يعود تاريخ صناعة الزجاج الى عام 2000 قبل الميلاد. ومنذ ذلك الحين، دخل الزجاج في
اغراض عديدة من حياة الانسان اليومية. فتم استخدامه في صناعة الانية المفيدة والمواد الزخرفية ومواد
الزينة بما في ذلك المجوهرات. كما كان له تطبيقاته الصناعية والمعمارية.بالاضافة الى استعمال الزجاج فى
صنع زجاج النوافذ والابواب ولقد كانت اقدم المواد الزجاجية عبارة عن خرزات حيث لم يتم
التوصل الى الانية المجوفة حتى عام 1500 قبل الميلاد.
ويعتبر الصناع الاسيويون هم اول من ارسى صناعة الزجاج ، ومنهم انتقلت الصناعة الى مصر
حيث ترجع اول انية زجاجية الى حكم تحتمس الثالث (1504-1450 قبل الميلاد). وقد ظلت صناعة
الزجاج منتعشة في مصر حتى حوالي عام 1200 قبل الميلاد ثم توقفت فعليا لعدة قرون
من الزمان. وفي القرن التاسع قبل الميلاد، ظهرت كل من سوريا والعراق كمراكز لصناعة الزجاج
، وامتدت الصناعة عبر منطقة البحر المتوسط. وفي العصر الاغريقي، اضطلعت مصر بدور رئيسي في
تزويد القصور الملكية بالزجاج الفخم حيث كان يصنع في الاسكندرية . وفي القرن الاول قبل
الميلاد، تم التوصل الى عملية نفخ الزجاج في سواحل فينيقيا. وفي العصر الروماني، كانت صناعة
الزجاج منتشرة في مناطق متعددة من الامبراطورية الرومانية.
وابتكر المسلمون التزجيج، وما زالت روائع من اعمالهم في التزجيج باقية في واجهات المساجد والجوامع،
وكذلك في الابنية الاثرية اضافة الى ما هو محفوظ في المتاحف العالمية.
ولقد استخدمت الاصباغ المعدنية في هذه الصناعة الفنية، فلم تتاثر بالتقلبات الجوية، ولم تؤثر فيها
حرارة الشمس المحرقة طوال مئات السنين الماضية.
وعرف علماء المسلمين البللور وهو الزجاج الممتاز (الكريستال بحسب التعريف الكيماوي الحديث) الذي يحتوي على
نسب مختلفة من اكاسيد الرصاص ، وصنعوه باتقان، وعرفوا منه نوعا طبيعيا. وما زال يستعمل
– كما استعمله المسلمون من قبل- في صناعة الاقداح والاواني والثريات، وكذلك في صناعة الخواتم
وادوات الزينة وكثير من الادوات المنزلية. وصنعوا منه نظارات العيون، وكانوا يسمونها منظرة ،ومن العالم
الاسلامي انتقلت صناعة الزجاج الى اوروبا عندما انشا فنيون مصريون مصنعين للزجاج في اليونان، ولكن
المصنعين حطما في عام 544 ه / 1147 م، عندما اجتاح النورماديون مدينتهم ففر الفنيون
الى الغرب، مما ساعد على النهضة الغربية في مجال صناعة الزجاج في العصور الوسطى. كما
فر ايضا بعض الفنيين من دمشق الى الغرب ابان اجتياح المغول للعالم الاسلامي. هذا بالاضافة
الى التقنيات الخاصة بصناعة الزجاج التي اخذها الاسرى الاوربيون من المسلمين اثناء الحروب الصليبية. وقد
تجمعت اسرار هذه الصناعة مع الفنيين في فينسيا واحتكرت صناعة الزجاج في اوروبا حتى القرن
السابع عشر عندما علمت فرنسا بالتقنيات المطلوبة واسرارها، وانتقلت اليها صناعة الزجاج واصبحت اهم مراكزها
في العالم.
تعريف الزجاج ومن ماذا يصنع ؟
مادة عديمة اللون تصنع اساسا من السيليكا المصهور في درجات حرارة عالية مع حمض البوريك
او الفوسفات. والزجاج يوجد في الطبيعة كما يوجد ايضا في المواد البركانية التي تسمى الزجاج
البركاني او المواد التي تنشا من النيازك. وليس الزجاج صلبا ولا سائلا وانما يكون في
حالة خاصة تظهر فيها جزيئاته بشكل عشوائي، ولكن بحيث يوجد تماسك كاف لاحداث اتحاد كيميائي
بينها. وعندما يتم تبريد الزجاج يصل الى حالته الصلبة ولكن بدون تبلور، ومع تعريضه للحرارة
يتحول الزجاج الى سائل. وعادة ما يكون الزجاج شفافا ولكنه قد يكون غير شفاف او
نصف شفاف ايضا، ويختلف لونه تبعا لمكوناته.
ويكون الزجاج المصهور كاللدائن بحيث يمكن تشكيله باستخدام عدة تقنيات. ومن الممكن تقطيع الزجاج عندما
يكون باردا. وفي درجات الحرارة المنخفضة يكون الزجاج هشا وينكسر. ولمثل هذه المواد الطبيعية كالزجاج
البركاني والتيكتيت مكونات وخصائص تشبه الزجاج الصناعي.
والمكونات الاساسية للزجاج هي السيليكا المشتقة من الرمل والصوان والكوارتز. وتصهر السيليكا في درجات حرارة
عالية جدا لانتاج زجاج السيليكا المصهور. ويتم انتاج انواع مختلفة من الزجاج باتحاد السيليكا مع
مواد خام اخرى بنسب مختلفة. وهناك مركبات قلوية مثل كربونات الصوديوم وكربونات البوتاسيوم تقلل من
درجة حرارة الصهر ولزوجة السيليكا. وينصهر الزجاج عادة عند درجة حرارة عالية ولا يتمدد او
ينكمش بدرجة كبيرة مع تغير درجات الحرارة، ومن ثم يكون مناسبا لانتاج الادوات التي تستخدم
في المعامل والاشياء التي تكون عرضة للصدمات الحرارية مثل مرايا التليسكوب. ويعتبر الزجاج موصلا رديئا
لكل من الحرارة والكهرباء ومن ثم فانه مفيد للعوازل الكهربية والحرارية.
تعتبر رمال الزجاج من اهم المواد التي تدخل في الصناعة حيث تتكون اساسا من معدن
الكوارتز(SiO2) و يجب ان تتميز رمال الزجاج بدرجة عالية من النقاوة ويكون لونها الابيض لاحتوائها
على نسبة ضئيلة جدا من المواد الملونة مثل اكسيد الحديد و الكروم و التيتانيوم .
من الطرق الشائعه لتصنيع الزجاج هي خلط كميه كبيره من الرمل مع كميات قليله من
الجير و الصودا و تسخينه حتى يصبح كتله من السائل عالي اللزوجة ، يتم بعدها
تشكيله بطريقة معينة و من ثم يبرد ليكون زجاجا .
و يعتبر زجاج الصودا و الحجر الجيري ( الزجاج المسطح ) هو الزجاج الاكثر شيوعا
و استخداما في العالم ، بحيث تبلغ نسبه هذا النوع من الزجاج اكثر من (
90% ) من اجمالي الزجاج المستخدم في العالم . اما زجاج البوروسيليكات و هو ما
يسمى بزجاج البايركس و الكيموكس فهو يتكون من ( 80% ) من السيليكا و (
4% ) من القلويات و ( 2% ) من الالمونيوم و ( 13% ) من
اكسيد البوريك . و هذه النسب تعطي هذا النوع من الزجاج ثلاث اضعاف قوة زجاج
الصودا و الحجر الجيري .
اما زجاج السيليكا المنصهر فهو يتكون من ( 100% ) من السيليكا و هو يعتبر
من الزجاج العالي التكلفة و هو مقاوم للصدمات .
و اهم خواص الزجاج من ناحيه تصنيعه هي لزوجته و التي تتعلق بدرجات الحرارة ،
لذا فان زجاج السيليكا النقي له لزوجه عالية و يحتاج الى حرارة عالية جدا للتخلص
من الفقاعات الموجودة فيه . و هذا الشيء يجعل من صناعة زجاج السيليكا النقي مكلف
جدا.لذا و لاسباب علمية يلزم اضعاف زجاج السيليكا لكي يسهل تصنيعه بشكل اقتصادي . و
ان اكسيدات المعادن القلوية هي خير وسيلة لتحقيق ذلك .
و يكمن السر في ذلك بان كل ذرة سيليكون ترتبط باربع ذرات فقط من الاكسجين
، و ان اي ذرات اضافيه من الاكسجين تعمل على خلخلة التشكيل المتماسك و القوي
و المكون من سيليكون – اكسجين – سيلكون . لذا اصبح من السهل علينا تغيير
تركيب زجاج السيليكا و جعله اكثر تحركا ، و ذلك باستخدام اكسيدات المعادن القلوية .
و تعتبر اكسيدات المعادن القلوية من اهم عوامل الصهر المستخدمة في صناعة الزجاج ، و
اكثر هذه الاكسيدات استخداما هي الصودا التي تعتبر ارخصها ثمنا ، وقد استخدمت اكسيدات معادن
قلوية اخرى لهذا الغرض مثل ( البوتاسيوم و الليثيوم … الخ ) .
المركبات الموازنة في الزجاج :
هناك عناصر و مركبات كيميائية ضرورية موازنة في عملية تصنيع الزجاج باشكاله و انواعه المعروفة
بحسب الاستخدام ، من اهمها :
1- الجير : يستخدم كمحلول مائي لتصنيع الزجاج . و يستخدم جير الكالسيوم و الدولوميت
بكميات كبيرة مع الرمل و كربونات الصوديوم و المصابيح الكهربائية .
2- اكسيد الرصاص : يعتبر من المكونات الرئيسية لانواع الزجاج الظراني الذي يتميز بمعامل انكسار
عال ، و عادة ما تشتمل على نسبة كبيرة من البوتاس ( يعطي الزجاج بريقا
و لمعانا و في نفس الوقت مقاوم للكهرباء و الحرارة ) .
3- اكسيد البوريك : يخفض من درجه لزوجه السيليكا دون ان يزيد من تمددها الحراري
، و مع اضافه كمية قليلة من اكسيد الالمونيوم يحافظ على شفافية الزجاج ، و
يجعله اكثر مقاوما للحرارة ( البايركس ) ، و هي تستخدم في صناعة ادوات المخابز
و اجهزة المختبرات و الانابيب الصناعية لقدرتها على مقاومة التغيرات المفاجئة في درجات الحرارة و
تحملها للتاثيرات الكيميائية .
4- اكسيد الالمونيوم و الجير : يستخدم هذا الخليط بنسبة كبيرة في الزجاج مع (
10% ) من اكسيد البوريك و قليل من القلويات لصناعة الزجاج الليفي
من خواص الزجاج:
1- الشفافية :يمتاز الزجاج بشفافية صافية متجانسة، تمر من خلاله جميع الاشعة الضوئية من فوق
البنفسجية الى تحت الحمراء ،كما ان للزجاج القدرة على عكس وكسر الضوء ويتراوح معامل انكسار
الزجاج بين (1.467-2.179) ويكون معامل الانكسار في زجاج الرصاص اكبر ما يمكن .
2- القساوة : الزجاج جسم هش سريع التحطم لا يتغير شكله عند الضغط او الصدمة
وتعرف قساوة الزجاج بانها قدرته على مقاومة الخدش او الاحتكاك .
وتختلف قساوة الزجاج باختلاف تركيبه حيث تعمل زيادة نسبة الجير والسيليكا على زيادة قساوته.
3- مقاومته للمواد الكيميائية :
يقاوم الزجاج بشكل عام المحاليل الكيميائية عدا حمض الفلوردريك والمصهرات القلوية التي تحل الزجاج بسهولة
. ويؤثر الماء على الزجاج بعد تماسه لفترة طويلة جدا .
صناعة الزجاج :
يتم تقيسم المواد الخام الاولية المستخدمة في صناعة الزجاج الى قسمين رئيسين هما:
اولا :المواد الاساسية وتشمل:
1- الرمل او السيليكا : يشكل حمض السيليكون المادة الاساسية التي يصنع منها الزجاج العادي
ونحصل عليه من الرمل ولا يستخدم رمل الكوارتز نظرا للصعوبات وارتفاع كلفة التحضير للصناعة.
ويشترط في الرمل المستخدم ان يحتوي على نسبة عالية من اكسيد السيليكون تصل الى 80%
وان تكون نسبة الشوائب قليلة خاصة الملونة مثل مركبات الحديد .
2- مركبات الصوديوم حيث يعمل اكسيد الصوديوم على تقليل درجة الانصهار ويساعد في تشكيل الزجاج.
3- الكلس والدولوميت : حيث يساعد اكسيد الكالسيوم على تصليب الزجاج.
4- الفلدسبار :يستخدم بشكل كبير لوجوده بشكل نقي كما انه رخيص الثمن وينصهر بسهولة.
5- البوراكس : يحتوي على اكسيدي الصوديوم والبورون حيث ان هذه المادة تنصهر بشكل جيد
وتقلل من معامل تمدد الزجاج . ولذلك نجد ان الزجاج الحاوي نسبة كبيرة من اكسيد
البورون لا ينكسر اذا سخن او برد فجاة .
ثانيا المواد الثانوية :
وتشمل المواد التي تضاف لتحسين نوعية الزجاج كالمواد الملونة ومسرعات الانصهار والشفافية مثل اكسيد الرصاص
واكسيد التيتانيوم واكسيد الباريوم .
تمر صناعة الزجاج باربع مراحل وهى:
1- الصهر: حيث تكون المواد الاولية قد حضرت على شكل بودرة او حبيبات وتمزج مع
بعضها البعض بنسب وزنية معينة ثم تدخل الى الافران الخاصة ومن الامثلة على هذه الافران:
ا- فرن الجفنة: وتبلغ سعته 2 طن من المواد الاولية ويستعمل لانتاج انواع معينة من
الزجاج مثل زجاج البصريات والزينة.
ويصنع هذا الفرن من الصلصال او البلاتين ولكن الصلصال قد ينصهر جزء منه اثناء صهر
الزجاج ومن المعروف ان البلاتين اغلى ثمنا.
ب- فرن الحوض:وهو عبارة عن حوض مصنوع من القرميد الناري ويتسع ل 1500 طن من
المواد الخام.
2- التشكيل:يبرد مصهور الزجاج ببطء حتى يصل الى مرحلة التشكيل بالدرجة المطلوبة، يتم التشكيل باحدى
طريقتين:
ا- النفخ والتشكيل اليدوي: يصب المصهور في القالب ويتم النفخ اما بالفم او بالمنفاخ.
ب- النفخ او التشكيل الالي: حيث تتم عملية صب المصهور والنفخ اليا .
ويجب ان تتم عملية التشكيل في وقت قصير جدا وفيها يتحول الزجاج خلال ذلك من
عجينة الى مادة صلبة .
3- التهذيب او التبريد : وهي عملية تبريد الزجاج ببطء لتجنب تشققه وتكسره وتلافي تكون
مناطق ضعف في الادوات الزجاجية بعد تشكيلها،وتتم هذه العملية بوضع الادوات الزجاجية في فرن التبريد
على درجة حرارة تتراوح بين 400-600 م لفترة زمنية كافية ثم تبرد تدريجيا الى الدرجة
العادية من الحرارة وفرن التبريد عبارة عن قشاط معدني طوله 15-75 متر وعرضه1- 5 امتار
ويسخن الفرن كهربائيا او بالمحروقات السائلة .
4- الانهاء : يتم في هذه المرحلة تنظيف الادوات الزجاجية وصقلها وقطعها وتصنيفها .
لا يخضع تركيب الزجاج الى الروابط الكيميائية وانما يتالف من مجموعة من الاكاسيد المعدنية.
تلوين الزجاج :
يعود سبب ظهور الزجاج بلون ما الى وجود مجموعات معدنية ملونة على شكل ايونات فيه
.فمثلا يتلون الزجاج باللون الاصفر او البني بوجود ايون الحديد الثلاثي ويمكن تحويل اللون الاخضر
في الزجاج الى الاصفر باضافة ثاني اكسيد المنغنيز .
تصنع الاحجار الكريمة الصناعية باضافة مساحيق المعادن الثمينة كالنحاس والذهب الى مصهور الزجاج حيث تشكل
تلك المعادن مع الزجاج محاليل غروية.
انواع الزجاج :
1-البيركس :يقاوم الحرارة فعند تسخينه لا ينكسر نظرا لصغر معامل تمدده بسبب احتوائه على نسبة
عالية من اكسيد البورون وتصنع منه الصحون وكاسات الشاي وزجاجيات المختبرات .
2- الزجاج القاسي سيليكا 96 :يمتاز بصغر معامل التمدد وارتفاع درجة انصهاره.
3- الزجاج الصواني: يحتوي على نسبة كبيرة من اكسيد الرصاص ويلين بالتسخين ويستعمل في الاجهزة
البصرية والمجوهرات الصناعية.
وهناك نوع اخر من الزجاج الصواني يحتوي على نسبة كبيرة من اكسيد البوتاسيوم وهو غير
ملون وصاف ويستعمل في الاجهزة الكهربائية لانه رديء التوصيل للكهرباء.
4-الالياف الزجاجية
هي عبارة عن خيوط او الياف زجاجية وتتم صناعتها بامرار المصهور الزجاجي على شبكة بلاتين
مسخنة كهربائيا بشكل مستمر حيث تنتج خيوط زجاجية تلف حول اسطوانة تدور بسرعة .
وتستعمل هذه الالياف الزجاجية كمادة عازلة للحرارة وفي صناعة الملابس الواقية من الحريق.
5- الزجاج الضبابي غير الشفاف:
يصنع باضافة مواد (تكون دقائقها في الحالة الغروية) الى مصهور الزجاج حيث تبقى الدقائق عالقة
لدى تبريد الزجاج وتجعله ضبابيا لانها تنشر الضوء وتفرقه وذلك اختلاف معامل انكسارها عن معامل
انكسار بقية الزجاج .
تصنيف الزجاج حسب الاستعمال :
1- زجاج الانشاءات مثل زجاج النوافذ والابواب والسيارات.
2- زجاج الانية مثل زجاج القناني والادوية.
3 – زجاج البصريات مثل العدسات والمجاهر والتلسكوبات.
