זכוכית

היסטוריה


בני אדם השתמשו בזכוכית געשית, הנקראת אובסידיאן, כבר בתקופת האבן. האובסידיאן סותת לסכינים וראשי חיצים חדים ביותר. לעיתים נישאו כלי האובסידיאן או חומר הגלם למרחק ניכר ממקום החציבה כבר בתקופה הפלאוליתית התיכונה. יצור של זכוכית על ידי בני אדם התחיל כ-5–6 אלף שנה לפני זמננו. בשריפה של זרעים האפר שנישאר מהשריפה התחבר עם החול בטמפרטורה גבוהה ונוצרה זכוכית סיליקטית המכילה 60% SiO2. בהוספה של אשלגן חמצני K₂O אפשר לקבל זכוכית שקופה. אנשים השתמשו בזכוכית הזאת ליצור תכשיטים ובקבוקונים.

בחצי השני של המאה העשרים התרחב השימוש בזכוכית כחומר ליצירת המעטפת של בניינים, ובפרט למעטפת של גורדי שחקים.

הזכוכית בתלמוד

השם "זכוכית" מוזכר פעם אחת במקרא: "לֹא יַעַרְכֶנָּה זָהָב וּזְכוֹכִית, וּתְמוּרָתָהּ כְּלִי פָז." (ספר איוב, פרק כ"ח, פסוק י"ז), כתיאור לכלים יקרים. מקור המילה הוא עקב תכונת הזַכּוּת המאפיינת אותה. חוקר התלמוד יהושע בראנד, בספרו כלי זכוכית בספרות התלמוד, מצביע על מונחים נוספים במקרא, שלדעתו פירושם זכוכית, כגון: "חול", "חלונות אטומות" ועוד.
בשאלת מקור הזכוכית, האם בפניקיה, מצרים או בארם נהרים, סבור בראנד, כי ראשית הזכוכית היא דווקא בארם נהרים ולא בפיניקיה, או במצרים, כפי שמקובל לחשוב. על בסיס מסקנה זו ומקורות נוספים, טוען בראנד כי אברהם אבינו היה אמן זכוכית ומסיבה זו היגר מאור כשדים לחרן.
בלשון חז"ל נקראה הזכוכית גם "סכוכית" (תוספתא מסכת שבת).
בימי חז"ל הייתה הזכוכית יקרה מאד מפני שהיה קשה מאד לזככה ולייצר זכוכית שקופה או 'זכוכית לבנה' בלשון חז"ל. הגמרא מספרת שכוס מזכוכית לבנה הייתה שווה 400 זוז.

סוגי זכוכית

הזכוכית הנפוצה ביותר בשימוש נקראת Soda-Lime glass עשויה מ-81%−63% צורן דו-חמצני (SiO₂ - קוורץ, חומר הגלם - חול), נתרן פחמתי Soda (להורדת טמפרטורת ההתכה ומניעת גיבוש) וגיר (סידן פחמתי) Lime להעלאת היציבות הכימית.
נקודת ההתכה של סיליקה טהורה (SiO₂) היא בערך 2,000°C. להקלת ההכנה מוסיפים מספר חומרים כמו נתרן פחמתי ("סודה לכביסה" - סודיום קרבונט: Na₂CO₃) המורידים את טמפרטורת ההתכה ל-1,000°C בקירוב.
זכוכית שלא תמוחזר תתפרק רק לאחר כמיליון שנים.
זכוכית בידודית (double glazing) היא חלון המורכב משתי שכבות זכוכית או יותר המחוברות על ידי מסגרת (לרוב מאלומיניום), כאשר המסגרת מכילה סופחי לחות למניעת היווצרות אדים על חלקן הפנימי של השמשות. לעיתים בין השמשות יש גז מסוג ארגון להעצמת הבידוד התרמי והאקוסטי. מטרתה לבודד את חלל הבית הפנימי מהרעש וממזג האוויר שבחוץ.
זכוכית משוריינת היא מבנה המשלב זכוכית וחומרים פולימריים שונים בצורת שכבות מתחלפות, על מנת להפוך אותה לעמידה לפגיעת תחמושת של נשק קל (רובים וכדומה). התוצאה היא חלון משוריין ולא זכוכית משוריינת. בעת הפגיעה החלון מתרסק ונהרס, אך שומר על עמידותו בפני מספר מוגדר של פגיעות. בעולם נהוג דירוג של רמות איום, שבו החלונות הנפוצים עמידים לפגיעת קליעי נק"ל. חלונות משוריינים המשמשים כלי רכב צבאיים כבדים עמידים אף לאש מקלעים כבדים ורסיסים הנוצרים מפצצות ומטענים.
זכוכית מחוסמת היא זכוכית שעברה חימום מבוקר לטמפרטורה של כ-700 מעלות צלזיוס ולאחר מכן קירור מהיר מאוד באוויר. תהליך זה גורם להכנסת מאמצים בזכוכית והופך אותה לבעלת חוזק גבוה פי 3–5 מאשר זכוכית רגילה (מורפית, שעברה הרפיה). החוזק נובע ממאמצי לחיצה שנוצרים בפני השטח של הזכוכית ואלו מקשים על התקדמות סדקים בזכוכית.
פיברגלס (סיבי-זכוכית) מיוצר על ידי דחיסת זכוכית מותכת דרך חורים זעירים בבסיס הכבשן. כך נוצרים חוטים דקים מאוד שאפשר ליצור מהם אריגים קלים וחזקים. פיברגלס גם מגן מפני חום וחסין אש, ולכן בגדי הכבאים עשויים פיברגלס.
כלי זכוכית המיוצרים בניפוח עשויים למעשה מזכוכית רגילה, אך טכניקת הייצור שלהם מאפשרת להם להיות דקים ועדינים. כלים אלה משמשים בעיקר לקישוט. במדינת ישראל נפוצים כלים כאלה המיוצרים בחברון ומכונים "זכוכית חברון".
בעל המקצוע המכין כלים אלה מכונה "נפח זכוכית". זאת גם משום שהוא מנפח את הזכוכית המומסת באוויר וגם משום שטכניקה זו שאלה כמה מהכלים המשמשים את נפחי המתכת.

ייצור זכוכית

זכוכית גולמית מתקבלת כתוצאה מחימום רכיבי התערובת בכור היתוך. את הזכוכית הגולמית בדרך כלל מייצרים מחול SiO₂, סודה Na₂CO₃, וסיד CaO.
את כל הרכיבים מערבבים במיכל ערבוב מיוחד ומחממים לטמפרטורה של 1,000°C ומתרחשת הריאקציה הבאה:
Na₂CO₃ + 2SiO₂ + CaO → Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + CO₂
מהזכוכית הגולמית ניתן להפיק מגוון רחב של זכוכיות שונות.

הרכב זכוכית

ניתן למיין זכוכיות על פי הרכב היסודות המרכיבים את מבנה התחמוצת כלומר הקשורים לחמצנים מגשרים (יוצרי רשת Network formers או network intermediates). המשותף לכל הזכוכיות שהמרכיב העיקרי הוא סיליקה, בדרך כלל באחוז גבוה מ-50% מהרכב הזכוכית. 

• זכוכית סיליקטית SiO₂ 

• אלומוסיליקטית Al₂O₃;SiO2 

• בורוסיליקטית B₂O₃;SiO₂ 

• בורואלומוסיליקטית B₂O₃;Al₂O₃;SiO₂ 

• אלומופוספטיתP₂O₅;Al₂O₃;SiO₂ 

• בורואלומופוספטית B₂O₃;Al₂O3;P₂O₅ 

• אלומוסיליקופוספטית Al₂O3;SiO₂;P₂O₅ 

• פוספוונדית P₂O5;V2O₅ 

• סיליקוטיטנית SiO2;TiO₂ 

• סיליקוצירקונית SiO2;ZrO

שימושים בתעשייה

לזכוכיות העשויות מתרכובות יוצרות רשת, יש שימושים מוגבלים. למשל, תחמוצת של בור טהור (B2O3(Tg~4500C לא עמידה למים. זכוכית המכילה תחמוצת צורן SiO2 אשר שימושית בגלל עמידות כימית גם בטמפרטורות גבוהות במיוחד (עד 1,750°C), בעלת התנגדות לשינוי טמפרטורות (thermal shoc). זכוכית זאת מוכרחה להיות מעובדת בטמפרטורות שמעל 1,500°C. רוב סוגי הזכוכית השימושיים מכילים תוספים אשר מורידות את טמפרטורת העיבוד ומאפשרות קבלת תכונות רצויות ליישום. זכוכית לתעשייה מכילה לפחות חמש תחמוצות, לדוגמה זכוכית אופטית, מכילה יותר מעשר תחמוצות.

זכוכית סודה-ליים (Soda-lime)

זוהי משפחת ההרכבים הנפוצה ביותר ומשמשת בין היתר לחלונות ועיצוב הבית וכן לבקבוקים. מכילה 8 סוגי תחמוצות, ביניהם- סיליקה (72.5%), אלומינה (1.5%), סידן חמצני (7.5%), נתרן חמצני (14.5%), מגנזיום חמצני (3.77%), תחמוצת ברזל (0.1%) ותחמוצת אשלגן (0.7%). הרכב התוספים בזכוכית, וסוגי התוספים מאפשר קבלת זכוכיות שונות עם תכונות מכניות, אופטיות שונות המתאימות למגוון שימושים.

זכוכית קרמית

בניגוד לזכוכית רגילה בעלת מבנה מולקולרי לא מסודר, זכוכית קרמית מכילה גבישים והיא בעלת מבנה דו פאזי: מיקרו-גבישים שביניהם אזורים אמורפים. הפאזה הגבישית מהווה בין 30% ל-70% מולרי.
השימוש בזכוכית קרמיות החל בשנת 1950 והתגלה על ידי סטוקי (S.D. Stookey). סטוקי גילה במקרה את הזכוכית הקרמית. הוא השאיר בתנור שפעל בטמפרטורה גבוהה תערובת של זכוכית העשויה מליתיום סילקאט וכסף. בחזרתו, מצא סטוקי חומר קרמי לבן במקום "שלולית" של זכוכית מותכת אותה ציפה לראות. הדבר קרה מפני שהכסף היווה מרכז נוקלאציה (מרכז גיבוש), וגרם ליצירת מבנה קריסטלי של הזכוכית.
בתחילת דרכם לחומרים אלו מבנה זכוכיתי. לאחר חימום והוספת חומרים שונים, הם הופכים להיות חומרים בעלי תכונות קרמיות. לזכוכית רגילה יש מבנה אמפורי, כלומר יש סדר מקומי אך אין מבנה קריסטלי מסודר, אין תאי יחידה שחוזרים על עצמם, בניגוד לזכוכית קרמית שבה פזורים בתווך האמורפי אזורים בהם האטומים מסודרים במבנה מסודר כלומר יש תאי יחידה שחוזרים על עצמם.
על מנת להכין זכוכית קרמית, יש להתיך את הזכוכית, ולשפוך את החומר המותך לתוך כלי בצורה הרצויה. קצב הקירור צריך לאפשר צמיחת גבישים. בתחילת המאה ה-21 עלה הביקוש לזכוכית קרמית, בעיקר בשל העובדה שניתן לעבד את החומר בקלות כמו זכוכית רגילה, ועם זאת מתקבל חומר בעל תכונות קרמיות רצויות כמו עמידות לזעזוע תרמי, קשיחות, רגישות לאור ועוד.
יתרון נוסף של הזכוכית הקרמית נעוץ בעובדה שניתן ליצור צורות מגוונות עם תכונות קרמיות מה שלא ניתן לעשות עם חומרים קרמיים אחרים. Owens-Corning Fiberglass (OCF) E-glass היא זכוכית העשויה מתרכובת של קלציום-אלומינו-סיליקאט בתוספת של מגנזיום, בור, ברזל, טיטניום וסודיום אוקסיד. לחומר זה יש עמידות גבוהה לחום ועמידות גבוהה למים.

שיטות ייצור של זכוכית קרמית

על מנת ליצור זכוכית קרמית, יש לחמם זכוכית רגילה, לקרר ולחמם שוב. אך טיפול בחום אינו מספיק. כי צריך להוסיף חומר שיוכל לעשות נוקלאציה ובכך לאפשר את תחילת הגידול הגבישי. במטרה להפוך את הזכוכית לזכוכית קרמית בעלת מבנה קריסטלי, קודם כל יש לטפל בחומר בטמפרטורה של כ-1,000°C, בין שעה לשעתיים במטרה ליצור זכוכית רגילה.
לאחר מכן לוקחים גולות במסה של 25–30 גרם, ושמים על משטח פלטינה. הגולות מחוממות ל-1,500°C במשך 30 דקות, ולאחר 30 דקות מוציאים את הגולות המותכות ומקררים אותן בטמפרטורת החדר. אם יש צורך בהוספת חומרים נוספים לקבלת חומר בעל תכונות רצויות, אז טוחנים את הזכוכית לאבקה, ומוסיפים לה את התוסף הרצוי, ושמים שוב לחימום באותם התנאים, למשך 30 דקות נוספות. התוסף הוא בדרך כלל מלח. המלחים הנפוצים שמוסיפים על מנת ליצור זכוכית במבנה קריסטלי הם: ליתיום פחמתי Li₂CO3, אלומיניום חמצני Al₂O3, סידן חמצני CaO וטיטניום אוקסיד TiO₂.
ניתן לקבל זכוכיות קרמיות עם תכונות שונות בזכות הוספת תוספים שונים וחימום לזמנים שונים. יעילות התוסף נמדדת בהתאם לעובי שכבת הזכוכית הנוצרת- ככל שהשכבה עבה יותר התוסף הוא יותר יעיל. זכוכית ללא תוספים לא יכולה ליצור מבנה קריסטלי מכיוון שאין חומר שיוכל לאפשר את תחילתו של מרכז הגיבוש.

שימושים

בזכות תכונותיהן של הזכוכיות הקרמיות ניתן להשתמש בהם בסירי בישול, פלטות לבישול חשמלי, מראות טלסקופיות וחלונות מאובטחים.

קצב נוקלאציה (התגרענות)

על מנת שזכוכית תעבור ממצב של מבנה אמפורי למבנה קריסטלני צריך ליצור תהליך נוקלאציה. תהליך זה מתרחש עם חימום הזכוכית, קירור הזכוכית ואז שוב חימום מעל ל-Tg.
קצב הנוקלאציה (התגרענות) תלוי בצמיגות של הזכוכית, באנרגיה החופשית של תהליך הנוקלאציה, בתדירות הוויברציה ובטמפרטורה.
 – קצב הנוקלאציה
 – האנרגיה החופשית של תהליך הנוקלאציה.
 – תדירות הוויברציה
– צפיפות המולקולות ל-m³

תכונות אופטיות

תכונות אופטיות של חומר מתארות את תגובת החומר למעבר אור דרכו. כאשר אור פוגע בחומר מסוים הוא יכול להיבלע בו, לחזור ממנו, או לעבור דרכו.
העברת אור מבטאת את יכולת החומר להעביר אור דרכו. תכונה זו כמעט הפוכה להחזרה. בליעת אור מתרחשת כאשר אור פוגע בחומר, והאנרגיה שלו נספגת בחומר באופן חלקי או מלא.
חומר שקוף, בדומה לזכוכית שבשמשת החלון, מעביר כמעט את כל האור הפוגע בו. לכן ניתן לראות דמויות הנמצאות מצדו האחר.
הדרישה לזכוכיות בעלות תכונות אופטיות מסוימות הולכת ועולה בשנים האחרונות. תכונות אופטיות של זכוכית הן תכונות פיזיקליות, אך הן תלויות בהרכב הכימי של החומרים מהם עשויה הזכוכית.
מרבית הזכוכיות יכולות להעביר דרכן את האור הנראה. זיהומים בזכוכית כגון נחושת או ברזל מורידים את היכולת של הזכוכית להעביר דרכה אור. גוון ירקרק של זכוכית (שניתן לראותו, למשל, כשמסתכלים בזכוכית מראה או חלון מהצד) נובע מהמצאות יוני ברזל.
בזכות יכולתם של הזכוכית להעביר את האור בתחום הנראה והאינפרא אדום הקרוב דרכן יש לזכוכיות שימושים רבים כגון: שמשות לחלונות, סיב אופטי, שימוש ביצירת קישוטים לבית ונברשות, עדשות למשקפיים, מצלמה ועוד.
לזכוכיות שונות יש מקדמי שבירה שונים (refractive index). מקדם שבירה - מקדם שבירה היא תכונה פיזיקלית של חומר שקוף, המציינת את שינוי הזווית של האור המועבר. מקדם השבירה תלוי בהרכב הכימי של הזכוכית ובמאמצים הפועלים בה.
זכוכית פוטוכרומית – היא זכוכית המתכהה כאשר נחשפת לאור השמש כתוצאה מפרוק גבישים של מלחי כסף באור UV ויצירת כסף מתכתי אטום. כאשר הקרינה נפסקת הגוון הכהה של הזכוכית נעלם כיוון שהכסף שוב מתחמצן לקבלת מלחים שקופים.