kl lai thi my ninh 810176h

- Không xu ất hiện pha mới : khi nhiệt độ hạ dần, độ nhớt của khối thủy tinh nóng chảy không ngừng tăng lên đến khi tạo thành vật thể rắn.. - Có th ể nóng chảy và đóng rắn thuận nghịch

NGHIÊN C ỨU LỰA CHỌN

ĐỂ SẢN XUẤT THỦY TINH XỐP

L ỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn TS Trần Trí Luân, người đã

tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian làm

luận văn

Em xin chân thành cảm ơn q úy Thầy, Cô trong Khoa Khoa Học Ứng Dụng Trường Đại Học Tôn Đức Thắng đả tận

tình giúp đỡ, đóng góp ý kiến cũng như kinh nghiệm quý báu

cho em trong suốt quá trình học tập cũng như t rong quá trình

thực hiện đề tài nghiên cứu này

Em xin chân thành cảm ơn qúy Th ầy, Cô phòng thí nghiệm Hoá Vô Cơ, Hoá Đại Cương đã hướng dẫn và tạo

nhiều điều kiện tốt để em hoàn thành luận văn này

Xin cảm ơn gia đình đã động viên, giúp đỡ và là điểm

tựa vững chắc cho em trong suốt quá trình học tập

Xin chân thành cảm ơn các bạn lớp Công Nghệ Hóa

Học 08HH1N đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học

tập cũng như trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn !

Sinh Viên

Lại Thị Mỹ Ninh

L ỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay thủy tinh là một trong những vật liệu quan trọng nhất Vậy mà cách đây hơn 150 năm nó chỉ được sản xuất dưới dạng những vật dụng thông thườ ng (tuy nó được con người biết đến khoảng 5 – 6 nghìn năm về trước, mà cũng có thể lâu hơn) Trong các ngành kỹ thuật được sử dụng rất ít, không đáng kể Trong lĩnh vực quang học chỉ là mở đầu

Nghiên cứu kinh nghiệm của nhiều nước có nền công nghiệp phát triển cho thấy

rằng phế thải sản xuất thủy tinh có thể được sử dụng trong chu kỳ sản xuất, nơi mà chúng được hình thành, ở các cơ sở lân cận hoặc ở các xí nghiệp chuyên tiếp nhận và gia công chúng biến thành nguyên liệu sử dụng trở lại cho lĩnh vực sản xuất thủy tinh và các sản

phẩm từ chúng Sử dụng mảnh vỡ thủy tinh trong sản xuất cho phép tiết kiệm được nhiên

liệu, nguyên liệu sử dụng, thúc đẩy quá trình công nghệ, không làm giảm chất lượng sản

phẩm

Bộ môn công nghệ vật liệu cách nhiệt và hoàn thiện Trường Đại Học Tổng Hợp

Quốc Gia Maxcơva cho biết : sử dụng mảnh vỡ thủy tinh cho phép giảm ô nhiễm môi trường, chi phí nguyên liệu sử dụng và năng lượng nấu (5% tiết kiệm tính cho 10% lượng

phế thải cho vào phối liệu) Sử dụng phế thải trong ngành công nghiệp thủy tinh là phương pháp có hiệu quả kinh tế và nguồn dự trữ năng lượng, bởi vì 1 tấn mảnh vỡ thay thế được 1.2 – 1.3 tấn nguyên vật liệu (cát thạch anh, sođa, canxi, đá phấn, đôlômit …) Phương pháp chính mở rộng sử dụng mảnh vỡ thủy tinh là tăng phụ gia từ chúng vào phối liệu

Trong giới hạn của luận văn này, em sử dụng phế thải mảnh vụn thủy tinh để sản

xuất, chế tạo thủy tinh xốp Theo hướng này có thể tiết kiệm được một phần sođa, canxi

Sử dụng có 1 tấn mảnh vỡ thủy tinh giảm chi phí sođa, canxi 140 – 145kg Nếu sử dụng khoảng 60% phế thải mảnh vụn thủy tinh, đảm bảo giảm lượng vật liệu thủy tinh cần sản

xuất, kéo theo làm giảm ô nhiễm không khí 6 – 22%, giảm lượng phế thải rắn tới 79%, làm

lợi 6% năng lượng, 50% nước sạch và 54% nguồn dự tữ tự nhiên Thủy tinh xốp được tạo

ra trên cơ sở bột mịn thủy tinh phế liệu thu được khi nung phồng nở ở 800o

C, tạo ra các

hạt xốp có kích thước nhỏ hơn 5mm

M ỤC LỤC

Phần I: Tổng quan

I.1 : Cấu Trúc Thủy Tinh

1.1 Trạng thái thủy tinh 5

1.2 Độ Nhớt và Quá trình tạo thủy tinh 7

1.3 Cấu trúc thủy tinh silicat 9

1.3.1 Giả thuyết cấu trúc vi tinh 9

1.3.2 Giả thuyết cấu trúc liên tục vô định hình 11

I.2 : Thủy Tinh Xốp 2.1 Tính chất thủy tinh xốp 13

2.2 Ưu điểm và ứng dụng 13

Phần II : Thực Nghiệm II.1 Tạo bọt thủy tinh 15

II.2 Nguyên liệu 16

II.3 Dụng cụ, thiết bị 19

II.4 Sản xuất thủy tinh xốp 19

II.5 Kết quả 20

II.5.1 Xác định khối lượng riêng 20

II.5.2 Độ hút nước 22

II.5.3 Độ xốp biểu kiến 24

II.5.4 Độ xốp thực 26

II.5.5 Đo cách nhiệt 28

II.5.6 Đo cách âm 30

Phần III : Kết Luận 36 Tài Liệu Tham Khảo

Phụ Lục

T ỔNG QUAN PH ẦN I :



I.1 : C ẤU TRÚC THỦY TINH

Vật chất tồn tại trong tự nhiên dưới 3 hình thức tập hợp: Khí, lỏng và rắn Trạng thái khí có 2 dạng tồn tại khác nhau: Khí thường và khí ion hóa (plasma) Trạng thái

lỏng cũng có 2 dạng: Lỏng thường và lỏng kết tinh Trạng thái rắn cũng có 2 dạng tồn

tại: Tinh thể và vô định hình

I.1.1 Tr ạng thái thủy tinh :

Các vật thể thủy tinh thường được xem như có vị trí trung gian giữa vật thể kết tinh và vật thể lỏng, chúng có độ cứng, độ đồng nhất, độ dòn, độ trong suốt Tính đàn

hồi làm cho thủy tinh có thể xem như vật thể kết tinh, còn sự bất đối xứng trong cấu trúc, gây ra sự đẳng hướng của thủy tinh lại làm cho nó giống như vật thể lỏng

Tr ạng thái thủy tinh đặc trưng với các đặc điểm :

- Tính đẳng hướng : tính chất của thủy tinh xét theo mọi hướng đều như nhau, điều

này được giải thích bởi cấu trúc đồng nhất của thủy tinh

- Không xu ất hiện pha mới : khi nhiệt độ hạ dần, độ nhớt của khối thủy tinh nóng

chảy không ngừng tăng lên đến khi tạo thành vật thể rắn Trong quá trình đóng rắn đó không xuất hiện pha mới trong hệ Ngược lại khi bị đốt nóng, nó bị mềm dần, chuyển

từ trạng thái dòn sang trạng thái dẻo có độ nhớt cao và cuối cùng chuyển thành trạng thái lỏng giọt, nghĩa là nó không có điểm nóng chảy

- Có th ể nóng chảy và đóng rắn thuận nghịch : nghĩa là có thể nấu chảy nhiều lần,

sau đó làm lạnh theo cùng một chế độ, thì lại thu được tính chất ban đầu (nếu không

xảy ra kết tinh hay phân lớp tế vi) Sự thuận nghịch cho thấy thủy tinh nóng chảy và

thủy tinh rắn là những dung dịch thực sự

- D ự trữ năng lượng của vật thể ở trạng thái thủy tinh cao hơn trạng thái tinh thể,

vì vậy trong điều kiện nhiệt độ thuận lợi vật thể thường có khuynh hướng chuyển về

trạng thái tinh thể Quá trình kết tinh xảy ra kèm theo hiệu ứng tỏa nhiệt

- Tính ch ất hóa lý thay đổi liên tục : khi hạ nhiệt độ, độ nhớt của thủy tinh tăng

liên tục thì các tính chất hoá lý của nó cũng thay đổi liên tục

Hình 1 :

Miền nhiệt độ thấp ab : tính chất biến đổi theo đường thẳng

Miền chuyển hóa bc : tính chất biến đổi nhanh theo quy luật đường cong

Miền nhiệt độ cao cd : tính chất biến đổi cũng gần theo đường thẳng

Với các đặc điểm như vậy phản ảnh tính phức tạp của trạng thái thủy tinh, do đó khó

có thể nêu ra một định nghĩa về thủy tinh thật đầy đủ và được tất cả mọi người công

nhận

+ 1779 Johann Georg Krunitz đã g ọi thủy tinh là những loại vật thể trong sáng

lấp lánh và đặc biệt là vật thể do cát với kiềm nóng chảy tạo thành

+ 1933 Gustav Tammann gọi thủy tinh là vật thể rắn không kết tinh

+ 1938 Hội đồng khoa học Nga đã coi th ủy tinh là chất rắn vô định hình đư ợc làm quá lạnh từ trạng thái nóng chảy và có tính thuận nghịch khi chuyển từ lỏng sang

rắn

+ Cũng thời gian này ở Mỹ coi thủy tinh là sản phẩm vô cơ nóng chảy được làm quá lạnh độ nhớt lớn dần và đóng rắn

+ 1956 R Haase đã coi thủy tinh là chất lỏng quá lạnh

+ Các định nghĩa nêu trên phần lớn chỉ nói lên điều kiện xuất hiện trạng thái

thủy tinh, đó là sự làm quá lạnh chất nóng chảy Tuy nhiên người ta còn thu được thủy

tinh bằng con đường khác Ví dụ : Ngưng tụ hơi khi sản xuất những lớp thủy tinh

mỏng Mặt khác nhiều chất hữu cơ cũng nằm trong trạng thái thủy tinh

+ Ở ta lâu nay tạm chấp nhận một định nghĩa thủy tinh như sau: “Thủy tinh là

sản phẩm vô cơ nóng chảy được làm quá lạnh đến trạng thái rắn không kết tinh”

Việc định nghĩa thủy tinh như một chất lỏng quá lạnh là xuất phát từ cách tạo thủy tinh Để chuyển một vật thể từ dạng kết tinh sang dạng thủy tinh thông thường phải

tiến hành qua giai đoạn nấu chảy và sau đó làm quá lạnh

I.1.2 Độ Nhớt và Quá trình tạo thủy tinh :

Tuy nhiên không phải mọi chất đem làm quá lạnh đều tạo ra thủy tinh, chẳng hạn như nước, nước quá lạnh c ó độ nhớt rất nhỏ, khó tạo hình và không tạo thủy tinh

Những chất lỏng khi làm quá lạnh có khả năng tạo thủy tinh thường có độ nhớt tăng nhanh và liên tục theo chiều giảm nhiệt độ (độ nhớt có thể tăng từ một vài poaz đến

1014

B ảng 1.1: Độ nhớt của một số chất ở nhiệt độ nóng chảy

poaz ) So sánh độ nhớt ở điểm nóng chảy của một số chất sau :

Ta thấy độ nhớt của nhóm bên phải cao hơn nhóm bên trái từ 106 đến 109

Độ nhớt của hỗn hợp nóng chảy là yếu tố cơ bản đặc trưng cho khả năng chuyển thành trạng thái thủy tinh Vì vậy có được độ nhớt cao trong khoảng nhiệt kết tinh là nguyên nhân cơ bản, tuy không phải là duy nhất, quyết định khuynh hướng đóng rắn thành thủy tinh của các hỗn hợp nóng chảy

lần Sự khác nhau đó quyết định tính chất chúng khi làm quá lạnh Nhóm bên trái không có

khả năng tạo thủy tinh, nhóm bên phải gồm các chất có khả năng tạo thủy tinh tốt

Để giải thích tại sao các chất có khả năng tạo thủy tinh có độ nhớt cao, ta phải xét đến tác dụng của lực tương tác giữa các nguyên tử, ion, phân tử Lực tương tác đó được

phản ánh qua năng lượng kích thích sự chảy nhớt Đại lượng này được xác định bằng công cần thiết để di chuyển một nguyên tử, ion, phân tử từ vị trí này sang vị trí khác

Độ nhớt có giá trị tỉ lệ nghịch với số nguyên tử, ion, phân tử có đủ năng luợng thực hiên công đó Vì thế lực tương tác giữa các nguyên tử, ion, phân tử càng yếu độ nhớt càng nhỏ Ví dụ : Ở nhiệt độ nóng chảy Uη(SiO2) =151kcal /mol ; Uη(B2O3)=40kcal /mol ; Uη

Căn cứ vào lực tương tác F của các ion có thể chia các cation thành 3 nhóm: (Fe)=6kcal /mol

B ảng1.2: Lực tương tác của các ion nằm trong thành phần thủy tinh

75

41

26 22,6

17 9,2 8,7 5,28

4 4;6 4;6 6;8

Ion Trung Gian

3,28 2,16 1,77 1,04 0,978 0,565

Biến

Hình

(Ở đây Z là hóa trị của ion, R là bán kính ion )

Các ion có khả năng tạo thủy tinh có khả năng tạo ra các đa diện hợp thành mạng lưới không gian ba chiều liên tục Các ion biến hình không tạo thủy tinh, khi đưa vào

hệ thống các ion tạo thủy tinh nó làm yếu các liên kết của mạng lưới làm độ nhớt giảm

và dễ nấu Các ion trung gian không tạo thủy tinh ở trạng thái đơn độc nhưng có thể tham gia quá trình tạo thủy tinh khi có mặt các ion tạo thủy tinh, cung cấp cho thủy tinh một số tính chất kỹ thuật khác

Vật chất ở trạng thái thủy tinh rất đa dạng về mặt thành phần và tính chất, nhưng đồng thời lại có rất nhiều điểm giống nhau như tính giòn, khả năng biến mềm … vì thế

vật chất thủy tinh phải có những đặc điểm cấu trúc cơ bản nào đó như nhau Để khảo sát vấn đề này chúng ta chỉ xét đến một loại thủy tinh điển hình như thủy tinh silicat

I.1.3 C ấu trúc thủy tinh silicat :

Một thuyết hoàn chỉnh về cấu trúc thủy tinh cần phải giải thích được :

+ Khuynh hướng tạo thủy tinh của các chất

+ Sự giống nhau giữa hàng loạt các tính chất của thủy tinh trong khi thành

phần hóa lại khác nhau khá nhiều

+ Bản chất của sự biến đổi theo nhiệt độ của thủy tinh và vấn đề tồn tại “ cân

bằng nội ” trong thủy tinh

1.3.1 Gi ả thuyết cấu trúc vi tinh

Năm 1921 Lêbêdep đã nêu lên giả thuyết cho rằng “ thủy tinh sil icat là tập hợp

của các tinh thể có độ phân tán cao – các vi tinh thể Trong đó chủ yếu là các vi tinh thể

thạch anh ”

Thuyết này dựa trên kết quả nghiên cứu chiết suất của thủy tinh silicat có những

biến đổi bất thường ở nhiệt độ 520- 6000

C Sự biến đổi bất thường ấy xảy ra ở vùng

gần nhiệt độ biến đổi thù hình của thạch anh (5750C) và Lêbêdep cho rằng có liên quan đến sự biến đổi cấu trúc trong thủy tinh mà ở đây chính là sự biến đổi giữa 2 dạng thù

hình α và β thạch anh Điều đó có nghĩa là trong thủ y tinh silicat có các vi tinh thể

thạch anh tồn tại

Luận điểm này được tiếp tục nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ rơnghen :

Thủy tinh được làm lạnh một cách bình thường luôn cho những dãy nhiễu xạ rộng và không đổi Sự phân bố các giải nhiễu xạ này lại tương ứng với sự phân bố các vị trí cực đại nhiễu xạ trên biểu đồ nhiễu xạ rơnghen của chất đó khi ở trạng thái kết tinh.Ví dụ:

Thủy tinh thạch anh có các dãy nhiễu xạ trùng với các pic cực đại nhiễu xạ của cristobalit khi cùng tiến hành khảo sát chúng bằng phương pháp nhiễu xạ rơnghen

Như vậy có thể đi đến giả thuyết cho rằng thủy tinh thạch anh bao gồm các vi tinh thể cristobalit

Florinsky dùng quang phổ hồng ngoại đ ể nghiên cứu cấu trúc thủy tinh, ông

thấy các dải phản xạ và hấp thụ của thủy tinh và của các tinh thể có thể tách ra đầu tiên khi kết tinh thủy tinh hoàn toàn trùng nhau Điều đó có nghĩa là trong thủy tinh có sự không đồng nhất cục bộ Tại các vị trí không đồng nhất này các nguyên tử được sắp

xếp giống như trong tinh thể tương ứng

Thực ra vấn đề tồn tại các vi tinh thể đã được bàn cãi từ lâu Đã có nhiều công trình nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ r ơnghen và quang phổ đã được đưa ra nhưng vẫn chưa có bằng chứng nào thật hoàn chỉnh và không có khuyết điểm Ngay chính Lêbêdep cũng hiểu rằng việc sử dụng các phương pháp nghiên cứu trên cơ sở nhiễu xạ rơnghen, nhiễu xạ electron hay neutron cũng không đưa đến kết quả chính xác

vì kích thước của các miền có trật tự ổn định quá nhỏ và sự sai lệch mạng lưới lại quá

lớn Các biểu đồ quang phổ thì có biểu hiện khả quan hơn về sự giống nhau giữa các đường cong của thủy tinh và của tinh thể tương ứng nhưng vẫn theo Lêbêdep “ các

cực đại nhận được rất thoải và ít rõ ràng nên khi giải thích cũng còn khá tùy tiện “

Hiện nay các tác giả của lí thuyết cấu trúc vi tinh cũng không cho rằng vi tinh

thể là các tinh thể nhỏ mịn Với khái niệm vi tinh thể phải hiểu là các tổ hợp cấu trúc

biến dạng mang các đặc điểm của các mạng tinh thể tương ứng hoặc một cách đơn giản

có thể hiểu là các miền tế vi có sự phân bố các nguyên tử tương đối trật tự Nhưng định nghĩa như vậy thì hoàn toàn chưa thỏa mãn.Nếu các vi tinh thể bị biến dạng đến mức không có các tính chất của các hạt tinh thể, không có bề mặt phân chia pha, không là

pha thứ hai thì rõ ràng là các thuật ngữ và nghĩa cụ thể của lý thuyết vi tinh nói chung không còn nữa Nếu hiểu vi tinh thể là các nhóm tiền kết tinh của các tinh thể tương lai thì như thế cũng mất tính đặc trưng cho lí thuyết về trạng thái thủy tinh Vì những nhóm tiền kết tinh đó có thể có mặt trong bất kỳ một chất lỏng nào

1.3.2 Gi ả thuyết cấu trúc liên tục vô định hình

Trên cơ sở các thành tựu đạt được của hóa học tinh thể, năm 1932 Zachariazen đã đưa ra giả thuyết cấu trúc liên tục vô định hình Theo ông :

- Lực tương tác giữa các ion trong thủy tinh ôxyt có lẽ cũng giống như trong các tinh thể tương ứng, vì thế các tính chất cơ học của 2 dạng này gần như nhau

- Về mặt cấu trúc cũng giống như các tinh thể, trong thủy tinh các nguyên tử

cũng được sắp xếp để tạo thành mạng không gian 3 chiều nhưng không đối xứng không tuần hoàn Do sự hỗn loạn đó mà nội năng của thủy tinh lớn hơn nội năng của tinh thể, nhưng không lớn lắm, vì nếu không như vậy quá trình kết tinh sẽ xảy ra ngay

Cũng do sự sắp xếp không trật tự ấy nên các liên kết A – O trong thủy tinh không lớn như trong tinh thể Khi đốt nóng thủy tinh, các liên kết có độ bền khác nhau cần năng lượng bẻ gãy khác nhau, liên kết nào yếu bị bẻ gãy trước sau đó mới đến liên kết mạnh

Vì vậy, thủy tinh mềm dần rồi mới chảy lỏng chứ không giảm độ nhớt đột ngột như trong tinh thể

- Zachariasen lấy thủy tinh thạch anh, borat, germanat để xét, thấy rằng cơ cấu

mạng lưới không gian của thủy tinh gần giống tinh thể tương ứng Chúng được hình thành từ các đa diện liên kết lại (tứ diện, tam giác …)

- Zachariasen còn chỉ ra rằng: Các ôxyt dạng BRmRORnR muốn tạo thành thủy tinh

cần thỏa mãn các yêu cầu sau ( các tiêu chuẩn Zachariasen ) :

1 Nguyên tử ôxy không được liên kết với quá 2 nguyên tử B

2 Số nguyên tử ôxy quây quanh B không quá lớn, thường bằng 3,4, (6)

3 Các đa diện ôxy phải có đỉnh chung nhưng không được có cạnh chung và

mặt chung

4 Để tạo thành mạng không gian 3 chiều, mỗi đa diện cần dùng chung với các

đa diện bên cạnh ít nhất là 3 đỉnh

Giả thuyết Zachariasen có nhiều cơ sở thực nghiệm khá chắc chắn nhưng cũng bị

một số nhà nghiên cứu phê phán hết sức nghiêm khắc Morey đã cho thấy rằng độ bền

của thủy tinh xác định bằng hiệu nội năng thủy tinh và tinh thể là không đúng Ví dụ: Tetrasilicatkali ( K2O.4SiO2) là một trong những thủy tinh 2 cấu tử bền nhất nhưng lại

có nhiệt nóng chảy rất cao ( 35kcal/kg) trong khi đó KNO3

Tuy vậy, giả thuyết zachariasen vẫn được sử dụng rộng rãi Chúng ta có thể căn

cứ vào giả thuyết này để giải thích một cách khá đơn giản nhiều tính chất của thủy tinh như khả năng tạo thủy tinh , sự nóng chảy từ từ, nhiệt độ bắt đầu linh động…

không tạo thủy tinh có nhiệt nóng chảy thấp hơn (25kcal/kg)

I.2 : TH ỦY TINH XỐP

Từ năm 1932, ở Liên Xô, người ta đã đề ra phương pháp sản xuất vật liệu xốp từ

thủy tinh, gọi là thủy tinh xốp Hiện nay, vật liệu này được dùng khá nhiều trong xây

dựng làm vật liệu cách nhiệt và một số vật liệu kỹ thuật khác nằm dưới nhiều dạng :

khối, tấm, bột …

I.2.1 Tính ch ất thủy tinh xốp :

Thủy tinh xốp có thể sản xuất thành nhiều loại có trọng lượng thể tích khác nhau (từ 100 đến 700 kg/m3

- Loại có trọng lượng thể tích 250 – 300 kg/m

hoặc hơn nữa) Cường độ cơ học của nó tăng lên khi trọng

luợng thể tích tăng lên và thay đổi trong phạm vi rộng :

3, chịu nén 30 kg/cm

- Loại có trọng lượng thể tích 500 – 550 kg/m

2

3, chịu nén 100 – 125 kg/cmTùy theo trọng lượng thể tích, hệ số dẫn nhiệt cũng thay đổi trong phạm vi 0,052 – 0,12 kg/m

2

2

Hiện nay, không có vật liệu cách nhiệt nào được dùng trong xây dựng và kỹ thuật

vừa có hệ số dẫn nhiệt lớn vừa có cường độ cơ học như thủy tinh xốp

.giờ

Thủy tinh xốp có nhiều ưu điểm và công dụng :

I 2.2 Ưu điểm và công dụng :

- Làm vật liệu cách nhiệt trong xây dựng và kỹ thuật đặc biệt là trong các thiết

bị làm lạnh, ít tốn công xây lắp, ít tốn công tu sửa, thời hạn làm việc khá dài

- Làm vật liệu cách âm, có thể hút các âm có tần số khác nhau

- Dễ gia công cơ học (cưa, đục, cắt, tiện …) và gắn với các vật liệu khác ( xi măng, bê tông, gạch đá, sắt … ) dùng cho xây dựng thêm dễ và tường nhẹ, đỡ vốn đầu

tư xây dựng

- Dùng làm vật liệu trang trí và điêu khắc rất tốt vì có thể nhuộm đủ màu

- Dùng làm các vật liệu lọc axit và kiềm rất tốt

- Dùng làm vật liệu mài và đánh nhẵn gỗ trong sản xuất đồ gỗ thay thế các loại

đá bọt thiên nhiên

TH ỰC NGHIỆM PH ẦN II :



Có nhiều phương pháp tạo bọt thủy tinh nhưng chỉ có hai phương pháp có hiệu

quả cao nhất :

II.1 T ạo bọt thủy tinh :

1 Phương pháp tạo bọt từ thủy tinh chảy lỏng tiến hành ở nhiệt độ

1100 – 1200o

2 Phương pháp kết khối bọt thủy tinh và chất tạo bọt sẽ liên tục tạo ra bọt

trong quá trình đốt nóng Đối với thủy tinh thường nhiệt độ nóng chảy đến

Trong quá trình tạo bọt, độ nhớt của chất chảy lỏng và sức căng bề mặt trên bề

mặt phân chia lỏng và khí có ý nghĩa chủ yếu : độ nhớt phải đủ sức chống lại sự nổ vỡ

của bong bóng và sức căng bề mặt cũng không được vượt quá lớn để bong bóng có thể

kéo mỏng màng thủy tinh

C, bột thủy tinh dính lại tạo các lớp nhớt bám kín

chất tạo bọt, tăng thêm nhiệt độ, màng thủy tinh bị kéo ra dưới tác dụng của khí do chất

tạo bọt toả ra Quá trình tạo bọt tiến hành trong một thời gian nhât định, sau đó hạ nhiệt

độ thật nhanh, độ nhớt của thủy tinh tăng vọt lên, bọt bền vững lại Như thế, trong quá

trình tạo bọt, toàn bộ khối ở trạng thái dẻo có độ nhớt cao, trong đó chất tạo bọt phân

bố đều đặn sẽ tỏa khí tạo ra bọt bền vững và đều đặn

Như thế, các yếu tố chủ yếu đảm bảo độ bền vững của bọt đến khi thủy tinh xốp hoàn

toàn đông tụ lại là : độ nhớt của thủy tinh, sức căng bề mặt của nó và áp suất riêng phần

do chất tạo bọt gây ra Ngoài các yếu tố ấy, còn một số yếu tố khác cũng có ảnh hưởng

đến quá trình sản xuất thủy tinh xốp :

- Thành phần hạt của thủy tinh xốp

- Thành phần hạt của chất tạo bọt

- Số lượng và bản chất của chất tạo bọt

- Đặc điểm đường cong phân hủy của chất tạo bọt

- Điều kiện đốt nóng phối liệu

Chất lượng của thủy tinh xốp cũng như các vật liệu cách nhiệt khác, trước tiên do

trọng lượng thể tích phân bố đều đặn các lỗ xốp tong toàn bộ thể tích và cường độ cơ

học tối thiểu cho phép ứng với trọng lượng thể tích ấy qui định

Chúng ta hãy xét ảnh hưởng của các yếu tố cơ bản đến quá trình tạo bọt :

1 Độ nhớt của thủy tinh :

Chúng ta đã biết rằng khi nhiệt độ thay đổi, độ nhớt thủy tinh thay đổi rất nhiều,

mỗi lần nhiệt độ thay đổi 5 – 10o

2 Sức căng bề mặt :

C, độ nhớt của thủy tinh đã thay đổi rõ rệt, do đó nhiệt

độ là yếu tố cơ bản trong quá trình sản xuất thủy tinh xốp Phạm vi nhiệt độ qui định cho việc tạo bọt từng loại thủy tinh không được thay đổi tùy tiện Phạm vi nhiệt độ này

có thể mở rộng một ít bằng cách chọn thành phần hoá học của thủy tinh và phạm vi nhiệt độ này chính là phạm vi nhiệt độ mềm của thủy tinh Thủy tinh càng dài, phạm vi càng rộng và thủy tinh xốp sản xuất bằng thủy tinh này càng thuận lợi, đặc biệt là trong

sản xuất các khối thủy tinh xốp có kích thước lớn

Sức căng bềm mặt của thủy tinh ít tùy thuộc vào thành phần hóa học, nhưng thủy tinh càng dài, sức căng bề mặt càng bé và việc sản xuất thủy tinh xốp càng thuận lợi

3 Đặc điểm của chất tạo bọt:

Vấn đề lựa chọn chất tạo bọt cần phải chú ý:

+ Pha khí do chất tạo bọt gây ra không được toả quá sớm, ở nhiệt độ nằm dưới nhiệt độ làm mềm của thủy tinh, trước khi tạo ra một lớp bề mặt lỏng

+ Áp suất riêng phần của pha khí phải tăng lên dần dần và trong một phạm vi nhiệt độ rộng rãi tương ứng với độ ướt cần thiết của thủy tinh

II.2 Nguyên li ệu

M ảnh vỡ thủy tinh : lấy từ các nguồn phế thải trong công nghiệp và đời sống như :

các ô kính vỡ, ly, chén thủy tinh…Công nghệ chuẩn bị mảnh vụn thủy tinh phụ thuộc vào dạng phế thải Vì vậy, trong mỗi trường hợp công nghệ và thiết bị của dây chuyền

:

sẽ khác nhau Tuy nhiên các công đoạn chính vẫn là rửa, phân loại, loại bỏ tạp chất sắt oxyt và các công đoạn gia công tiếp theo

Natri cacbonat hay soda ( Na 2 CO 3 ) : Natri cacbonat khan là chất bột màu trắng, hút ẩm và nóng chảy ở 851o

Na

C Nó dễ tan trong nước, quá trình tan phát ra nhiều nhiệt

do sự tạo thành các hydrat Khi tan trong nước, natri cacbonat bị thủy phân làm cho dung dịch có phản ứng kiềm :

2CO3 + H2O  NaHCO3

- Soda được dung rộng rãi trong các ngành công nghiệp thủy tinh, đồ gốm, xà phòng, phẩm nhuộm Nó cũng là chất đầu điều chế nhiều hợp chất quan trọng của natri như sút ăn da, borác, thủy tinh tan, comat và dicromat

+ NaOH

- Natri cacbonat đôi khi có trong một số hồ muối và trong tro của rong biển

Trước đây trong công nghiệp, soda được sản xuất theo phương pháp sunfat do nhà hoá

học người Pháp là Lơ Blăng đề ra năm 1791 :

Na2SO4 + 2C = Na2S + 2CONa

đi qua dung

dịch NaCl bão hòa :

3 ): Trong thiên nhiên, CaCO3 tồn tại chủ yếu dưới dạng

đá vôi, đá cẩm thạch, đá phấn và đá spat Đá vôi là dạng phổ biến nhất thường tạo

thành những núi lớn Đá vôi dùng nhiều trong xây dựng đường xá, cầu cống, dùng để

sản xuất vôi, xi măng, khí cacbonic, dùng làm chất chảy trong luyện kim

- Đá cẩm thạch là một dạng của đá vôi được tạo nên trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao Nó có nhiều vân hoa và màu sắc khác nhau nên được dùng làm vật liệu xây dựng và trang trí Đá phấn là dạng đá vôi mềm có màu trắng Nó được dùng làm

phấn viết, làm chất độn trong cao su, làm bột đánh bóng kim loại, làm nhẵn mặt gỗ trước khi đánh bóng vecni Đá spat ( còn gọi là đá bồ tát hoặc đá băng đảo ) thường

gặp dưới dạng những tinh thể lớn trong suốt, không màu Nó có tính lưỡng chiết nên

được dùng làm lăng kính nicon trong một số dụng cụ quang học

- Để điều chế CaCO3, người ta cho dung dịch muối canxi tác dụng với muối cacbonat kim loại kiềm, hoặc cho dung dịch nước vôi hấp thụ khí CO2 Từ dung dịch nóng, CaCO3 kết tinh ở dạng tinh thể, từ dung dịch nguội thì nó tách ra ở dạng vô định hình Dạng bột nghiền mịn của CaCO3

3 + SiO2  CaSiO3 + CO2

CaCO3 + 2NH3  CaCN2 + 3H2

- Ở khoảng 900

O o

C, CaCO3 phân hủy thành CaO và CO2CaCO

:

3  CaO + CO

- Nhờ phản ứng này mà người ta đã biến đá vôi thành vối sống, một sản phẩm

rất cần trong công nghiệp và đời sống

2

II.3 D ụng cụ, thiết bị :

Dùng mảnh vỡ thủy tinh và sử dụng lần lượt 2 chất tạo bọt là CaCO

II.4 S ản xuất thủy tinh xốp :

3 và Na2CO3

+ Mảnh được đập nhỏ trong cối sứ và đem nghiền trong máy nghiền bi trong khoảng 3h Sau đó được rây qua sàng 0.2mm

để sản xuất thủy tinh xốp

+ Chất tạo bọt ở dạng bột được đem trộn với mảnh

+ Hỗn hợp (30g bột thủy tinh trộn lần lượt với 2 chất tạo bọt Na2CO3 và CaCO3

với hàm lượng 1, 5, 10, 15%)cho vào khuôn bằng thép không gỉ chịu nóng có sử dụng

chất bôi trơn là bột prafit để thủy tinh khỏi dính khuôn ( cho vào độ nửa khuôn )

+ Đậy nắp khuôn cho vào lò nung theo chế độ quy định ( nâng nhiệt độ lên

600oC và giữ ở nhiệt độ này 45 phút, sau đó nâng nhiệt độ lên 800o

+ Sau khi tạo bọt, làm lạnh khuôn đưa khuôn ra khỏi lò

C và giữ trong khoảng 15 phút )

+ Gia công khối thủy tinh xốp : cưa, mài, phân loại và đem thử độ hút nước,

trọng luợng thể tích …

Hiện nay, ngoài mãnh vỡ thủy tinh, có thể dùng các phế phẩm của sản phẩm thủy tinh, bột có dạng thủy tinh nấu từ đất sét hay các nham thạch

II.5 K ết quả :

II.5.1 Xác định khối luợng riêng :

Cân mẫu trong hai môi trường, không khí và nước Từ sự chênh lệch giữa kết quả

của hai lần cân, xác định thể tích mẫu, sau đó tính ra tỉ lệ giữa khối lượng mẫu trong không khí và thể tích của nó

: kết quả của phép cân khi cân mẫu trong nước, tính bằng (g)

H2O : khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ 28 – 31oC (g/cm3)

m – m1

m

B ảng 5.1.1 : Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo bọt Na2CO3 đến khối lượng riêng

c ủa thủy tinh :

Mẫu Thành phần

Na2CO3

m (g) (%)

B ảng 5.1.2 : Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo bọt CaCO3 đến khối lượng riêng

c ủa thủy tinh :

Mẫu Thành phần

CaCO3

m (g) (%)

m1 (g) ρH2O

(g/cm3

γ)