Aplikasi Kimia : Pembuatan Kaca Skala Pabrik dan Aplikasinya

Kaca adalah suatu bentuk materi. Kaca adalah padatan yang dihasilkan dengan mendinginkan material cair sehingga susunan internal atom, atau molekul, tetap dalam keadaan acak atau tidak teratur, mirip dengan pengaturan dalam cairan. Benda Padat yang seperti itu dikatakan amorf atau kaca. Pada benda Padat biasa, memiliki struktur kristal biasa. Perbedaannya diilustrasikan pada Gambar di bawah 

Struktur Kaca

Banyak bahan bisa dibuat menjadi kaca. Permen keras misalnya, bahan utama pembuatnya adalah terdiri dari gula tetapi bentuknya padat seperti kaca. Orang umum menyebut "kaca" adalah produk yang terbuat  dari silika (SiO2). Bentuk silika yang umum adalah pasir, tapi juga terjadi di alam dalam bentuk kristal yang dikenal sebagai kuarsa. Silika murni dapat menghasilkan kaca yang sangat bagus, namun sangat susah untuk meleleh atau memerlukan suhu tinggi untuk melelehkannya (1.723 C atau 3.133  F), dan lelehannya sangat kental sehingga sulit ditangani. Semua gelas yang umum mengandung bahan lain yang membuat silika lebih mudah meleleh dan cairan panas lebih mudah terbentuk.

Botol Kaca

Kaca Alami
Mungkin pada awal 75.000 SM. , Jauh sebelum manusia telah belajar bagaimana membuat kaca, mereka menggunakan kaca alami untuk membuat pisau, panah, dan barang yang bermanfaat lainnya. Kaca alam yang paling umum adalah obsidian, terbentuk saat panas gunung berapi melelehkan batuan seperti granit, yang kemudian menjadi kaca pada pendinginan.  

Batu Obsidian

Kaca alami lainnya adalah batu apung, busa kaca yang dihasilkan dari lava; Fulgurit, tabung kaca yang dibentuk oleh pasir yang menyambar petir atau tanah berpasir; dan tektites, benjolan atau manik-manik kaca mungkin terbentuk saat terjadi benturan meteor.

Kaca Buatan (Sintetis)
Kapan, dimana, atau bagaimana manusia menemukan cara membuat kaca tidak diketahui. Manik-manik kaca berwarna kecil yang sangat kecil telah diberi tanggal kembali ke 4000 SM. Ini mungkin disebabkan oleh produk peleburan tembaga atau kaca tembikar. Pada 2500 SM. Potongan kecil kaca sintetis sejati muncul di daerah-daerah seperti Mesopotamia, namun industri kaca sebenarnya tidak muncul sampai sekitar 1500 SM. di Mesir. Pada saat ini berbagai vas kecil, stoples kosmetik, dan barang-barang perhiasan yang terbuat dari kaca sudah mulai nampak.

Perabot dari Kaca

Semua kaca kuno itu dibuat dari silika (pasir), dimodifikasi dengan penambahan oksida logam, terutama soda (Na2O) dan kapur (CaO). Bahan ini masih merupakan bahan kaca  yang paling umum digunakan pada saat ini. Bahan ini dikenal sebagai gelas soda kapur. Namun, kaca kuno biasanya berwarna dan buram karena adanya berbagai kotoran, sedangkan kaca paling modern memiliki bentuk yang transparan.

Ratusan ribu komposisi kaca yang berbeda telah dirancang, dan telah digunakan dengan cara yang berbeda. Banyak yang telah belajar tentang kombinasi bahan kimia mana yang akan menghasilkan kaca terbaik untuk tujuan tertentu. Sebagai contoh, pada tahun 1664 seorang Inggris bernama Ravenscroft menemukan bahwa menambahkan timbal oksida (PbO) ke gelas meleleh menghasilkan gelas cemerlang yang jauh lebih mudah meleleh dan dibentuk. Sejak saat itu gelas timbal telah digunakan untuk membuat mangkuk kristal halus dan gelas dan berbagai jenis kaca seni. 

Perkembangan penting pada pembuatan kaca terjadi pada awal 1900-an yaitu untuk memecahkan masalah serius dimana ketidakmampuan kaca menahan guncangan suhu. Kegagalan ini mengakibatkan kecelakaan tragis di masa awal rel kereta api. Lentera kaca yang digunakan sebagai sinyal akan menjadi sangat panas, dan kemudian, jika hujan mulai turun, pendinginan yang cepat terkadang menyebabkan kaca pecah dan sinyal akan gagal. Masalahnya dipecahkan dengan mengganti sebagian besar soda di kaca dengan boron oksida (B2O3). Kaca yang dihasilkan disebut borosilikat, mengandung sekitar 12 persen oksida boron dan dapat menahan variasi suhu hingga 200 C (392 F). Kaca ini juga memiliki ketahanan kimia yang lebih besar daripada gelas soda kapur. Saat ini gelas borosilikat digunakan di kebanyakan gelas laboratorium (beaker, labu, tabung reaksi, dll.) dan kaca tempat pemanggangan di dapur.

Peralatan gelas kimia

Untuk ketahanan sengatan panas yang lebih besar dan daya tahan bahan kimia, alumina (Al2O3) dapat digunakan sebagai pengganti boron oksida. Kaca aluminosilikat yang dihasilkan memiliki ketahanan terhadap sengatan panas sehingga bisa digunakan langsung pada elemen pemanas pada bagian atas kompor dapur. Ini juga digunakan untuk membuat botol khusus yang digunakan untuk resep farmasi cair, dan untuk menghasilkan benang kaca yang ditenun menjadi kain fiberglass.

Kaca Fiber

Pembuatan kaca silika tinggi (96,5-100% silika) tetap sulit dilakukan karena titik lebur silika murni yang sangat tinggi. Namun, itu dibuat untuk tujuan khusus karena daya tahannya yang luar biasa, ketahanan yang sangat baik terhadap kejutan termal atau serangan kimia, dan kemampuan untuk mentransmisikan sinar ultraviolet (kemampuan yang tidak dimiliki kaca biasa). Jendela ruang angkasa, terbuat dari silika 100 persen, dapat menahan suhu setinggi 1.200 C (2.192 F). Tabel 1 mencantumkan lima jenis kaca utama beserta sifat dan kegunaannya.

Komposisi Kaca  

Pembuatan kaca melibatkan tiga jenis bahan dasar: pembentuk, pencair/fluks (penurun titik leleh), dan stabilisator. Pembentuk kaca adalah komponen kunci dalam struktur bahan kaca. Yang pertama digunakan pada kebanyakan gelas adalah silika (SiO2). Silika murni sulit dilelehkan karena titik leburnya yang sangat tinggi (1.723 C, atau 3.133 F), namun pencair dapat ditambahkan untuk menurunkan suhu leleh. Pembentuk kaca lainnya dengan titik lebur yang jauh lebih rendah (400 C-600 C, atau 752-1.112  F) adalah borak oksida (B2O3) dan fosfor pentoksida (P2O5). Ini mudah dicairkan, tapi karena produk kaca mereka larut dalam air, mereka memiliki kegunaan yang terbatas.

Sebagian besar gelas silika mengandung fluks tambahan, sehingga silika dapat dicairkan pada suhu yang jauh lebih rendah (800 C-900 C, atau 1.472-1.652 F). Fluks standar meliputi soda (Na2O), kalium (K2O), dan lithum (Li2O). Seringkali fluks ditambahkan sebagai zat karbonat (misalnya, Na2 CO3), CO2 dimatikan saat pemanasan. Kaca yang hanya mengandung silika dan fluks, bagaimanapun, memiliki daya tahan yang buruk dan sering larut dalam air.

Agar kaca lebih kuat dan tahan lama, stabilizer ditambahkan. Penstabil yang paling umum adalah kapur (CaO), tapi sering juga bahan lainnya ditambahkan misalnya magnesia (MgO), baria (BaO), dan litharge (PbO). Kaca yang paling umum, dibuat dalam jumlah terbesar oleh pembuat kaca kuno dan modern, bahan dasarnya adalah silika sebagai pembentuk kaca, soda sebagai fluks, dan kapur sebagai penstabil. Ini adalah kaca yang digunakan untuk membuat jendela, botol, stoples, dan bola lampu.

Pewarnaan Kaca

Kaca alami yang digunakan oleh orang dahulu berwarna gelap, biasanya berkisar dari hijau daun atau coklat hingga hitam pekat. Karena adanya sejumlah kotoran logam yang signifikan, terutama zat besi. Bahkan saat ini kehadiran besi di mana-mana menyebabkan kaca biasa hanya memiliki warna hijau pudar.

Banyak pewarna standar kaca adalah oksida logam seperti kobalt (biru), kromium (hijau), dan mangan (violet). Kaca kuning biasanya dibuat dengan kadmium sulfida, dan gelas merah atau merah muda biasanya mengandung selenium, meski beberapa gelas berwarna ruby ​​telah ditambahkan emas. Pewarnaan kaca bukanlah hal yang sederhana. Warna kaca tidak hanya bergantung pada elemen mana saja yang ditambahkan, tapi juga pada komposisi kaca, dan apakah tungku yang digunakan berada dalam mode pengoksidasi atau pereduksi. Tembaga, misalnya, bisa menghasilkan kaca biru, hijau atau merah buram, tergantung kondisi peleburannya.Orang Mesir tahun 1500 SM. Tahu bahwa mereka bisa membuat kaca berwarna cerah dengan menambahkan logam tertentu (atau senyawanya) ke gelas yang mencair. Bangsa Romawi kuno melanjutkan ilmu membuat kaca berwarna dan memperluasnya. Pada abad ke-4 M. orang-orang Romawi telah belajar membuat gelas yang bersifat dichromic (dua warna). Benda kaca dichromic yang paling terkenal yang ditinggalkan oleh orang Romawi adalah Lycurgus Cup (sekarang di British Museum). Kaca  berwarna hijau pada pantulan cahaya (dengan lampu di depan cangkir), tapi merah di lampu yang ditransmisikan (lampu di belakang cangkir). Kaca yang tidak biasa ini mengandung partikel mikroskopis emas dan perak. 

Gelas Lycurgus

Pembuatan KacaMetode Kuno.  

Membentuk gelas panas dan cair menjadi barang bermanfaat telah lama menjadi tantangan tersendiri. Kaca cair sangat panas, kaustik, lengket, dan sulit ditangani. Pada periode ini berkisar dari sekitar 2000 SM. Sampai 50 SM. , Ada tiga metode dasar yang digunakan untuk membentuk kaca. Salah satu yang paling awal dan paling banyak digunakan adalah pembentukan inti. Ini melibatkan distribusi gelas cair di sekitar inti tanah liat pada batang logam. Batang dengan inti tanah liat bisa dicelupkan ke dalam gelas cair, atau gelas cairan panas bisa dituangkan di atasnya. Lapisan kaca luar kemudian digulung (ditumbuk) pada permukaan batu datar untuk menghaluskannya. Seringkali benda itu dihiasi dengan menitikkan lebih banyak, terkadang dengan warna yang berbeda, ke permukaannya. Kaca panas kemudian disiram (di dinginkan perlahan sehingga bisa menghilangkan tekanan termal), dan batang logam dilepas dan inti tanah liat tergores.Metode kedua melibatkan pelenturan dan penggabungan. Pada proses ini disebut tahap pengambilan batang kaca atau tongkat yang sudah ada sebelumnya (yang seringkali memiliki warna yang berbeda), menempatkannya di atas atau di atas cetakan, dan kemudian memanaskan batang sampai mereka melentur dan menyatu bersama dan sesuai dengan bentuk cetakannya. (Lembaran kaca juga bisa dilipat di atas cetakan tanah liat berbentuk.)Metode ketiga adalah casting, atau tahap yang disebut untuk menuangkan gelas panas dan cair ke dalam cetakan. Sebuah variasi pada kaca cor adalah faience, terbuat dari bubuk kuarsa dicampur ke dalam gelas cair. Campuran bisa ditekan di antara dua cetakan untuk membuat bejana tuang seperti mangkuk.Ketiga metode ini lamban, dan umumnya mereka menghasilkan barang-barang kecil yang agak tebal. Potongan kaca cenderung cukup mahal, dan, di zaman kuno, terjangkau hanya oleh orang yang sangat kaya. 

Peniupan kaca.  

Mungkin di Timur Tengah selama abad pertama masehi. Bahwa teknik penting dari peniupan kaca  ditemukan. Batang logam berongga (atau pipa) digunakan untuk mengambil segumpal gelas cair; Tindakan meniup ke pipa menghasilkan gelembung kaca. Jika gelembung ditiupkan ke dalam cetakan, gelas cair bisa diberi bentuk yang diinginkan. Bantal dan penjepit kayu digunakan untuk memperbaiki bentuk lebih jauh lagi. Prosedur peniup digunakan untuk membuat benda kaca yang lebih besar dan lebih tipis dari yang telah dibuat sebelumnya, dan ini jauh lebih cepat daripada metode pembentuk kaca sebelumnya. Sebagai potongan kaca menjadi lebih mudah dibuat, sehingga menjadi lebih murah dan lebih banyak tersedia. Bangsa Romawi kuno menjadi sangat ahli dalam pembuatan gelas. Lebih banyak gelas diproduksi dan digunakan di dunia Romawi daripada di peradaban kuno lainnya. Selama Abad Pertengahan, ada ekspansi besar aktivitas peniupan gelas, terutama di Venesia, Timur Tengah, dan negara-negara Eropa seperti Spanyol dan Jerman.

Metode Modern.

Sejak abad kesembilan belas, metode pembentukan kaca berabad-abad telah dimekanisasi, sangat meningkatkan laju produksi benda kaca, dan menurunkan harga benda-benda ini. Misalnya, "mesin pita", yang dikembangkan pada tahun 1920 untuk pelepasan bohlam otomatis, merupakan tonggak pembentukan kaca mekanis. Di dalam mesin pita, embusan gelembung kaca meniupkan udara dari pita kaca cair yang bergerak cepat menjadi aliran cetakan yang memberi bentuk lampu  dan kemudian melepaskannya. Bola lampu kecil kosong bisa dibuat dengan kecepatan 1.000 per menit. 

Saat ini jutaan jendela kaca di bangunan dan kendaraan di mana-mana, kita cenderung mengabaikan lembaran kaca datar begitu saja. Sepanjang sebagian besar sejarah manusia, bagaimanapun, tidak ada lembaran kaca transparan dan datar, bahkan sampai abad kedelapan belas, jendela kaca sangat jarang ada

Dengan cara yang sangat terbatas, jendela kaca mulai muncul di dunia Romawi selama abad ketiga, namun pada umumnya pecahan kaca kecil ada di bingkai perunggu atau kayu. Di era itu kebanyakan jendela bukan kaca, tapi lembaran tipis dari tanduk tembus atau marmer, atau mungkin panel mika (isinglass). Sekitar 600 M., selama periode Bizantium, jendela kaca (biasanya terbuat dari potongan-potongan kecil kaca berwarna) mulai muncul di gereja-gereja besar, namun jendela kaca di rumah dan bangunan-bangunan lainnya tetap langka sampai akhir abad kedelapan belas.

Metode utama untuk membuat kaca lembaran pada tahun 1700-an di sebut denga peniupan n gelembung kaca panas, mengamankan batang besi ke sisi gelembung, dan kemudian memotong gelembung lepas dari pipa. Kaca panas berbentuk tulip kemudian diputar dengan cepat di sekitar sumbu batang besi sampai gaya sentrifugal memaksa kaca tulip untuk membuka dan membentuk piringan. Batang itu kemudian dikeluarkan dari kaca (meninggalkan tempat di tengah cakram kaca yang tampak seperti mata banteng). Metode ini adalah sumber jendela "bull's-eye" lama yang terkadang masih bisa ditemukan di pub Inggris. Jendela berukuran terbatas dan miskin kualitas optiknya (selain memiliki mata banteng di pusatnya).Metode utama pembuatan kaca lembaran pada tahun 1800an adalah metode silinder. Langkah pertama adalah meniupkan gelembung kaca besar (udara tekan sering digunakan); Kemudian diayunkan ke belakang dan ke belakang sampai gelembung itu memanjang dan mengambil bentuk silinder; Akhirnya silinder terbelah memanjang, dipanaskan ulang, dan dibiarkan merata pada meja besi. Jendela kaca yang dihasilkan tidak rata-rata, dan distorsi optiknya banyak, namun metode ini digunakan secara luas untuk membuat kaca lembaran. Misalnya, digunakan untuk memproduksi 300.000 panel kaca yang digunakan untuk membangun Istana Kristal London,rumah kaca besar yang dibangun untuk Pameran Adat Dunia London tahun 1851.

Pada abad ke-20, metode ini digantikan oleh teknik inovatif yang ditemukan oleh seorang berkebangsaan Belgia bernama Foucault, yang telah mempelajari cara membuat lembaran kontinu dari tangki yang diisi dengan gelas cair. Bahkan kaca ini memiliki ketebalan yang tidak seragam dan memiliki kekasaran di permukaannya, oleh karena itu, untuk kaca lembaran berkualitas tinggi, kaca itu harus digiling dan dipoles. 

Kemudian, pada tahun 1959, Pilkington Glass Works di Inggris memperkenalkan proses "kaca mengapung". Dalam proses ini, kaca cair dibiarkan mengalir terus menerus ke permukaan seperti cermin timah cair pada suhu 1.000 C (1,832 F). Pada suhu ini kaca menyebar dan menjadi lapisan yang tebal sekitar 6 milimeter (1/4 inci). Jika lapisan diregangkan saat mendingin, ketebalan 2 milimeter (0,08 inci) bisa tercapai. Kaca dibiarkan melaju di atas kaleng cair panas sampai, pada 600 C (1,112 F), menjadi cukup padat untuk diangkat dari permukaan timah cair. Kemudian dianil (dipanaskan untuk menghilangkan regangan) sebelum dipotong sesuai dengan panjang lembar yang diinginkan. Metode kaca mengapung cepat menggantikan proses Foucault, dan hari ini adalah metode standar untuk membuat kaca lembaran. Pabrik kaca mengapung besar modern dapat menghasilkan 5.000 ton lembaran kaca per minggu, dan dapat dioperasikan 24 jam sehari, 365 hari setahun, selama beberapa tahun sebelum perbaikan serius diperlukan. Kaca terapung memiliki ketebalan yang seragam dan permukaan yang dipoles dengan api terang yang tidak perlu digiling atau dipoles.

Gambaran serat kaca sudah lama menarik perhatian, namun serat kaca tidak banyak digunakan sampai abad ke-20. Barang seperti gaun pengantin yang terbuat dari kain serat kaca sebagian besar bersifat keingintahuan, dibuat untuk pameran dan mengesampingkan penggunaannya. Pada tahun 1930an periset kaca belajar memasukan gelas cair ke dalam bantalan platinum yang memiliki ratusan lubang kecil. Filamen kaca halus 10 sampai 50 mikron dengan cepat ditarik ke bawah dan dirakit sebagai bundel atau helai serat kaca. Saat ini penggunaan utama dari kain kaca atau filamen adalah untuk memperkuat plastik yang digunakan untuk membuat komposit yang diperkuat fiberglass. Komposit ini banyak digunakan untuk pembuatan kapal, dari kano hingga yacht, dan bodi mobil, seperti Corvette. Pasar dari serta kaca adalah untuk isolasi kaca wol. Dalam proses seperti dalam pembuatan permen kapas, serat kaca halus dipintal, disemprot dengan zat pengikat organik, dan kemudian siperlakukan dengan panas dan dipotong menjadi tikar dengan berbagai ukuran, untuk digunakan untuk isolasi bangunan dan peralatan.

Tentunya perkembangan serat gelas paling signifikan belakangan ini adalah serat optik, atau panduan gelombang optik. Serat kaca ultra murni dan halus ini adalah bagian paling penting dari teknologi komunikasi modern, dimana serat kaca menghubungkan telepon, televisi, dan komputer. Satu helai serat optik kaca yang memiliki lapisan plastik pelindung terlihat seperti rambut manusia. Serat kaca memiliki inti dalam silika leburan ultra murni, yang dilapisi dengan kaca silika lain yang berfungsi sebagai penghalang bias cahaya. Laser digunakan untuk mengubah gelombang suara dan impuls listrik menjadi pulsa cahaya yang dikirim, bebas dari statis, melalui inti kaca dalam. Serat kaca dapat mengirimkan informasi berkali-kali lebih banyak daripada yang dapat dibawa oleh muatan yang bergerak dalam kawat tembaga. Sebenarnya, satu pon panduan gelombang optik kaca dapat mentransmisikan sebanyak mungkin informasi yang bisa dikirim melalui 200 ton kawat tembaga. Saat ini jutaan mil serat optik saling silang tidak hanya di Amerika Serikat, tapi juga seluruh planet.

Jendela-jendela perlu dibersihkan. Pada tahun 2000 sebuah kaca baru yang sebagian besarbisa  membersihkan dirinya sendiri saat berhubungan dengan hujan diperkenalkan. Kaca perawatan rendah ini dikembangkan oleh Pilkington Glass Works, perusahaan yang menemukan proses pembuatan metode pelampung. Pembuatan kaca ini dilakukan dengan menyetorkan lapisan tipis titanium dioksida (TiO 2) secara mikroskopik pada kaca lembaran panas selama pembuatannya dalam proses pelampung. Seperti kotoran yang terkumpul di jendela, sinar ultraviolet Matahari mendorong reaksi katalitik di permukaan kaca yang memecah dan mengendurkan kotoran permukaan.