Cam nasıl tarif edilebilir?

[-]

C A M

Cam olmaksızın günlük hayatımızı düşünmek zordur. Büyük bir çeşitlilik gösteren cam ürünlerinin hemen bütün sanayi alanlarında, ev ve sanat faaliyetlerinde yeri vardır.

Cam nasıl terif edilebilir? Donmuş sıvı veya düzensiz katı mıdır? İncelenmesi güç bir yapıya sahip olan cam bilim adamları tarafından uzun süre ihmal edildi; bilim adamları hiç kuşkusuz obsidiyen gibi doğal camların özelliklerini biliyorlardı, ama 5.000 yıldır kullanılan ticari camı önemsemiyorlardı. Oysa 60 yıldır cam sanayi önemli teknik gelişmeler kaydetmiştir ve artık araştırmacıların ilgisi kristal olmayan katılar ile bunların elektronikle veya biyolojide kullanımları üzerinde yoğunlaşmaktadır. Güncel eğilim, camların büyük bir kısmının özellikle geleneksel mineral camlarının, temelde metal olmayan ve genellikle kırılgan inorganik maddelerden meydana gelmiş seramik grubunun bir bölümünü oluşturduğu yönündedir.

Hemen hemen bütün sanayi camları, doğal hammeddelerden oluşmuş camlaştırabilir bir karışımın, yüksek sıcaklıkta eritilmesi ve bu aşırı erimiş sıvının dondurulması sonucunda elde edilir. Özel camların hazırlanması için, buhar fazında çökeltme veya sol-jel (çözelti-jel) yöntemleri gibi, diğer metotlar uygulanır. Halen kullanılmakta olan camların niteliklerini yükseltmek, yeni camlar geliştirmek veya var olan camların bilinmeyen özelliklerini ortaya çıkarmak ve böylece yeni kullanım alanları yaratmak üzere sürdürülen çalışmalar, camın gelecekte önemli bir malzeme haline gelmesini sağlayacaktır.

Camın yapısı ve tanımı

Soğutulan sıvıların büyük bir çoğunluğu katılaşma sıcaklığına (T) ulaştığında kristalleşir. Oysa erimiş kuvars (saf silis) için aynı şey geçerli değildir. Çabucak soğuyan kuvars, T= 1 730 C olan katılaşma sıcaklığına kristalleşmeden ulaşır ve daha sonra sıcaklık düştüğünde bile, kararsız bir dengeyi sıvı durumundayken de korur. Bu sırada dönüşüm hızı o kadar azalmıştır ki aşırı erimiş yarıkararlı bir sıvı biçiminde kalmaya devam eder. Sıcaklık azalınca sıvının akışmazlığı da sürekli olarak ve önemli ölçüde azalır ve sonunda, T = 1 180 C olan camsı geçiş sıcaklığına erişince kristalleşmeden donar. Böylece aşırı erimiş sıvı sadece tek bir bileşen içeren, camların en basiti olan silis camına dönüşür.

Tuhaf bir biçimde doğal olarak kristalleşmiş kuvars ile silis camı, merlkezinde bir silisyum iyonu ve dört köşesinde oksijen iyonları bulunan dörtyüzlü SiO’ten oluşmuş, aynı temel motife sahiptir. Ama kendi aralarında ortak köşelerle bağlı olan bu dörtyüzlükler, kristal durumunda çok büyük boyutlu bir düzenli yapı oluştururken, cam durumunda yapıları düzensiz ve oldukça önemli boşluklar içerir. Bu camsı hal esas olarak -kimyasal bileşiminden ve soğuma hızından başka - atomların düzenli olarak yapılaşmasını engelleyerek akışmazlık durumundan kaynaklanır. Sıvı halde özgü düzensizlik durumu T sıcaklığından geçiş sırasında korunur. “Amorf” diye tanımlanan maddelerle arasındaki fark nedeniyle cam, camsı geçiş olayını gösteren kristal olmayan bir katı olarak tanımlanır. Oksitlerden oluşmuş (SiO+Na+CaO) karma bileşimler olan mineral camlarıysa metallerin ve alaşımlarının, organik polimerlerin ve iki veya daha çok maddenin bileşimlerinden oluşan karma maddelerin oluşturduğu başka gruplarla birlikte, seramikler arasında sınıflandırılır.

Camın bileşenleri ve üretimi

Cam silis (SiO) gibi yalnız başına kullanılan oluşturucu oksitlerden üretebilir, ama erime sıcaklığını düşürmek için, bunlara alkali oksitler (mesela NaO) gibi eriticiler eklemek uygundur. Bir oluşturucu ve bir eriticiden oluşan ikili camlar, genellikle yeterli kimyasal dayanıklılığa sahip değildir. Kararlaştırıcı toprakakali oksitler (mesela CaO) camın kimyasal etkenlere karşı dayanıklılığını arttırmak için karışımı eklenir. Böylece gerektiğinde renk gibi özellikleri veren başka değiştiricelerin katıldığı, silisyum-sodyum-kalsiyum camları oluşturulur.

Kum sodyum ve kalsiyum karbonatları gibi hammaddelerden oluşan camlaşabilen karışım cam fabrikasının fırınına konur. Erime inceltme (gazdan arıtma) ve kimyasal homojenleştirmeden sonra, fırının içeriği dondurma denen hızlı bir soğutmaya tabi tutulur. Bu işlemden aşırı erimiş bir sıvı olan cam elde edilir. Erimiş metal alaşımların çok daha hızlı bir şekilde soğutulması (sıvıların aşırı su vermesi) ilginç kimyasal ve mekanik özellikere sahip metal camlarını oluşturur. Başka bir yöntem bir çözücü dağılmış ince parçacıklardan oluşan (çapları 0,1 ila 0,001 um arasında olan) kolloidal bir çözeltinin asitlenmesiyle veya hidrolizlenmesiyle elde edilen bir jeli esas alır. Daha sonra sinterlenen bu jel, özel camların hazırlanması için tabakalar halinde yayılabilir (sol-jel yöntemi). Nihayet bir gaz fazının düzensiz karekteri mesela optik lifleri oluşturmak için kullanılır.

Cam ürünleri

Fırında hazırlanan cam yavaş yavaş soğutulur, böylece camın akışmazlığını, elde edilmek istenen ürünü şekillendirmeye yetecek kadar uzatmak mümkün olur. Kullanılan birçok değişik şekillendirme yöntemi vardır: dökme kalıplama, çekme, haddeleme, şişirme kalıplama, presleme, merkezkaçlama bunlardan birkaçıdır. Bunlar tek veya birlikte kullanılır. Şekillendirmeden sonra, tavlama adı verilen camın kontrollü olarak soğutulması işelmi, iç gerilimleri serbest bırakır ve parçaların zarar görmesine engel olur.

Cam ürünleri dört büyük sanayi sektörüne girer. Temel olarak vitrinlerde kullanılan düz cam, birkaç yıl öncesine kadar, dikey çekme veya iki silindir arasında sıcakta haddelemeyle üretilmekteydi. Bugün yüzdürme cam (float-glass) tamamen düz bir erimiş kalay banyosunun yüzeyinde yüzdürülen erimiş camın yatay çekmesiyle üretilir. Sıvılar için mükemmel ambalaj olan şişe camı, üretilen camın en büyük tonajını teşkil eder. Temel bileşimlerine göre, cam elyafı ısıl yalıtma, cam-polimer bileşimi maddelere güçlendirici olarak katılır veya işaretlerin iletilmesine (optik lifler) yarar. Daha az üretilen özel camlar, katma değerleriyle ayırt edilir: mesela sanat camcılığı için kristal veya optik için teknik camlar eklenir. Silis camı, pyrex türü borosikatlar, ışımıyla renkleri değişen fotokrom camlar, veya mutfak aletlerinde gitgide daha fazla kullanılan camseramikler pişirme medikal protezler bunların başlıcalarıdır.

Camın özellikleri ve işlevleri

Camın kimyasal bileşimi büyük çeşitlilik gösterir, çünkü stokiyometri kurallarıyla sınırlanmamıştır. Bir elementinin oranı sürekli olarak belirli sınırlar içinde değiştirilerek çok sayıda işlevi yerine getiren yavaş yavaş değişen niteliklere sahip tam bir cam dizisi üretmek mümkündür. Bu nitelikler arasında mekanik veya kimyasal dayanıklılık su geçirmezlik estetik ve optik işlevleri sayılabilir.

Optik camın ayrıcalıklı kullanım alanıdır. Saydamlığı sayesinde iç ve dış kısımları arasındaki görsel teması sağlar. Tayf özellikleri camın bir filtreye veya işaretlerin iletimi için bir dalga yönlendiricisi olarak kullanılabilmesi mümkün kılar. Yükseltilebilen kırılma indisiyse camın optik sistemlerde ve kristal gibi değerli ürünlerde kullanılamsına imkan verir.

Camın mekanik dayanıklılığı, su verme yoluyla yüzeyleri sıkıştıralarak güçlendirilebilir. Bükülmeye, darbelere veya ısıl zorlamalara dayanıklılık gibi ek nitelikeri, camın bina ve taşıtlarda aranan bir malzeme olmasını sağlar. Bundan başka, plastik filimlerle yaprak halinde üetildiğinde insanların ve kıymetli eşyanın güvenğini sağlar.

Kimyasal maddelere karşı dayanıklı olan cam, hemen hiç tepkimeye girmez ve yapısı değiştirilemez. Bu nitelik, eczacılıkta kullanılan nötr camlar için daha da güçlendirilmiştir. Bu camlar genel olarak, kan plazmasının veya ilaç çözeltilerinin gereğince hazırlanmasına yarayan alüminoborosilikatlardan meydana gelmektedir. Bu kapların iç yüzeyleri sterilize etme işlemine dayanıklı olmalıdır.

Su ve hava sızdırmazlık niteliği sayesinde, sıvı ve gaz ortamlarını biribirnden ayıran cam, bir yalıtkan’dır. Muhtemelen metal veya oksit katmanlarla tamamlanmış veya genişletirilmiş, cam köpüğü halinde iki cam yaprağı arasında hapsedilmiş ince hava tabakası ısıl yalıtkanı oluşturur. Ses yalıtımı kalın veya çift camla sağlanır.

Camın estetik işlevi yekpare renkli camlarda veya çoklu katmanlı camlarda, hatta duvarları süsleyen yansıtıcı camlarda görülür. Sanat camcıları opal camlarıyla, cam hamuruyla veya kristali yontarak şahaserler verirler.

Geleceğin malzemesi cam

Bol bulunan doğal hammaddelerden hazırlanan cam, çevre kirletici bir madde değildir. Üstelik cam üretiminin önemli bir miktarı, hammaddelerden ve enerjiden tasarruf etmek üzere, geri çevrimle yeniden kullanılır. Cam sanayiinde, hafifletilmiş, dayanıklı, yüksek verimle üretilen ve çoğunlukla başka malzemelere göre daha ucuza mal edilen eşyaların pazara sürülmesinde, şekillendirme ve yüzeylerin işlenme tekniklerindeki ilerlemelerden ve bilgisayar destekli tasarım ve kontrol makinelerinin kullanımından yararlanılmaktadır. Diğer taraftan tüketicilerin tercihleri, sağlıklı, doğal ve temizlenmesi kolay sayılan cama yönelmiştir.

Biyolojik malzemeler türünden günce ihtiyaçlara daha iyi uyum sağlayan yeni camların sürekli araştırılmasında başka, bugünkü teknikler üç ana doğrultuda gelilşmektedir. Bunlardan biri, camı iletken veya yarı iletken tabakalar (ısınan camlar, fotovoltaik gözler, afişleme), ışığın (fotokromlar), elektrik alanının (elektronlar) veya ısının (termokromlar) etkisi ile rengi değişen tabakalar, kızılaltını yansıtarak binaların ısıl konforuna katıkıda bulunan az yayın özelliğine sahip tabakalar ve özel ve isteğe göre değiştirilebilen niteliklere sahip ince tabakalara destek olarak kullanma tekniğidir. İkincisi, kızılaltında iletim özellikleri gitgide optik liflerle iletişimde kendini gösteren flüorlu camlar gibi yeni camların üetimidir. Üçüncü konuysa, karma malzemelerin üretimidir. Cam, gelecek vaat eden bu sektörde gittikçe büyüyen bir yer tutmaktadır.