كيف يتم تصنيع الزجاج

يتكون الزجاج

الزجاج عبارة عن مادة متعددة الاستخدامات تتكون أساسًا من السيليكا (ثاني أكسيد السيليكون)، والتي يتم استخلاصها عادةً من الرمل. السيليكا هي العنصر الرئيسي الذي يمنح الزجاج شفافيته وقوته. ومع ذلك، لجعل الزجاج عمليًا ومتينًا، يتم إضافة مواد أخرى:

رماد الصودا (كربونات الصوديوم): يقلل من درجة انصهار السيليكا، مما يجعل عملية الإنتاج أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

الحجر الجيري (كربونات الكالسيوم): يعزز متانة الزجاج ومقاومته للماء، ويمنعه من التحلل.

الألومينا (أكسيد الألومنيوم): غالباً ما يتم إضافته لزيادة مقاومة الزجاج للخدوش والتآكل الكيميائي.

بالإضافة إلى هذه المكونات الأساسية، فإن النسب المحددة وجودة المواد يمكن أن تؤثر بشكل كبير على المنتج النهائي. على سبيل المثال، يمكن أن تؤثر الاختلافات في نقاء السيليكا على وضوح ولون الزجاج، في حين أن الكميات الدقيقة من رماد الصودا والحجر الجيري يمكن أن تحدد استقراره الحراري والكيميائي. تضمن هذه التركيبة الدقيقة أن يلبي الزجاج متطلبات التطبيقات المختلفة، من الحاويات اليومية إلى الاستخدامات الصناعية المتخصصة.

يتم صهر هذه المكونات معًا عند درجات حرارة عالية لتكوين الزجاج المنصهر، والذي يتم بعد ذلك تشكيله إلى منتجات مختلفة. اعتمادًا على التطبيق، يمكن إدخال إضافات أخرى مثل أكاسيد المعادن لتلوين الزجاج أو تحسين خصائص معينة.

تقسيم الزجاج إلى نوعين

العادي أي زجاج الصودا والجير والسيليكا، والزجاج النوعي،

 فالزجاج العادي هو الأكثر إنتاجا ويتكون من الرمل (أو السيليكا التي هي أكثر نقاوة من الرمل) والجير والصودا.

والسيليكا المنصهرة وحدها تنتج زجاج ممتاز، لكنها تنصهر عند حوالي 1700 درجة مئوية أي أن إنتاج الزجاج بهذه الطريقة مكلف، لذلك فهذه الطريقة تقتصر على إنتاج الزجاج المتوجب فيه درجة أفضل من الخمول الكيميائي والقدرة على تحمل الصدمات الحرارية أو في إنتاج أغراض البصريات وتستعمل الصخور الكريستالية بدل كوارتز الرمل لإنتاج هذا النوع.

أما في حالة الزجاج العادي فان السليكا (أو الرمل) يضاف إليها مُسهّل صهر لتخفيض درجة الحرارة اللازمة لصهر المزيج، لهذا فإن الصودا تستعمل لتسهيل الصهر حيث أنه بإضافة 25 بالمئة من الصودا إلى السيليكا تكون درجة انصهار المزيج عند 850 درجة مئوية بدل 1700 درجة مئوية، لكن الزجاج الناتج منهما لا يصمد في الماء بل يذوب ولذلك يسمى زجاج الماء، وهنا يكمن دور إضافة الجير، فبإضافة الجير إلى مزيج السيليكا والصودا نحصل على زجاج لا يذوب في الماء بينما تكون درجة حرارة صهر المزيج ليست عالية جدا، لكن إضافة كمية كبيرة من الجير تجعل الزجاج الناتج سهل التفتت.

يمكن تقسيم الزجاج من حيث تركيبه الكيميائي إلى ثلاثة أنواع:

زجاج الصودا والجير: ويشكل ما يزيد عن 90% من الزجاج المستخدم: حيث يحتوي على أملاح الصوديوم وكربونات الصوديوم بنسبه عالية.

الزجاج الرصاصي الكريستال: وهو زجاج براق، عالي الكثافة وذو معامل انكسار عالي للضوء، يستخدم في صناعة التحف والإكسسوارات والثريا وكان يستخدم قديما في حفظ الطعام والشراب ونظراً لتفاعل الرصاص مع المواد الغذائية توقف استخدامه لخطورته على صحة الإنسان.

الكوارتز (زجاج السيليكا): ويحتوي على السيليكا بنسبه96% مما يجعله يحتاج إلى درجات حرارة عالية لتصنيعه، يتميز بمقاومة عالية لدرجات الحرارة، مما يجعله مناسباً لصناعة موازين الحرارة والأفران

كما يمكن تقسيم الزجاج أيضاً من حيث المعالجة الفيزيائية إلى نوعين:

الزجاج الملدن:

الزجاج المُقسّى: حيث يسخن إلى درجة حرارة معينة ثم يبرد بشكل سريع عن طريق تعريض سطح الزجاج لتيارات هواء بارد. لذا فهو يتميز عن الزجاج الملدن العادي بما يلي:

-*يمكن للزجاج المقسّى تحمل صدمات ميكانيكية أشدّ ممّا يتحمله الزجاج الملدن العادي بـ 5 - 7 مرات. وعندما يتكسر الزجاج نتيجة صدمة شديدة، يتحول إلى عدد كبير من الشظايا صغيرة التي لا تجرح ولا تؤذي أحداً (لهذا السبب يسمى هذا الزجاج زجاج أمان مُقسّى). وخلافا للزجاج المقسى، فإن الزجاج العادي يتناثر عند تكسره إلى شظايا حادة جارحة بالغة الضرر.

-* كما يمكن للزجاج المقسَّى تحمل فرقا كبيرا بين درجات الحرارة الداخلية والخارجية، تصل إلى 300 درجة مئوية، في حين لا تتجاوز هذه الفروق 70 درجة مئوية في الزجاج العادي الملدن، مما يعرضها للكسر مباشرةً.

.وهناك أنواع من الزجاج تستخدم في الصناعات الميكروية كالزجاج الحساس للضوء.

البرسبكـس

هو مكثور (polymer) الميثيل ميثاكريليت، اسمها التجاري (في الولايات المتحدة) هو «لوسايت»، كما يوجد له اسم تجاري آخر هو «بليكسي غلاس». ويتميز البليكسي جلاس بخواص بصرية ممتازة، وهي ملائمة لصنع النظارات والعدسات وعدسات الكاميرات. كما تستخدم في الإعلانات الضوئية الموجودة في الشوارع، ويصنع منها زجاجا شديد التحمل للصدمات بحيث يصلح لتأمين السيارات.

زجاج الأمان

رافق التطور التكنولوجي وبشكل دائم ما يسمى بعوامل الأمان التي من شأنها حماية العمال والعمل بآن واحد، والزجاج مادة خطرة ونتائج استخداماتها أثبتت خطورتها وخاصة أن الزجاج بشكل عام يتحطم إلى قطع كبيرة وحادة الأطراف قادرة على إيذاء الشخص كيفما كان وضع الحادث، لذلك كانت الغاية من زجاج الأمان هي تقليل خطورة الزجاج وجعله يتحطم على شكل أجزاء صغيرة وناعمة غير حادة ومتلاصقة دون أن تتناثر في أرجاء مكان الحادث.

ويصنع زجاج الأمان بإحدى طريقتين، وضع طبقة لدائنيه «بلاستيكية» رقيقة بين لوحين زجاجيين، أو تقوية ألواح الزجاج عن طريق معالجتها بالصدمة الحرارية. ولقد كان الكيميائي الفرنسي إدوار بنيديكتوس أول من صنع زجاج الأمان، وذلك حين ركب عام 1909 م رقاقة من السليولويد بين لوحين من الزجاج. وقد استخدم زجاج الأمان في الواجهات الواسعة التجارية وفي مجال واسع في عالم السيارات حيث كانت حوادث السير تحصد الكثير من الأرواح بسبب الزجاج.

هناك عناصر ومركبات كيميائية ضرورية موازنة في عملية تصنيع الزجاج بأشكاله وأنواعه المعروفة بحسب الاستخدام، من أهمها:

الجير: هو عبارة عن كربونات الكالسيوم على شكل حجري ويضاف إلي الخلطة الزجاجية بعد طحنه لإكساب الزجاج بعض الخواص . ويستخدم جير الكالسيوم والدولوميت بكميات كبيرة مع الرمل وكربونات الكالسيوم.

2- أكسيد الرصاص: يعتبر من المكونات الرئيسية لأنواع الزجاج الظراني الذي يتميز بمعامل انكسار عال للضوء، وعادة ما تشتمل على نسبة كبيرة من البوتاس (يعطي للزجاج بريقاً ولمعاناً وفي نفس الوقت مقاوم للكهرباء والحرارة).

3- أكسيد البوريك: يخفض من درجة لزوجه السيليكا دون أن يزيد من تمددها الحراري، ومع إضافة كمية قليلة من أكسيد الألمونيوم يحافظ على شفافية الزجاج، ويجعله أكثر مقاوما للحرارة (البايركس)، وهي تستخدم في صناعة أدوات المخابز وأجهزة المختبرات والأنابيب الصناعية لقدرتها على مقاومة التغيرات المفاجئة في درجات الحرارة وتحملها للمواد الكيميائية.

4- أكسيد الألمونيوم والجير: يستخدم هذا الخليط بنسبة كبيرة في الزجاج مع (10%) من أكسيد البوريك وقليل من القلويات لصناعة الزجاج الليفي.

خطوات صنع الزجاج

1. الصهر والتكرير

يعتبر الذوبان والتكرير مرحلتين محوريتين في العملية المعقدة عملية تصنيع الزجاج حيث تتحول المواد الخام إلى زجاج منصهر، جاهز للتشكيل والقولبة بأشكال مختلفة. من أجل نقل اللون إلى الزجاج، يتم أيضًا خلط بعض أكاسيد المعادن في الدفعة.

2. صب وتشكيل

يعتبر الذوبان والتكرير من المراحل المحورية في العملية المعقدة صناعة الزجاج حيث تتحول المواد الخام إلى زجاج منصهر جاهز للتشكيل والقولبة بأشكال مختلفة. يشمل إنتاج الزجاج كل من تقنيات القولبة الآلية والقولبة اليدوية.

تشمل طرق القولبة اليدوية النفخ والرسم والضغط وتشغيل المصابيح.

نفخ: باستخدام أنبوب نفخ مصنوع من سبائك النيكل، يتم التقاط كرة من الزجاج ونفخها أثناء قلبها في القالب. هذه التقنية مثالية لتشكيل الفقاعات الزجاجية، زجاجات زجاجية, الجرار الزجاجيةوالكرات والكؤوس والعدسات.

رسم: بعد نفخ الفقاعات الصغيرة، يقوم عامل آخر بربطها بلوحة علوية. يقومون معًا بنفخ وسحب الزجاج، الذي يستخدم عادة لصنع الأنابيب أو القضبان الزجاجية.

التنظيف الجاف: يُلتقط الزجاج على شكل كرة، ويُقطع بالمقص، ويُترك ليسقط في قالب مقعر. ثم يتم ضغطه بالقالب لتشكيل عناصر مثل الأكواب والأطباق.

المصباح: تتضمن هذه الطريقة استخدام قضبان زجاجية ملونة كمادة أولية. يؤدي تسخين القضبان بالأكسجين والغاز المسال إلى ذوبانها بسرعة. يقوم المشغلون بعد ذلك بتشكيل الزجاج المنصهر باستخدام أدوات صغيرة مثل الكماشات والشفرات. تنتج شركة Lampworking مجموعة متنوعة من المنتجات بما في ذلك المجوهرات والحلي، الشمعداناتوإطارات الصور التي تتميز بأشكالها الفريدة وألوانها النابضة بالحياة ووضوحها الرائع.

3. التلدين: القضاء على الضغوط الداخلية

بعد ذلك، من أجل إزالة الضغوط الداخلية المتراكمة في الزجاج، تتم عملية تسمى التلدين. بعد ذلك، لإزالة الضغوط الداخلية المتراكمة في الزجاج، تتم عملية تسمى التلدين.

لماذا يجلب التوتر الداخلي؟ أثناء عملية التشكيل، يتعرض الزجاج لتقلبات كبيرة في درجات الحرارة وتغيرات في الشكل، مما يؤدي إلى الإجهاد الحراري داخل المادة. يمكن أن يؤدي هذا الإجهاد الحراري إلى التأثير على قوة المنتج الزجاجي وثباته الحراري. يزيد التبريد المباشر بعد التكوين من خطر الكسر التلقائي أثناء مرحلة التبريد أو أثناء التخزين أو النقل أو الاستخدام بعد ذلك. تسمح عملية التلدين للشريط الزجاجي بالمرور عبر طبقة تزيل أي ضغوط على سطح الزجاج وتبرده تدريجيًا لإعطائه شكله النهائي المتصل