แก้ว (Glass) เป็นวัสดุที่มนุษย์รู้จักและนำมาใช้ประโยชน์มานานกว่า 5,000 ปี เริ่มจากชาวอียิปต์นำแก้วมาทำเป็นลูกปัดและพลอยเทียมเพื่อใช้บนเครื่องประดับ และนำมาทำเป็นขวดหรือถ้วยขนาดเล็กเพื่อใช้เป็นภาชนะบรรจุ ในยุคโรมันแก้วถูกนำมาทำเป็นภาชนะและของใช้ในครัวเรือนสำหรับชีวิตประจำวันมากขึ้น และเป็นที่นิยมในยุคต่อมาจนถึงปัจจุบัน แก้วเป็นของแข็งที่ประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุลที่อยู่รวมกันโดยไม่มีการเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ หรือที่เรียกว่า อสัณฐาน (Amorphous) เตรียมได้จากการหลอมสารอนินทรีย์ที่อุณหภูมิสูง จนวัตถุดิบหลอมเป็นน้ำแก้วอยู่ในสถานะเป็นของเหลว จากนั้นถูกขึ้นรูปและทำให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็วจนองค์ประกอบของโครงสร้างแก้วไม่มีเวลาเพียงพอที่จะเรียงตัวให้เป็นโครงสร้างที่เป็นระเบียบ โดยของแข็งที่ได้จากการขึ้นรูปจากแก้วหลอมมีลักษณะเป็นของแข็งที่ไม่มีผลึก และมีสมบัติกึ่งเสถียร ซึ่งสมบัติทั่วไปของแก้ว มีดังนี้
1. แก้วมีโครงสร้างทางเคมีไม่แน่นอน แต่จะมีองค์ประกอบทางเคมีคล้ายกันคือ ประกอบด้วยซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) และโซเดียมคาร์บอเนต (Na2CO3) เป็นหลัก
2. มีความแข็งแต่เปราะ ทำให้แตกหักง่าย
3. เป็นตัวนำไฟฟ้าไม่ดีที่อุณหภูมิห้อง แต่จะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเมื่อมีอุณหภูมิสูง
4. มีลักษณะโปร่งใส (Transparency)
5. สามารถทำให้หลอมละลายได้ด้วยความร้อน
6. เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นสมบัติของแก้วจะเปลี่ยนไปทั้งลักษณะทางกายภาพ และสมบัติทางเคมี
7. มีช่วงการหลอมละลายกว้าง
8. สมบัติทางกายภาพต่างๆ ที่เปลี่ยนแปลงนั้นจะสามารถสังเกตเห็นได้
(ที่มา : http://lib3.dss.go.th/fulltext/glass/seminar25_26-07-56/Glass_structure_and_raw_materials.pdf)
แก้วมีองค์ประกอบเป็นออกไซด์ของธาตุหลายชนิดที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับชนิดของแก้ว คือ
- ทรายซิลิกา (Silicon Dioxide, SiO2) เป็นองค์ประกอบหลักที่ใช้ในการผลิตแก้ว แก้วที่มีปริมาณทรายซิลิกาสูงจะมีโครงสร้างที่แข็งแรง ทนทานต่อความร้อนและสารเคมี เนื่องจากใช้อุณหภูมิในการหลอมเหลวสูง แต่จะผลิตและขึ้นรูปได้ยาก
- โซดาแอช (Sodium Carbonate, Na2CO3) เป็นตัวช่วยลดอุณหภูมิในการหลอมของแก้ว โดยสามารถลดอุณหภูมิได้ประมาณ 800 องศาเซลเซียสระหว่างการหลอม ทำให้การหลอมง่ายขึ้น ช่วยลดต้นทุน การผลิตได้ โดยจะผสมกับทรายในอัตราส่วนประมาณร้อยละ 10-15
- หินปูน (Limestone) ทำหน้าที่ในการช่วยลดอัตราการละลายน้ำ เพราะแก้วที่มาจากการผสมระหว่างทรายกับโซดาแอชจะเป็นแก้วที่ละลายน้ำได้ง่าย
- หินฟันม้า (Feldspar) มีสมบัติทำให้แก้วมีความคงทน ถูกนำมาใช้ทดแทนคัลไซน์อะลูมินา (Caleined Alumina) ซึ่งมีราคาแพง
- โซเดียมออกไซด์ (Sodium Oxide, Na2O) แก้วที่มีปริมาณโซเดียมออกไซด์สูงจะหลอมเหลวที่อุณหภูมิต่ำ ทำให้เปราะแตกง่าย และไม่ทนต่อสารเคมี
- โพแทสเซียมออกไซด์ (Potassium Oxide, K2O) ช่วยให้การตกผลึกเป็นไปอย่างช้าๆ ทำให้ผลึกเรียงตัวสวยงาม
- แคลเซียมออกไซด์ (Calcium Oxide, CaO) แมกนีเซียมออกไซด์ (Magnesium Oxide, MgO) หรือแบเรียมออกไซด์ (Barium Oxide, BaO) ช่วยให้ผลิตภัณฑ์มีการขึ้นรูปเร็วขึ้น และช่วยให้ทนต่อสารเคมีมากขึ้น
- อะลูมิเนียมออกไซด์ (Aluminum Oxide, Al2O3) ช่วยให้แก้วมีความทนทานต่อการสึกกร่อนและสารเคมีได้ดีขึ้น
- โบรอนออกไซด์ (Boron Oxide, B2O3) เป็นตัวที่ช่วยให้แก้วมีสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ ทำให้ทนทานต่อสภาวะความเป็นกรด-ด่าง และความร้อน มักใช้เป็นส่วนผสมในการผลิตเครื่องแก้วในห้องปฏิบัติการ อุปกรณ์ในครัวเรือน หรือไฟหน้าของรถยนต์
- เลดออกไซด์ (Lead Monoxide, PbO) ช่วยให้เนื้อแก้วใส วาว เวลาเคาะจะมีเสียงกังวาน ไม่แข็งกระด้าง เนื่องจากมีค่าดัชนีหักเหสูง
- เฟอร์ริกออกไซด์ (Ferric Oxide, Fe2O3) ช่วยให้ประหยัดเชื้อเพลิงในการหลอม แต่จะทำให้เนื้อกระจกมีสีค่อนไปทางเขียว
- ออกไซด์อื่นๆ เนื่องจากแก้วมีคุณสมบัติโปร่งแสงและใส หากต้องการให้แก้วหรือกระจกมีสีสันต่างๆ เพื่อเพิ่มความสวยงาม สามารถเติมสารเหล่านี้ ได้แก่ โครเมียมออกไซด์ (Chromium Oxide, Cr2O3) ให้สีเขียว โคบอลท์ออกไซด์ (Cobalt Oxide, CoO) ให้สีน้ำเงิน ยูเรเนียม (Uranium, U) ให้สีเหลือง นิกเกิล (Nickle, Ni) ให้สีน้ำตาล คาร์บอน-ซัลเฟอร์-ไอรอน (C-S-Fe) ให้สีอำพัน และแมงกานีส (Manganese, Mn) ให้สีชมพู ทั้งนี้ องค์ประกอบชนิดต่างๆ ที่นำมาใช้ในการผลิตแก้วนั้น โดยทั่วไปมีลักษณะคล้ายคลึงกันแต่แตกต่างกันตรงสัดส่วน นั่นคือ องค์ประกอบที่ต่างกันจะทำให้ผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันด้วย
การแบ่งประเภทของแก้วสามารถแบ่งได้หลายแบบ ได้แก่ แบ่งตามองค์ประกอบทางเคมี แบ่งตามลักษณะการใช้งาน และแบ่งตามชนิดผลิตภัณฑ์ แต่ส่วนใหญ่มักแบ่งประเภทของแก้วตามองค์ประกอบทางเคมี โดยประเภทของแก้วแบ่งตามองค์ประกอบทางเคมี สามารถแบ่งได้เป็น 7 ชนิด ดังนี้
1. แก้วโซดาไลม์ (Soda-lime glass) แก้วชนิดนี้พบได้ทั่วไป และถูกนำมาใช้มากที่สุดในอุตสาหกรรมแก้ว ผลิตจากวัตถุดิบหลัก ได้แก่ ทรายซิลิกา โซดาแอช ปูนขาว และเศษแก้ว ใช้อุณหภูมิปานกลางในการหลอมประมาณ 1,300-1,400 องศาเซลเซียส แก้วชนิดนี้มีความทนทานอยู่ในระดับกลาง นิยมนำไปใช้ในการผลิตหน้าต่าง (Flat glass) สำหรับก่อสร้าง รถยนต์และบรรจุภัณฑ์หลายชนิด หากต้องการให้แก้วมีสีสันสามารถเติมออกไซด์ที่มีสีลงไป
2. แก้วบอโรซิลิเกต (Borosilicate glass) เป็นแก้วชนิดพิเศษที่มีการเติมบอริค-ออกไซด์ (B2O3) ลงไป ทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของแก้วซิลิเกตลดลงถึง 50% ส่งผลให้ความทนทานต่อการแตกดีขึ้น แก้วชนิดนี้มักนำไปใช้ทำเครื่องแก้วทางวิทยาศาสตร์ ภาชนะแก้วสำหรับใส่ในเตาไมโครเวฟ และเทอร์โมมิเตอร์
3. แก้วตะกั่ว (Lead glass) หรือแก้วคริสตัล แก้วชนิดนี้จะมีตะกั่วออกไซด์มากกว่า 24% โดยน้ำหนักเป็นแก้วที่มีดัชนีหักเหสูงกว่าแก้วชนิดอื่น มีความเป็นประกายแวววาวสวยงาม แกะสลักเป็นลวดลายต่างๆ ได้ ใช้ในการทำเครื่องแก้วที่มีราคาแพง ซึ่งมีความหนาแน่น 8.00 มีน้ำหนักมาก มีค่าดัชนีหักเห (Reflective Index) อยู่ระหว่าง 1.507-2.179 ความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบที่จะนำมาใช้ในการผลิตแก้วชนิดนี้มีความสำคัญมาก เพราะหากมีการปนเปื้อนของสารอื่นจะทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้เปลี่ยนแปลงไป
4. แก้วโอปอล์ (Opal glass) แก้วชนิดนี้มีความขุ่นหรือทึบแสง เนื่องจากมีการเติมสารบางชนิด เช่น โซเดียมฟลูออไรด์ หรือแคลเซียมฟลูออไรด์ลงไป ทำให้เกิดการตกผลึกหรือการแยกเฟสขึ้นในเนื้อแก้ว ใช้ต้นทุนการผลิตต่ำ ลักษณะเฉพาะตัวของแก้วชนิดนี้ คือ มีความขุ่น ซึ่งหากมีความขุ่นหรือทึบมากเท่าใด ก็จะยิ่งไวต่อการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีมากขึ้นเท่านั้น
5. แก้วอะลูมิโนซิลิเกต (Alumino silicate glass) แก้วชนิดนี้มีส่วนผสมของอะลูมินา และทรายซิลิกาเป็นหลัก มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำ และมีจุดอ่อนตัว(Softening Point) ของแก้วสูง สามารถป้องกันการเสียรูปทรงเมื่อทำการอบ และเพิ่มความแข็งแรงให้แก่ผลิตภัณฑ์
6. แก้วอัลคาไลน์-เอิร์ท อะลูมิโน ซิลิเกต (Alkaline-Earth Alumino Silicate) แก้วชนิดนี้มีส่วนผสมของแคลเซียมออกไซด์ หรือแบเรียมออกไซด์ ทำให้มีค่าดัชนีหักเหใกล้เคียงกับแก้วตะกั่ว แต่ผลิตง่ายและมีความทนทานต่อกรดและด่างมากกว่าแก้วตะกั่วเล็กน้อย
7. กลาส-เซรามิกส์ (Glass ceramics) เป็นแก้วประเภทลิเธียมอะลูมิโนซิลิเกตที่มีไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO2) หรือ เซอร์โคเนียมไดออกไซด์ (ZrO2) ทำให้เกิดผลึกในเนื้อแก้ว ส่งผลให้แก้วมีความทึบแสงหรือโปร่งใสขึ้นกับชนิดของผลึก แก้วชนิดนี้จะทนทานและมีสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำมากสามารถนำไปใช้เป็นภาชนะหุงต้ม หรือเป็นแผ่นบนเตาหุงต้มได้
ผลิตภัณฑ์จากแก้วโซดาไลม์ ผลิตภัณฑ์จากแก้วบอโรซิลิเกต
(ที่มา : http://www.redhill-balls.eu/en/ (ที่มา : https://images-na.ssl-imagesamazon.com/
product/soda-lime-glass-balls) images/I/41K81gzbcwL._SX385_.jpg)
ผลิตภัณฑ์จากแก้วตะกั่ว ผลิตภัณฑ์จากกลาส-เซรามิกส์
(ที่มา : http://c300221.r21.cf1.rackcdn.com/ (ที่มา : http://www.ubu.ac.th/web/files_up/08f2013012915034224.pdf)
crystal-glassware-lead-glass-engraved-
lead-glass-black-crystal-1391441396_org.jpg)
อุตสาหกรรมแก้วและกระจกนับเป็นอุตสาหกรรมหนึ่งที่มีความสำคัญต่อเศรษฐกิจของประเทศไทย เนื่องจากมีการส่งออกผลิตภัณฑ์แก้วในปริมาณที่ค่อนข้างสูง อีกทั้งยังเป็นอุตสาหกรรมพื้นฐานของการพัฒนาอุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น อุตสาหกรรมก่อสร้าง อุตสาหกรรมรถยนต์ อุตสาหกรรมอาหาร เป็นต้น แต่ผู้ประกอบการผลิตภัณฑ์แก้วอาจประสบปัญหาขาดเครื่องมือทดสอบที่จำเป็นสำหรับการควบคุมคุณภาพการผลิต ขาดบุคลากรที่เชี่ยวชาญและเทคโนโลยีในกระบวนการผลิตที่ดี ส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ไม่เป็นไปตามมาตรฐานที่กำหนด กรมวิทยาศาสตร์บริการจึงได้จัดตั้งศูนย์เชี่ยวชาญด้านแก้ว เพื่อให้บริการด้านวิเคราะห์ทดสอบ ด้านการวิจัยพัฒนา และด้านการฝกอบรม หรือให้คำปรึกษาทางวิชาการต่อภาคเอกชนและบุคคลทั่วไป รวมทั้งการพัฒนาบุคลากรของภาคอุตสาหกรรม ซึ่งเป็นอีกแนวทางหนึ่งสำหรับช่วยลดปัญหาเหล่านี้ได้ โดยผู้ที่สนใจสามารถดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ http://glass.dss.go.th/
เอกสารอ้างอิง
กรมโรงงานอุตสาหกรรม กระทรวงอุตสาหกรรม. หลักปฏิบัติเทคโนโลยีการผลิตที่สะอาด (การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและการป้องกันมลพิษ) อุตสาหกรรมแก้ว.
[ออนไลน์] [อ้างถึงวันที่ 8 พฤษภาคม 2560] เข้าถึงจาก : http://php.diw.go.th/ctu/files/pdf/glassindustry.pdf
โครงการบริการข้อมูลวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีวัสดุแก้ว (Glass Science and Technology Information Services). วัสดุแก้ว. [ออนไลน์]
[อ้างถึงวันที่ 9 พฤษภาคม 2560] เข้าถึงจาก : http://www2.mtec.or.th/th/research/GSAT/glassweb/define.html
เทพีวรรณ จิตรวัชรโกมล และ กนิษฐ์ ตะปะสา. ห้องปฏิบัติการเชี่ยวชาญด้านแก้ว มุ่งมั่นพัฒนาศักยภาพผู้ประกอบการไทยทุกระดับ. [ออนไลน์]
[อ้างถึงวันที่ 8 พฤษภาคม 2560] เข้าถึงจาก : http://lib3.dss.go.th/fulltext/dss_J/2558_63_197_p7-11.pdf
ฤดี นิยมรัตน์. บทที่ 1 แก้ว. [ออนไลน์] [อ้างถึงวันที่ 8 พฤษภาคม 2560]
เข้าถึงจาก : http://www.teacher.ssru.ac.th/reudee_ni/file.php/1/CeramicTechnology/c1-glass.pdf
สุมาลี ลิขิตวนิชกุล. แก้วสำหรับครัวเรือน. วารสารกรมวิทยาศาสตร์บริการ, พฤษภาคม, 2543, ปีที่ 48, ฉบับที่ 153, หน้า 28-34.
(แฟ้มประมวลสารสนเทศเฉพาะเรื่อง (CF 31), A33)
เอกรัฐ มีชูวาศ. ความรู้เบื้องต้นด้าน Glass Science และการวิเคราะห์สมบัติของแก้ว. เอกสารการฝึกอบรมของศูนย์เชี่ยวชาญด้านแก้ว/
กลุ่มวัสดุอัจฉริยะและเทคโนโลยีเคลือบผิว, กรุงเทพฯ : กองวัสดุวิศวกรรม กรมวิทยาศาสตร์บริการ, 2560.
