Banyak masyarakat Zaman Batu di seluruh dunia menggunakan kaca alami, seperti kaca vulkanik obsidian, untuk membuat alat pemotong yang tajam. Namun, menurut bukti arkeologi, kaca asli pertama diciptakan di pesisir utara Suriah, Mesopotamia atau Mesir. Sejarah barang kaca paling awal yang diketahui dapat ditelusuri kembali ke setidaknya 2.000 SM. Manik-manik, misalnya, dibuat selama produksi faience, bahan seperti kaca. Sejak saat itu, proses pembuatan kaca mengalami banyak perubahan.
Kemajuan dalam ilmu material dan teknik manufaktur telah memungkinkan untuk menghasilkan kaca dengan sifat reflektif, refraksi, dan transmisi spesifik yang dapat digunakan dalam bahan prisma, lensa optik, dan optoelektronik. Saat ini, kaca dibuat menggunakan dua teknik utama: Proses Kaca Terapung, yang melibatkan kaca cair yang mengapung di atas lapisan logam cair, dan Meniup kaca, yang melibatkan penggelembungan kaca cair menjadi gelembung.
Kaca cair dibuat dengan memanaskan pasir biasa (kebanyakan mengandung silikon dioksida) pada suhu yang sangat tinggi hingga meleleh dan berubah menjadi cairan. Saat dibiarkan dingin, pasir tidak kembali ke keadaan semula. Sebaliknya, ia berubah menjadi padatan amorf, padatan nonkristalin di mana atom dan molekul tidak diatur dalam pola kisi yang pasti.
Berikut adalah proses yang terlibat dalam kedua metode tersebut, dan seperti apa masa depan mereka.
Metode 1: Proses Kaca Apung
Dalam metode ini, selembar kaca diproduksi dengan mengapungkan kaca cair di atas lapisan logam cair, seperti timah atau timbal. Ini digunakan untuk menghasilkan lembaran kaca dengan ketebalan seragam dan permukaan datar. Berikut proses langkah demi langkahya:
1. Peleburan dan Pemurnian
Bahan baku yang umum digunakan untuk membuat kaca apung termasuk pasir, dolomit, kue garam (natrium sulfat), abu soda (natrium karbonat), dan batu kapur. Bahan lain sering digunakan sebagai bahan pemurnian untuk mengubah sifat kimia dan fisik kaca. Bahan-bahan ini dicampur dalam proses batch dengan proporsi yang tepat. Seluruh batch kemudian dimasukkan ke dalam tungku di mana ia dipanaskan hingga hampir 1.500 ° C. Sebagian besar tungku dapat menampung lebih dari 1.000 ton material. Ketika kaca meleleh, suhunya distabilkan ke 1.200 ° C untuk memeriksa kerapatan relatif atau berat jenisnya.
2. Bak Timah
Kaca yang meleleh dari tungku mengalir ke bak pelampung, bak dari timah cair, melalui bibir keramik yang disebut bibir cerat. Jumlah gelas yang dituangkan ke dalam kaleng dikendalikan oleh sebuah gerbang, yang biasa dikenal dengan sebutan tweel. Timah adalah pilihan yang lebih disukai untuk proses ini karena timah kohesif dan tidak bercampur dengan kaca cair. Timah juga memiliki berat jenis yang tinggi. Namun, di udara teroksidasi membentuk timah dioksida, yang menempel pada kaca.
Untuk mencegah oksidasi ini, timah diolah dengan hidrogen dan nitrogen. Kaca mengalir di sepanjang wadah timah dan membentuk pita mengambang dengan ketebalan rata dan permukaan halus di kedua sisinya. Saat ini terjadi, suhu diturunkan secara perlahan (hingga 600 ° C) dan pita kaca ditarik dari bak dengan rol. Ketebalan produk yang keluar dapat dikontrol dengan mengubah kecepatan roller dan kecepatan aliran kaca. Biasanya, rol ditempatkan di atas timah cair untuk menyesuaikan ketebalan dan lebar pita kaca. Beberapa kaca dibuat reflektif. Dalam kasus seperti itu, lapisan lembut atau lapisan keras diaplikasikan pada permukaan pita yang didinginkan.
3. Prosess Penguatan
Begitu gelas keluar dari bak timah, gelas tersebut melewati oven lehr,tungku pembakaran panjang dengan gradien suhu ujung ke ujung. Hal ini memungkinkan kaca menjadi kuat tanpa tekanan. Ini juga mencegah kaca retak karena perubahan suhu. Lebih khusus lagi, proses ini mengubah sifat kimia dan fisik kaca, mengurangi kekerasannya dan membuatnya lebih ulet.
4. Inspeksi
Menggunakan teknologi inspeksi sermat dan canggih, jutaan inspeksi dapat dilakukan selama proses pembuatan kaca. Kebanyakan dari mereka melibatkan identifikasi tekanan, butiran pasir, dan gelembung udara yang mengurangi kualitas kaca. Saat ini, ada ribuan sistem yang mampu secara tepat memeriksa kualitas optik, distorsi, tegangan, ketebalan, dan kerataan kaca sedini mungkin selama proses produksi.
5. Pemotongan
Saat keluar dari ‘ujung dingin’ dari oven lehr, kaca dipotong dan dibentuk sesuai kebutuhan pelanggan, menggunakan peralatan khusus. Lembaran kaca besar dipotong dengan meja potong kaca semi-otomatis berbantuan komputer. Lembaran ini kemudian dipecah secara manual menjadi lembaran kaca tersendiri. Sementara sebagian besar tingkat pemotongan menggunakan roda kecil dan tajam yang terbuat dari tungsten karbida atau baja yang diperkeras, beberapa menggunakan berlian untuk membuat belahan.
Penggunaan Kaca dengan Metode Kaca Apung
Kaca apung telah menjadi bentuk kaca paling populer di produk konsumen. Itu dapat diproduksi dalam berbagai warna dan kekeruhan. Ini menunjukkan transmisi cahaya tingkat tinggi dan kelembaman kimiawi yang baik. Sifat ini membuat kaca apung ideal untuk berbagai aplikasi, seperti cermin, jendela, pintu, furnitur, dan kaca mobil. Ia juga memiliki banyak aplikasi dalam arsitektur modern, baik dalam bangunan domestik maupun komersial.
Dengan kemajuan terkini dalam produksi kaca apung, seperti kaca apung ultra-tipis, aplikasi baru ditemukan dalam elektronik dan teknologi. Komposisi aluminosilikat seperti Gorilla Glass (yang mengandung silikon dioksida, aluminium, natrium, dan magnesium) digunakan oleh berbagai smartphone dan perangkat elektronik lainnya.
Metode 2: Kaca Tiup
Dalam teknik pembentukan kaca ini, kaca cair digelembungkan menjadi gelembung dengan bantuan tabung tiup. Ini digunakan untuk memproduksi botol dan wadah lainnya. Bagaimana cara kerjanya? pemompaan mengacu pada proses perluasan gumpalan cair kaca dengan menyuntikkan sejumlah kecil udara ke dalamnya. Karena atom dalam gelas cair terikat melalui ikatan kimia yang kuat dalam jaringan acak dan tidak teratur, kaca cair cukup kental untuk dihembuskan. Ini perlahan mengeras saat mendingin.
Untuk memfasilitasi proses peniupan, kekakuan kaca cair ditingkatkan dengan sedikit mengubah komposisinya. Ternyata menambahkan sedikit natron membuat kaca lebih kaku untuk ditiup. (Natron adalah zat alami yang mengandung natrium karbonat decahydrate dan natrium bikarbonat.) Selama peniupan, lapisan kaca yang lebih tebal mendingin lebih lambat daripada yang lebih tipis dan menjadi kurang kental daripada lapisan yang lebih tipis. Hal ini memungkinkan untuk menghasilkan kaca tiup dengan ketebalan yang rata.
Dalam beberapa dekade terakhir, metode kaca tiup yang lebih efisien dan efektif telah dikembangkan. Kebanyakan dari mereka melibatkan langkah-langkah yang sama:
Langkah 1: Menempatkan kaca di dalam tungku dan panaskan hingga 1.300 ° C agar mudah ditempa.
Langkah 2: Memasukkan salah satu ujung sumpitan ke dalam tungku dan gulung di atas kaca cair sampai ‘gumpalan’ kaca menempel padanya.
Langkah 3: Menggulingkan kaca cair di atas marver, pelat logam datar, yang terbuat dari baja, grafit, atau permukaan kuningan yang dipoles yang dipasang pada meja kayu atau logam. Marver digunakan untuk mengontrol bentuk serta suhu kaca.
Langkah 4: Meniup udara ke dalam pipa untuk membuat gelembung. Mengumpulkan lebih banyak kaca di atas gelembung itu untuk membuat potongan yang lebih besar. Setelah kaca ditiup ke ukuran yang diinginkan, bagian bawahnya diselesaikan.
Langkah 5: Memasang kaca cair ke batang besi atau baja tahan karat (umumnya dikenal sebagai punty) untuk membentuk dan memindahkan potongan berlubang dari pipa sumpitan.
Langkah 6: Menambahkan warna dan desain dengan mencelupkannya ke dalam pecahan kaca berwarna. Potongan-potongan yang hancur ini dengan cepat melebur ke kaca utama karena suhunya yang tinggi. Pola yang rumit dan terperinci dapat dibangun dengan menggunakan tongkat (batang kaca berwarna) dan murrine (batang yang dipotong melintang untuk memperlihatkan pola).
Langkah 7: Mengambil produk yang dihasilkan kembali ke marvel dan menggulung lagi untuk memberikan bentuk yang diinginkan.
Metode ini membutuhkan kesabaran, keuletan, dan ketangkasan yang ekstrim. Membuat karya yang rumit dan besar membutuhkan sekelompok pekerja kaca berpengalaman.
Dampak lingkungan
Dampak lingkungan utama dari pembuatan kaca disebabkan oleh proses peleburan, yang mengeluarkan berbagai gas ke atmosfer. Misalnya, pembakaran bahan bakar atau gas alam dan dekomposisi bahan mentah menghasilkan emisi karbondioksida.
Demikian pula, penguraian sulfat dalam bahan batch menghasilkan sulfur dioksida, yang berkontribusi pada pengasaman. Penguraian senyawa nitrogen melepaskan nitrogen oksida, yang berkontribusi pada pengasaman dan pembentukan kabut asap. Selain itu, penguapan dari bahan mentah dan komponen cair mengeluarkan berton-ton partikel ke atmosfer.
Faktor lain, seperti emisi senyawa organik yang mudah menguap dan produksi limbah padat selama proses pembuatan, juga menimbulkan masalah lingkungan. Namun, kaca daur ulang dapat mengatasi banyak masalah ini. Itu dapat didaur ulang beberapa kali tanpa kehilangan kualitas yang signifikan.
Setiap 1.000 ton kaca yang didaur ulang dapat mengurangi emisi karbon dioksida 300 ton dan penghematan energi 345.000 kWh. Dalam skala yang lebih kecil, mendaur ulang satu botol kaca saja dapat menghemat energi yang cukup untuk menyalakan lampu LED 20W selama satu jam.
Meskipun kedua teknik manufaktur telah banyak berkembang dalam hal efisiensi, pengurangan lebih lanjut dalam emisi partikel debu, karbon dioksida, dan sulfur dioksida masih menjadi tujuan lingkungan utama untuk produksi kaca lembaran.