون، شاشات الكمبيوتر CRT، وتقوم الكثير من الصناعات على صناعة الزجاج. [1]
ماهي المادة الخام في صنع الزجاج
إن عنصر الزجاج يكون عبارة عن مادة صلبة لونها شفاف، يتم استخدامه في الكثير من المُنتجات التي يتم استخدامها بصورة يومية، و المادة الخام في صنع الزجاج تتمثل في (الرمل، رماد الصودا، الحجر الجيري)، والتي تُصهر في درجات حرارة مرتفعة للغاية حتى يتكون عنها مادة جديدة وهي الزجاج، وفي درجات الحرارة العالية يكون الزجاج مُتشابهًا من الناحية الهيكلية مع السوائل، في حين أنه وفي درجات الحرارة المحيطة يكون مثل المواد الصلبة، وينتج عن هذا أنه من الممكن أن يتم سكب الزجاج، نفخه، ضغطه وتكوينه بأشكال كثيرة ومتنوعة.
التركيب البنائي للزجاج
إن الزجاج عبارة عن مجموعة مُميزة من المواد الخزفية المحددة بصورة أساسية بواسطة التركيب الذري الخاص بها، ولا يُظهر الزجاج التركيب البلوري المرتب لغالبية الأنواع الأخرى من السيراميك، إلا أنها بديلًا عن هذا فلها بنية ليست متبلورة كثيرة الاضطرابات، وذلك يُعطيه سمات تختلف كثيرًا عن السيراميك البلوري الآخر. [3]
والزجاج الذي يُستخدم كثيرًا هو زجاج السيليكات الذي يُصنع من مادة السيليكا SiO2، وتتشكل السيليكا من شبكة ثلاثية الأبعاد من رباعي الأسطح إذ تتشارك كل ذرة أكسجين بالزاوية مع رباعي الوجوه المجاور، ويتم دمج وحدة سيليكا رباعية السطوح كذلك في سلاسل وصفائح (طين)، لصنع سيراميك مختلف.
ومن المُمكن صناعة السيليكا النقية كزجاج، ويُطلق عليها اسم السيليكا المنصهرة، والزجاج يُعد مادة تقوم بالتصلب وتصير صلبة من غير أن تتبلور، وذلك ما يجعلها غير متبلورة، ومن الجدير بالذكر أن زجاج السيليكا من أكثر الزجاج المُستخدم.
أما عن الأكاسيد التي تقوم بتشيكل الزجاج يُطلق عليها اسم (صانعي الشبكات)، ومن الأمثلة الشائعة عليه هي SiO2 و B2O3 و GeO2 و P2O5.
ومن الممكن أن تُضاف أكاسيد مُحددة أخرى لكي تحل محل ذرات Si في هيكل رباعي السطوح، وتصير تلك الأكاسيد أحد أجزاء الشبكة وتعمل كعامل استقرار.
وتلك الأكاسيد تُعرف باسم المواد الوسيطة، وبأحد الطرق التي تُماثل معدلات الشبكة فتقوم بتقليل نقطة الانصهار ولزوجة الزجاج، وذلك ما يقوم بالسماح لها بأن تعمل في درجات حرارة قليلة، ومن الأمثلة الشائعة للمواد الوسيطة هي TiO2 و ZnO و PbO و Al2O3.
كيفية صناعة الزجاج من الرمل
إن أحد أهم مراحل صناعة الزجاج هي مرحلة تسخين الرمال العادية والتي غالبًا ما تتكون من عنصر ثاني أكسيد السيليكون، ولكي يحدث الذوبان والتحول إلى مادة سائلة، وذلك لا يحدث على شواطئ البحر نظرًا لأن الرمال تذوب عند درجة حرارة مرتفعة جدًا تصل إلى 1700 درجة مئوية (3090 درجة فهرنهايت).
وحينما تصبح الرمال المنصهرة باردة، فإنها لا ترجع مرة ثانيةً إلى المادة الصفراء التي كانت عليها سابقًا إذ أنها يحدث لها تحويل كامل وتكتسب بنية داخلية مختلفة بشكل تام، في حين أنه لا يكون من الهام مقدار تبريد الرمال، فهي لا تتحول إلى مادة صلبة بصورة تامة، ولكن تصبح كنوع من السوائل المجمدة أو ما يقوم العلماء بالإشارة إليه على كونه مادة صلبة ليست متبلورة، فهو بمثابة تقاطع بين مادتي أحداهما صلبة والأخرى سائلة مع بعض الترتيب البلوري لمادة صلبة وبعض العشوائية الجزيئية للسائل. [4]
أول من صنع الزجاج من الرمل
إن أول زجاج من صنع الإنسان وبناءً على البحث الذي اُستخدم في إنشاء “تطور الطباعة في الجدول الزمني للزجاج” كان على هيئة خرز، وهناك احتمال أن يكون تم صنعه بقبيل الصدفة، وقد كان صُنعه بواسطة المصريين القدماء وبلاد ما بين النهرين خلال إنشاء الخزف منذ 3500 عام قبل الميلاد، والخزف يتشابه مع تزجيج السيراميك وقد كان موجودًا منذ 4000 عام قبل الميلاد.
أما عما إذا كان المصريون هم أول من عرفوا أن الرمال المنصهرة هي وصفة الزجاج فلم يتم الجزم على ذلك، إذ أن وصفة “الأزرق المصري” (خليط التزجيج الأزرق) هو أول المواد التي تتشابه مع الزجاج والتي تم استخدامها في لوحات المقابر منذ 2600 عام قبل الميلاد، ولكنه يكون عبارة عن خليط من المعدن الزجاجي الذي صُنع من (الكوارتز، الجير، مركب نحاسي، تدفق قلوي)، والتي تم تسخينها كلها حتى درجة حرارة تتراوح بين 850 و 1000 درجة مئوية. [5]
