زجاج مؤكسد ومختزل ، وملونات ، والمزيد

مقدمة في الزجاج الملون

الزجاج
هو الصلبة غير متبلور تتألف من ثاني أكسيد السيليكون في الغالب (SiO₂، السيليكا) جنبا إلى جنب مع إضافات لتعديل اللون والقوة والأداء الحراري للمنتج. لتحقيق لون معين من الزجاج، يمكن إضافة مركبات معدنية انتقالية مختلفة. كان الزجاج الملون موجودًا منذ العصر الروماني على الأقل ، عندما وجد أن الزجاج الذي يعود تاريخه إلى القرن الرابع في الجليل له ألوان تتراوح بين الأزرق الشاحب إلى الأخضر إلى العنبر - مع الألوان الناشئة عن كروموفور كبريتيد الحديد (1).

النظارات المؤكسدة والمخفضة هي المصطلحات التي غالبا ما تستخدم ولكن لا يفهم إلا قليلا. باختصار ، يمكن استخدام مختلف الإضافات القائمة على الكبريت في تصنيع الزجاج ، وإذا كان الكبريت في حالة مؤكسدة مثل الكبريتيد ، فإن الزجاج يشار إليه باسم "الزجاج المؤكسد". وعلى العكس من ذلك ، فإن "الزجاج المخفض" هو عندما يكون الكبريت موجودًا في الحالة المخفضة ، مثل الكبريتات. لا يرتبط التّويّف المُختزل/المؤكسد على الإطلاق بمحتوى السيليكا للزجاج.

يتم تحديد لون الزجاج من خلال تركيز وهوية وتوازن الأكسدة لمركبات الكبريت والخواض (المعادن الانتقالية المذكورة أعلاه ، بما في ذلك الحديد ، على سبيل المثال) ، يؤدي التلاعب بهذا التوازن إلى ألوان مختلفة في الذوبان وبالتالي المنتج النهائي (2).

هذه المادة سوف تتعامل فقط مع نظارات السيليكات.

لماذا الزجاج الملون؟

قد يكون الزجاج ملونًا لأسباب متنوعة ، من طلب لون متميز لتقديم منتج أو الإعلان عنه بشكل أفضل ، إلى توفير محتويات الزجاج مع الحماية من الأشعة فوق البنفسجية ، بالإضافة إلى أغراض زخرفية بحتة. الزجاج الملون ، كما هو الحال في المعنى التقليدي ، يستخدم بشكل رئيسي فقط لزجاج الحاويات ، ولكن تم استخدام بعض الإضافات إلى زجاج الصفائح على مر السنين التي تعدل اللون من الواضح بشكل طفيف.

العنبر / الزجاج البني

هوى مميزة من الزجاج العنبر، وجدت في كل مكان من زجاجات البيرة إلى الجرار الطب، ويرجع ذلك إلى الكروموفور العنبر. يتكون هذا الكروموفور من الحديد الحديدي الحديدي ، Fe^{3 +}، رباعي التشعب المنسق بثلاثة ليغاند أكسجين وكبريتيد واحد. ولذلك فإن توازن الأكسدة أمر حاسم: للحد من البيئة ويمكن أن يكون هناك الحديد الحديدي الحديدي غير كاف (كما تم تحويله إلى الحديد الحديدي) والكبريتيد الزائد؛ إذا كانت البيئة مؤكسدة جدا، سيكون هناك فائض من الحديد الحديدي الحديدي وغير كافية موجودة. من الضروري معرفة توازن الحديد الحديدي إلى الحديد الحديدي في الذوبان ، والغلاف الجوي داخل الذوبان وفوقه ، ونسبة مركبات الكبريت. بالإضافة إلى المكونات المادية، يمكن أن تؤثر درجة حرارة الذوبان نفسها على لون ونقل زجاج العنبر (3). في كثير من الحالات ، يمكن تحقيق تلوين العنبر الداكن مع إضافة صغيرة من
أكسيد النحاس
إلى الذوبان.

أكسيد الحديد الأحمر

ميزة استخدام
أكسيد الحديد
كصبغة هو أنه يضيف تلوين العنبر، من الكروموفور الحديد العنبر المذكورة أعلاه، ومع ذلك فإنه لا يضيف مكونات أخرى إلى الذوبان. بل هو المضافة أكسدة، وبالتالي سوف تتحرك عدد الأكسدة إلى الجانب التأكسدي، المرتبطة العنبر والنظارات الملونة البني. يستخدم أكسيد الحديد بشكل روتيني لزيادة محتوى الحديد في النظارات التي تعاني من نقص الحديد، مثل تلك التي يمكن أن تحدث في بعض الأحيان مع البيريت.

البيريت

البيريت هو واحد من الخامات الأكثر شيوعا من الحديد، وبالتالي فهو مصدر غير مكلفة نسبيا من الحديد لصنع الزجاج. كصبغة ، يتم إضافة البيريت إلى الزجاج يذوب لإنتاج وتلوين العنبر (4) ، واستخدامه يوفر للزجاج مقاومة للأشعة فوق البنفسجية ، وامتصاص الضوء بشكل فعال في نظام دون 450 نانومتر. وهذا يجعل زجاج العنبر البيريت مناسبة بشكل خاص للمواد الغذائية والأدوية والمواد الكيميائية المختبرية. على عكس أكسيد الحديد، يوصف البيريت بأنه مادة مضافة مُخفضة.

زجاج اخضر

الزجاج الأخضر هو اختيار اللون الأكثر شعبية أخرى للزجاج، ومعظمها كأس حاوية للبيرة والنبيذ والماء الفوار. الحديد والكروم هي المسؤولة أساسا عن التلوين الأخضر، وباستخدام
دقيق الكروم (مسحوق الكروم، الكروم)

وبيريت الحديد
في الحفل، ويمكن إنتاج مجموعة واسعة من الأشكال الخضراء، من الزمرد الأخضر على طول الطريق من خلال لfeuille مورتي أو ألوان ورقة القتلى.

جورجيا الخضراء (هوى الشهيرة المرتبطة زجاجات كوكا كولا) والزمرد الأخضر يتم إنتاجها باستخدام أساليب الأكسدة، وذلك باستخدام كل من البيريت والكروميت، في حين يتم تصنيع جميع ظلال أخرى من الأخضر عادة باستخدام طرق الحد. وتستخدم ما يصل إلى ستة كيلوغرامات من الكروميت لكل طن متري من الرملي للزجاج الأخضر الزمرد (5). استخدام دقيق الكروم هو الأفضل للطريقة القديمة لتحقيق مثل هذه المستويات الأكسدة العالية، ثنائي كرومات البوتاسيوم. ثنائي كرومات البوتاسيوم هو سام وبالتالي خطير للتعامل معه.

ما هو دقيق الكروم وكيف يتم استخدامه في الحياة اليومية

بالنسبة لجورجيا الخضراء ، يتم استخدام كمية من الكروميت لا يزيد عن 10 مما يمكن استخدامه للزجاج الأخضر الزمرد. Feuille morte الزجاج الملون هو آخر البيريت والكرومالهجين، حيث يتم استخدام دقيق الكروم والبيريت في نسبة 1:2 (أي 1 كجم دقيق الكروم و 2 كجم البايريت لكل طن متري من الرملي).

زجاجات خضراء على خط التجميع، ملونة بالكروميت الحديدي

الجدير بالذكر هو تاريخ الكروميت كصبغة زجاجية ، ظهرت في عام 1849 ، بعد حوالي خمسين عامًا من استخدامه كصبغة الصقيل. طبيعة الكروميت كمادة الحراري منعها إلى حد ما من استخدامها في النظارات، ولكن التوازن الأمثل لحجم طحن ودرجة الحرارة يضمن اعتماده على نطاق أوسع (6).

نظارات زرقاء وحمراء وسوداء

تم استخدام الزجاج الأحمر المبهم منذ العصر المصري ، ومنذ ذلك الحين تم تطويره في العصر الحديدي البريطاني ، تم تشكيله في الغالب من الزجاج المشكل عند تعاطيه مع النحاس الغرواني ، وبعد ذلك مع أكسيد الرصاص (7،8). في صناعة الزجاج المعاصرة ، لا يتم استخدام النحاس الغرواني والرصاص ، بل يتم استخدام أكاسيدها.

عندما تضاف إلى الزجاج يذوب، مركبات النحاس تشكل التوازن الذي يختلف اعتمادا على ما إذا كان تحت ظروف الأكسدة أو اختزالي. وسوف تنشئ بيئة تأكسدية Cu^{2 +}Cu⁺ النظام، مما يؤدي إلى تلوين الأزرق أقرب إلى كبريتات النحاس. في حين أنه في ظل ظروف الحد ، فإن نظام Cu⁺Cu⁰ سينشئ ، مما يعطي لونًا أحمر روبيًا. لا يحتوي أيون Cu⁰ على تلوين (9). أكسيد النحاس نفسه هو dopant المؤكسدة، وإضافته في كمية كافية سوف تنتج الزجاج الأسود. ولعل أكثر جاذبية بصريا من جميع النظارات هو اللون الأزرق العميق التي توفرها إضافة أكسيد الكوبالت، CoO، إلى الذوبان (10).

ويمكن أيضا أن يتحقق الزجاج الأحمر اللون العميق مع إضافة سيلينيد الكادميوم في حين، يمكن إدراج أكسيد المنغنيز في الذوبان (11)، مما سيؤدي إلى الأشكال الأرجواني / البنفسجي، على الرغم من أن النظارات المنغنيز المنشطات تميل إلى أن تكون غير مقاومة جدا للأشعة فوق البنفسجية.

الإضافات الكمية: رقم الدفعة الأكسدة

تميل صانعي الزجاج على نطاق واسع إلى استخدام مصطلح يسمى "رقم الأكسدة الدفعية" لتحديد المكونات اللازمة للون معين من الزجاج ، والذي هو على نطاق واسع وكيل لكيفية تقليل أو أكسدة ذوبان. يتم حساب أرقام الأكسدة لمجموع جميع المكونات النشطة الأكسدة في الذوبان عن طريق إضافة عامل الأكسدة معًا مضروبًا في مكون الكسر الشامل لكل طنين متريين من الصنف، لكل مكون. وينبغي إيلاء اهتمام خاص لاستخدام cullet - حشو - الذي غالبا ما يحتوي على كميات كبيرة من المواد العضوية (الحد) ، والتي يمكن بسهولة رمي قبالة حساب الأكسدة دفعة. بالإضافة إلى ذلك ، يتأثر الأكسدة من الزجاج أيضًا بالظروف داخل الفرن ، مثل درجة الحرارة وكيفية أكسدة الغلاف الجوي. ولذلك فمن الأهمية بمكان لضمان أن يتم استخدام النقاء العالية فقط وإضافات عالية الجودة.

وكقاعدة عامة ، وخاصة في حالة الزجاج الذي يحتوي على الحديد (وهو أكثر الألوان الزجاجية استخداما) : عدد الأكسدة بين 20 و 0 سوف تنتج الزجاج عديم اللون ، بين 0 و -15 سوف تنتج الزجاج الأخضر ، بين -15 و -25 سوف تنتج 'feuille morte' الزجاج وبين -20 و -30 سوف تنتج العنبر. بالنسبة للزجاج المنشطات الحديدية ، تتوافق هذه القيم ، مع انخفاضها ، مع نسبة أعلى من نسبة Fe^{2 +} إلى Fe^{3 +} (أي تقليل أكثر).

الآثار على عمليات التصنيع

باختصار ، يتم إنتاج زجاج الحاويات عن طريق صهر المواد الخام في الفرن لإنتاج الذوبان ، ثم يتم تكرير الذوبان وتشكيله وثنيه. يمكن أن تحدث عمليات التشطيب الدورية بين وبعد تشكيل وخطوات الصلب. التّحّيّة هي التقنية المستخدمة لإزالة نقاط الإجهاد في الزجاج (12). هذه العملية هي نفسها على نطاق واسع لزجاج لوحة، ولكن يتم استبدال تشكيل من قبل مخطط الرسم والمتداول.

وكقاعدة عامة، يسمح الأكسدة المنخفضة (أي بيئة أكثر انخفاضًا) بتحسين التكرير وتشغيل الفرن في درجة حرارة أقل مما يوفر فوائد اقتصادية وبيئية(13). بالإضافة إلى ذلك ، يعني انخفاض الأكسدة أنه سيكون هناك كبريتات أقل ، مما يعني بدوره زجاجًا أفضل دقة.

في وقت مبكر من عام 1942 ، كان من المعروف أن إضافة كميات صغيرة من أكسيد الحديد إلى الذوبان تسببت في زيادة في كفاءة العملية في الفرن. وقد تم النظرية أن تسارع معدل الذوبان يرجع إلى وجود الحديد مما تسبب في الموصلية الحرارية أفضل في ذوبان عموما (14). إضافة مركبات إلى تذوب يحتاج إلى القيام به بعناية كبيرة، وانخفاض في درجة الحرارة يمكن أن يسبب التشعب - أي تبلور الزجاج المنصهر (15).

إن الإنثرسايت والفلسبار هما من الإضافات الشائعة إلى الذوبان، كل منها يتحوير خصائص الذوبان:

أنثراسايت / كربون

لا يوجد صبغة زجاجية في حد ذاتها، ولكن غالباً ما يتم استخدامها جنباً إلى جنب مع مركبات كبريتيد الحديد والحديد لتعزيز خصائص الزجاج، وتوفير الألوان الصفراء/الكهرمانية. وتحوير إضافة الأنثراسيت الأكسدة الإجمالية لصالح التخفيض، مما قد يؤثر على ضمان مستوى التلوين. ومن المعروف أن الأنثراسيت يمكن أن تقضي على العيوب الناجمة عن الغازات في الذوبان، ويمكن أن تخفض درجة حرارة الذوبان عند استخدامها مع أصباغ الكروم والمنغنيز(16).

الفلسبار

يشار إلى Feldspar

من حيث صناعة الزجاج باسم "التدفق" ، أي أنه يقلل من نقطة انصهار الصلبة. إدراجه يمكن أن يعني انخفاض متطلبات درجة الحرارة في تذوب. وتستخدم على نطاق واسع Fluxes في جميع أنحاء صناعات الزجاج والسيراميك لقدرتها على تعزيز التسييل الكامل (17). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تحمل feldspar خصائص الزجاج المرغوب ة مثل زيادة الصلابة والمتانة والمقاومة الكيميائية (18).