بر خلاف شیشه های سودا آهکی (سودالایم) که قدمت و کثرت تولید نسبتا مطلوبی در کشور دارند و بر همین مبنا ، ترکیب نهایی بچ و محصول نهایی شناخته شده است ، شیشه بوروسیلیکات( پیرکس ) نه قدمت چندانی در کشور دارد و واحدهای تولیدی آن به تعداد انگشتان یک دست هم نمیرسد و بدیهی است که به تکنولوژی های این نوع شیشه نیز توجه چندانی نمیشود . در این مقال سعی شده که نقش عامل اصلی تشکیل دهنده این فاز شیشه ای ( بوراتها) در گستره پیوند ، به صورت خلاصه وار مورد بررسی عملیاتی قرار گیرد :
به همراه سیلیس ، ژرمانیم و سولفور ، مقار جزئی از Boron مانند یک عنصر اصلی تشکیل دهنده شبکه و به عنوان شاخه دوم این پدیده ، خود را ارائه میکند . مشابه سه عامل دیگر ، Boron نیز سهم خود را در تشکیل پیوند های قوی در اکسیدهای (ترکیبی) شیشه نمایش میدهد. شبکه آن از سایر شبکه ها که بت یک نوع پیوند در شیشه یافت میشوند متفاوت است و در شیشه با در رتبه B3 وB4یافت میگردد، استحکام فوق العاده B3 وB4 این تصور را ایجاد میکند که پیوند B-O بسیار قوی است ، حال آنکه پیوند گروه های Bo4 واجد واحدهای ساختمانی بسیار ضعیفی در مقابل حرارتهای بالا میباشند ، دلیل انرا نیز میتوان توضیح داد : B2O3 با Sio2 تفاومت دارد : ویسکوزیته آن بسیار کمتر از سیلیس است ، بنایراین B2O3 مانند یک ماده گدازنده ( سیال) بسیار سودمند عمل میکند .
اکسید بور : این اکسید مخصوص میتواند وارد ترکیب شیشه شود و رفتار و وضع غیر عادی از خود نشان دهد . برخی از خواص آن موجب تحمل تغییرات قطری ( کشیدگی) میشوند ووقتی به صورت ترکیبی ازفرمول شیشه در میاید ، باعث افزایش مقاومت شیمیایی آن نیز میگردد ، گرچه به شدت نم گیر بوده وآب خود حفظ میکند ، ضریب انبساط حرارتی شیشه را کاهش میدهد ( با وجود داشتن ضریب انبساط حرارتی بسیار بالا ) ودر هر حال ، خاصیت سیالیت وروانی وخواص شیشه ای خود را کاملا حفظ میکند، لذا توانایی ذوب و تشکیل شیشه را بهبود میدهد ، دمای مایع شدن نیز د ر اثر وارد کردن B2o3 به شدت کاهش می یابد و همچنین از به خط در امدن واحدهای ساختمانی شیشه جهت ایجاد یک شبکه منظم هندسی بلوری جلوگیری میکند . در حالت گداخته بسیاری از دیگر اکسیدها را تجزیه میکند . B2o3 یک آبگیر قوی است و آب خود را در دمای 1000C0 از دست میدهد . خواص B2o3 شیشه منطبق با حجم اب متغیر است ( مشابه P2o5)ودر450Co ذوب میشود حال آنکه نقطه ذوب سیلیس 1715Co است ، ویسکوزیته آن بسیار کمتر از سیلیس و ضریب انبساط حرارتی آن بیست وچهار مرتبه بالاتر از سیلیس و دانستیته آن نیز کمتر از سیلیس میباشد .
اکسید بور با آب ترکیب شده و اسید تری هیدرو بوریک تولید میکند . سه شکل دیگر اسید بوریک د ر دانستیته ، ضریب شکست نور و نقطه ذوب ، متفاوتند
|
دانستیتهg/cm3
|
ضریب شکست نور
|
نقطه ذوب Co
|
شکل
|
|
1.78
|
1.37-1.52
|
236
|
HBo2 I
|
|
2.04
|
1.43-1.58
|
201
|
II HBo2
|
|
2.48
|
1.62
|
176
|
III HBo2
|
با افزایش دانستیته استحکام آنها نیز افزایش می یابد ، از یک مخلوط B2o3 وH2o به نسبت (1:1 مولار) که درحال مناسب گرم شده باشد ،B2o3 کریستالی درحضور بلورهای حاصل از تغییر HBo2I تشکیل میشود.
از نقطه نظر علمی وفنی ، سیستم B2o3-H2o به لحاظ ارتباط تبخیر B2o3 با بخار آب حاصل از ذوب شیشه قابل توجه است ، B2o3 خالص در هوای خشک تبخیر نمیشود ، در عین حال در شرایط اتمسفر حضور ووجود مقادیری بخار آب ، نشانگر اندکی تبخیر است . تبخیر B2o3 درکنار آب ، احتمالا در اثر جانشینی تعدادی از پیوندهای B-O-B با پیوندهای هیدروژنی حادث میشود ( ( B-O-H-O-B. این میزان تبخیر توسط کانی های خام دیگری که داری آب بین مولکولی ( کریستالی ) هستند مانند هیدرات آلومینیوم ، جبران خواهد شد .
با افزایش حجم ومقدار B2o3 قابلیت انحلال هالوژنها در سیستم های دوگانه -B2o3هالوژن ، کاهش خواهد یافت و در حرارتهای بالا ، هر دو جزء ترکیب امتزاج پذیرند و در اثر سرد شدن جدا میشوند. بنابر این عملکرد مبهمی دارند ، فقط ترکیبت شیری رنگ فلوریدها به طور کامل امتزاج پذیرند . در ذوب با اکسید بور، هالید های پتاسیم کمتر از نمکهای سدیم قابل حل میباشند . در ترکیبات مختلف شیشه بوروسیلیکات ، هالوژنها حتی در غلظتهای بالاتر نیز کمتر امتزاج پذیرند . از مقدار کم کلریدها برای تصفیه ، ازحجم های بیشتر کلریدها به خصوص Kcl جهت تاثیر بر شفافیت و روشنایی شیشه بوروسیلیکات و پیرکس استفاده میگردد. Sio2 در ذوب B2o3 حل میشود ، خواه زمانی که یک سیستم دوتایی شیشه در حال شکل گیری است و خواه زمانی که دو ترکیب جامد از محلول ، پس از گداخته شدن ، در حال ساخت محلولی یک پارچه ویکدست هستند . پس از اینکه در اثر حرارت فاز مایع تشکیل شد ، Sio2 وB2o3 به هر نسبتی قابل انحلالند و شبکه سه بعدی شیشه ای از Sio4 چهار وجهی وB2o3 تشکیل میشود.
B2o3-Pbo تکنولوژی قابل توجه از نظر سیستمهای دوگانه بورات است که مانند یک ماده گدازنده ( سیال) عمل میکند و در زمینه تزیین نیز جلا دهنده فلزات است. این ترکیب از ته نشین کردن محلول گرم نیترات سرب در محلول گرم واشباع براکس تهیه میشود
فلزات قلیایی – بوراتها : این مواد به رغم فن آوری بسیار ساده ، جالبند زیرا بوراتها گاهی اوقات خاصیتهای خود را آشکارا به سایر ترکیبات مختلف شیشه بوروسیلیکات میدهند و در مراحل بعدی خواص ورفتار شیشه را در حین عمل ذوب کاملا حفظ میکنند .
داخل کردن فلزات قلیایی در B2o3 شیشه باعث تغییر ساخت وخواص آن خواهد شد ولی به روشی متفاوت میتوان فلزات قلیایی را در شبکه Sio2 وارد کرد. در شیشه هایی با شبکه های دوگانه فلزات قلیایی-سیلیکات ، SiIV فقط ظرفیت 4 را داراست ، ولی در شیشه هایی با شبکه فلزات قلیایی- بورات، BIII همزمان با دو ظرفیت 3 و4 یافت میشود، این تغییر ظرفیت از نظر درک خواص ویژه شیشه بوروسیلیکات بسیار مهم بوده ، و برمبنای تغییرات الکترون در اتم بور قابل توضیح است :
اتم BIII در وضع اولیه شکل الکترونی 1S2 2S2 2P1 را دارد ، یکی از الکترونهای های S در اوربیتال خارجی میتواند به حالت P برانگیخته شود ، بتا براین سه زوج الکترون به وجود میاید، که بر اثر آمیخته شدن با سه اتم اکسیژن (B2o3) حاصل میشود ، در عین خال اتم BIII توانایی جذب یک زوج الکترون دیگر که هنوز در اوربیتال آزاد P باقی مانده ، را نیز دارد . بدین ترتیب واحد Bo4 با یک بار منفی تشکیل میشود.این عمل به حضور فلزات قلیایی به عنوان الکترون دهنده نیازمند است. در Bo4 چهار وجهی تمامی اتمهای اکسیژن به صورت نرده ای هستند و برخلاف غیر قطبی بودن پیوندها در B2o3 چهار وجهی ، پیوندها در Bo4 چهار وجهی به شدت قطبی اند . اندازه گیری های متعدد نشان داده که در اثر افزایش ذوب ، با رهای منفی ممکن است بر اتمهای بور تاثیر بگذارند ( برانگیختگی) لذا در دماهای زیاد حالاتی نهانی در شکل گرو ههای Bo4 بروز میکند.
مطالعات در خصوص شیشه های دوگانه M2o-B2o3 مشخص نموده که برخی از خواص این پیوندها در صورت داشتن یک نسبت مشخص ومعین از Na2o:B2o3 ، تغییرات قابل توجهی را تحمل میکنند. این بدان معناست که در ساخت شیشه های بوراتی ، ترکیبات Na2o-B2o3 مانند مولکولهای مجزا عمل میکنند.مطالعات همچنین نشان داده که نقاط ذوب بورتها عموما بالاتر از شکل اکسید B2o3 و نشاندهنده یک ساختار قوی تر است ، ترکیب بور و سدیم-Meta Botate- (Na2o,B2o3) تنها بوراتی است که درحالت شیشه ای ترکیب نمیشود،(در حالی که ترکیبات به شدت اسیدی و به شدت بازی بور با نقطه ذوب پایینتر در هردوفاز ترکیبی شیشه پس از سرد شدن یافت میشوند )، این فاز ، فاقد پیوند Bo4 در مولکول خود بوده وبنیان چهار وجهی آن 2-(B4o7) آن نیز در ذوب تجزیه نمیشود و به شکل ترکیبی ، تمایلی برای تشکیل شیشه از خود بروز نمیدهد .
ترکیبات بورات و فلزات قلیایی در شیشه شامل 24 مول Lio2% ، 35 مول Na2o% و35 مولK2o% هستند ، بنابراین وقتی Na2o وK2o به هم میپیوندند ، ناحیه شیشه ای افزایش می یابد ، حتی در سایر اجزاء متفاوت ترکیب شیشه ، از این پدیده در شیشه پیرکس استفاده میشود ، جایی که افزایش حجم (مقدار) K2o روی هم رفته سبب بهبود استحکام وکاهش میل تفکیک پذیری میشود، گرچه ممکن است این افزایش استحکام ، خیلی زیاد نباشد.
از جمله براتها که به لحاظ فنی در شیشه مهم هستند ، KB2o میباشد ، نقطه ذوب آن بسیار نزدیک به B2o3 است . این دوعامل باعث برخورد ذرات در شیشه بوروسیلیکات میشوند .
نتیجه گیری : در هر حال نسبتها در خواص فیزیکی شیشه های بورات ، متحمل تغییرات فاحشی میشوند که در دیاگرامها و منحنیهای مربوط به ترکیبات Na2o-B2o3 تعریف نشده اند ، باید به این نکته توجه ویژه داشت که فازهای Bo3 وBo4 کمپلکسهای چند وجهی تشکیل میدهند که به صورت زنجیری ، حلقوی و حتی آرایشهای سه بعدی قرار میگیرند . هر یک از این پارامترها میتواند استحکام ، عدم تفکیک پذیری وحتی جلای شیشه را از ناحیه مهندسی ترکیب بچ ، با چالشهای جدی مواجه کند.رفتار اجزاء وترکیبات اولیه فرمول در طی پروسه ذوب و پالایش با آنچه در شیشه های سودالایم تجربه شده تفاوت فاحش دارد .
نویسنده: حمید کیامیری