Thủy tinh và thủy tinh bao bì

Thủy tinh và thủy tinh bao bì

LỜI NÓI ĐẦU

Đồ án môn học là môn học cần thiết cho sinh viên ngành kỹ thuật , giúp cho sinh viên tự hệ thống lại kiến thức đã học trong những năm qua và giúp cho sinh viên có kinh nghiệm hơn để có thể nhận được đề tài thực tế sau khi tốt nghiệp Đồng thời , thông qua quá trình thực hiện đồ án sẽ tạo mối quan hệ gần gũi hơn giữa thầy cô và sinh viên Khi hoàn thành đề tài, sinh viên có khả năng tự thiết kế nhiều sản phẩm có ích cho xã hội, tự tin hơn khi nhận một đề tài theo yêu cầu.

Tuy nhiên , do kinh nghiệm của em còn nhiều thiếu sót nhất định nên đồ án môn học có nhiều thiếu sót Chúng em xin chân thành cảm ơn quí thầy cô đã tận tình hướng dẫn , giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này Đặc biệt xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Trung Kiên đã tận tình chỉ bảo hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.

Em xin chân thành cảm ơn Chúc sức khỏe quí thầy cô.

MỤC LỤC

A Tổng quan về thủy tinh và thủy tinh bao bì 4

I Trạng thái và cấu trúc của thủy tinh Silicat 4

1 Khái niệm chung về trạng thái thủy tinh 4

2 Độ nhớt và quá trình tạo thủy tinh 4

3 Cấu trúc của thủy tinh Silicat 5

II Các tính chất hóa lý của thủy tinh 6

5 Tính chất cơ học của thủy tinh 8

B Phần công nghệ sản xuất thủy tinh bao bì. 16

3 Nguyên liệu và các yêu cầu kỹ thuật 19

4 Gia công ,lưu trử và vận chuyển nguyên phối liệu 21

1 Các giai đoạn của quá trình nấu thủy tinh 24

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nấu 27

I Sơ đồ công nghệ 44

A Tổng quan về thủy tinh và thủy tinh bao bì.

I Trạng thái và cấu trúc của thủy tinh Silicat.

1 Khái niệm chung về trạng thái thủy tinh:

Vật thể rắn vô định hình thường gặp ở dạng bột, màng , gel, nhựa và thủytinh Đối với các chất vô cơ, thủy tinh là trạng thái vô định hình đặc trưng nhất.Các vật thể thủy tinh thường được xem như có vị trí trung gian giữa vật thể kếttinh 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 đốixứng trong cấu trúc gây ra sự đẳng hướng của thủy tinh lại làm cho nó giốngvật thể lỏng

Thủy tinh có các tính chất lý hoá sau:

a Tính đẳng hướng: tức là tính chất của nó xét theo mọi hướng điều nhưnhau, điều này được giải thích bởi cấu trúc đồng nhất của thủy tinh

b Khi bị đốt nóng nó không có điểm nóng chảy như vật thể kết tinh màmềm dần chuyển dần từ trạng thái dòn sang trạng thái dẻo có độ nhớt cao vàcuối cùng chuyển thành trạng thái lỏng giọt Do sự biến đổi liên tục này màtrong quá trình hoá rắn không chuyển pha mới Ngoài độ nhớt, một số tính chấtcủa thủy tinh cũng biến đổi liên tục như vậy theo nhiệt độ

c Thủy tinh có thể nóng chảy và hoá rắn một cách thuận nghịch làm chothủy tinh giống với dung dịch thực

d Dự trữ năng lượng của vật thể ở trạng thái thủy tinh cao hơn trạng tháitinh thể, vì vậy ở điều kiện nhiệt độ thích hợp vật thể thủy tinh luôn luôn có xuhướng bị kết tinh Quá trình kết tinh là quá trình tự diễn biến xảy ra không tiêutốn năng lượng bên ngoài

 Định nghĩa:

Thủy tinh là sản phẩm của các hợp chất vô cơ nóng chảy được làm quá lạnh đến trạng thái rắn mà không bị kết tinh.

2 Độ nhớt và quá trình 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, Nhưng trong thực tế không phải mọi chất đem làm quá lạnh đều tạo ra thủy tinh (thí dụ như nước đá) 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 của hỗn hợp nóng chảy là yếu tố cơ bản đặc trưng cho khả năng chuyển thành trạng tháithủy tinh

Vì vậy có được độ nhớt cao trong khoảng nhiệt độ 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 So sánh các số liệu (bảng 1) chúng ta thấy rõ độ nhớt của nhóm thứ hai cao hơn (từ 106 – 109 lần) độ nhớt nhóm thứ nhất Sự khác nhau đó quyết định tính chất của chúng khi làm quá lạnh

Bảng 1 Độ nhớt của một số chất ở nhiệt độ nóng chảy

SiO2GeO2

B2O3

As2O3BeF2

17101150450309540

3 Cấu trúc của thủy tinh Silicat

a Giả thuyết cấu trúc vi tinh:

Năm 1912 A.A Lêbêđép đã nêu lên giả thuyết cho rằng thủy tinh silicat là tập hợp của các tinh thể có độ phân tán cao (vi tinh thể) trong đó chủ yếu là các

vi tinh thể thạch anh

Giả thuyết này được Lêbêđép xây dựng trên cơ sở của những biến đổi bất thường về tính chất của thủy tinh xảy ra trong phạm vi 450 - 600 0C Phạm vi nhiệt độ này cũng là phạm vi chứa nhiệt độ biến đổi thù hình của thạch anh từ sang

Khi nghiên cứu sự thay đổi chiết suất của thủy tinh theo nhiệt đo Lêbêđép

đã thấy hiện tượng sau:

- Chiết suất tăng dần theo nhiệt độ nhưng đến phạm vi 520 - 6000C thì

giảm đột ngột

- Trong phạm vi nhiệt độ nhỏ hơn 5200 sự thay đổi chiết suất theo nhiệt độ

có tính chất thuận nghịch- đốt nóng chiết suất tăng lên, làm lạnh chiết suất lại giảm dần dần trở lại giá trị ban đầu Nhưng nếu giữ thủy tinh ở nhiệt độ 520 -

6000C rồi làm lạnh thì chiết suất bị thay đổi và không hồi phục được các giá trị ban đầu Sự thay đổi này diễn ra trong vùng nhiệt độ gần nhiệt độ biến đổi thù hình của thạch anh (5750C) và Lêbêđép đã cho rằng sự biến đổi chiết suất trongphạm vi nhiệt độ 520 - 6000C có liên quan với sự biến đổi cấu trúc trong thủy tinh mà ở đây chính là sự biến đổi thạch anh giữa hai dạng và Điều đó cũng

có nghĩa là trong thủy tinh có các vi tinh thể thạch anh tồn tại

b Giả thuyết cấu trúc liên tục vô định hình

Trên cơ sở các thành tựu đạt được của hóa học tinh thể, năm 1932

Zachariasen đã đưa ra giả thuyết cấu trúc liên tục vô định hình Theo ông, lực tương tác giữa các nguyên tử trong thủy tinh oxit có lẽ cũng giống như trong các tinh thể tương ứng, vì thế các tính chất cơ học của hai 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 lưới ba chiều, nhưng mạng lưới này không đối xứng và không tuần hoàn Do sự hỗn loạn đó mà năng lượng (nội năng) của thủy tinh lớn hơn nội năng của tinh thể Zachariasen cho rằng năng lượng dư của thủy tinh không lớn lắm; vì nếu không như vậy quá trình kết tinh

sẽ xảy ra ngay Khả năng tạo thủy tinh của mỗi chất đều tùy thuộc vào sự tạo

thành mạng lưới không trật tự ba chiều có năng lượng gần với năng lượng của mạng tinh thể tương ứng Mạng lưới của các thủy tinh đơn giản nhất (SiO2, GeO2, B2O3 ) được hình thành từ các đa diện liên kết (tứ diện, tam giác) Các

đa diện đó về cơ bản giống các đa diện tạo thành mạng tinh thể (dẫn đến sự sai khác không đáng kể về nội năng của thủy tinh và tinh thể) nhưng trong thủy tinh sự phân bố các đa diện đó không có quy luật định hướng như trong mạng lưới của vật thể kết tinh

c Giả thuyết cấu trúc nhóm

Trong thời gian gần đây, nhờ những phương pháp nghiên cứu hiện đại như phương pháp khảo sát cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử, bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen dưới góc nhỏ… và nhờ những nghiên cứu về tính chất hóa học của thủy tinh nhiều tác giả đã khẳng định: thủy tinh không phải là một

hệ hoàn toàn đồng nhất

Thực ra ngay từ năm 1925 Turner đã công bố ý kiến cho rằng có thể tách bớt kiềm ra khỏi một số loại thủy tinh bằng axit clohyric mà khung oxit silic xốp còn lại vẫn không bị biến dạng

II.Các tính chất hóa lý của thủy tinh

1 khả năng kết tinh của thủy tinh

Trong những điều kiện xác định và thích hợp vật chất ở trạng thái thủy tinh có thể tự chuyển về trạng thái tinh thể Đó là quá trình kết tinh các thủy tinh Quá trình kết tinh thủy tinh mang tính chất đối lập với quá trình tạo thủy tinh

Một quá trình kết tinh thông thường bao giờ cũng gồm hai giai đoạn: giai đoạn tạo mầm và giai đoạn mầm phát triển thành tinh thể Căn cứ vào cơ chế tạo mầm có thể chia ra hai loại kết tinh:

 Kết tinh tự phát hay tự kết tinh

 Kết tinh cưỡng bức hay kết tinh định hướng

Quá trình kết tinh cưỡng bức được ứng dụng để sản xuất thuỷ tinh kết tinh(xitan).Đối với hiện tượng tự kết tinh sẽ không có lợi khi ta tiến hành sản xuất thủy tinh vì khi kết tinh chất lượng của thủy tinh bị giam đi

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết tinh củaua3

 Thành phần: hàm lượng cấu tử tạo thủy tinh trong hỗn hợp càng cao, khả năng tạo thủy tinh của hệ càng mạnh Tuy nhiên quy luật này chỉ thề hiện rõ trong phạm vi thay đổi hàm lượng cấu tử tạo thủy tinh tương đối rộng: rõ nhất là phạm vi từ 0-100% Để ngăn cản hay làm yếu khả năng kết tinh nên đưa thêm vào thủy tinh các oxit nhưng với điều kiện là các oxit này không được có mặt trong pha tinh thể tách ra đầu tiên và cũng không được gây ra các mầm kết tinh

2 Độ nhớt của thủy tinh

Độ nhớt của chất lỏng biểu hiện ở khả năng chống lại sự dịch chuyển tương đối của các phần tử chất lỏng đó

Đặc điểm của hệ tạo thủy tinh là có độ nhớt rất lớn Ở nhiệt độ nấu cao nhất độ nhớt của thủy tinh vào khoảng 102 pz tức là 10000 lần lớn hơn độ nhớt

của nước ở 200 C (0,01 pz) và 40000 lần lớn hơn độ nhớt của thép nóng chảy ở nhiệt độ 14000 C (0,0025 pz) Ở nhiệt độ trong phòng độ nhớt của thủy tinh vào khoảng 1015 pz.

Độ nhớt có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình sản xuất thuỷ tinh Trong mỗi giai đoạn cần phải có độ nhớt thích hợp Trong giai đoạn khử bọt cần phải có độ nhớt thấp để tạo điều kiện cho quá trình khử bọt và đồng nhất

dễ dàng Trong giai đoạn tạo hình độ nhớt không được quá nhỏ để có thể tạo được phôi cũng như không được quá lớn để dễ dàng tạo hình, trong giai đoạn này độ nhớt vẫn được giảm nhanh để tránh quá trình tự kết tinh Khi ủ cũng cần phải có độ nhớt thích hợp, nếu độ nhớt quá lớn sản phẩm sẽ bị biến dạng, nếu độ nhớt quá nhỏ thì sẽ khó khử hết ứng suất vĩnh viễn trong thuỷ tinh

Độ nhớt phụ thuộc vào thành phần và nhiệt độ thuỷ tinh nên để khống chế độ nhớt thì người ta khống chế nhiệt độ và giữ thành phần của thuỷ tinh luôn ổn định Trong sản xuất cần phải kiểm tra định kỳ thành phần nguyên liệu

và phối liệu, cũng cần phải kiểm tra định kì nhiệt độ tại các giai đoạn

Sức căng bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc nấu và gia công thủy tinh Khi sức căng bề mặt lớn thì tốc độ nấu giảm do quá trình khử bọt và đồngnhất tiến hành khó khăn Sức căng bề mặt lớn thì sẽ khó tạo những sản phẩm thuỷ tinh sắc cạnh, thuỷ tinh tấm mỏng

4 Độ bền hóa

Độ bền hoá học của thủy tinh là khả năng chống lại tác dụng phá hoại hóahọc của môi trường xâm thực tiếp xúc với thủy tinh

Độ bền hóa phụ thuộc vào thành phần của thủy tinh và điều kiện phá hủy

nó, vì vậy khi sử dụng thủy tinh phải lưu ý đến điểm này

Quá trình phá hủy thủy tinh trong các chất lỏng xâm thực là một quá trìnhphức tạp Người ta chia các quá trình đó ra làm hai loại: hòa tan và xâm thực Khi hòa tan các cấu tử của thủy tinh chuyển vào dung dịch với tỷ lệ đúng bằng tỷ lệ của các cấu tử trong thủy tinh Môi trường axit fluohydric hoặc dungdịch kiềm nóng đậm đặc có khả năng hòa tan rất nhiều loại thủy tinh với tốc độkhác nhau

Quá trình xâm thực thường xảy ra khi thủy tinh chịu tác dụng của nước

và axit, trừ axit fluohydric Khi bị xâm thực oxit kiềm, và có thể cả oxit kiềm thổ, bị tan vào dung dịch Do đấy trên bề mặt thủy tinh tạo ra một lớp màng bảo vệ, đó là lớp gel oxit silic

Các oxit kiềm là nguyên nhân chính làm giảm độ bền hóa của thủy tinh bởi vì các silicat kiềm bị thủy phân cũng như có khả năng hấp thụ các khí CO2,

SO2 rất mạnh Nhưng Oxit silic, ngược lại luôn luôn làm tăng độ bền hóa của thủy tinh

5 Tính chất cơ học của thủy tinh.

Các tính chất như độ chịu nén, chịu kéo, chịu uốn, chịu va đập, độ đàn hồicủa thủy tinh phụ thuộc rất nhiều trạng thái mẫu thử bởi vì bản chất của thủy tinh là một chất vô định hình Thủy tinh là loại vật liệu kém chịu kéo nhưng chịu nén khá tốt thường thì gấp khoảng 10 lần Khi gia công bề mặt thủy tinh một cách cẩn thận có thể làm tăng độ bền cơ học của thủy tinh lên khá nhiều

6 Tính chất nhiệt của thủy tinh

Thủy tinh là loại vật liệu dẫn nhiệt rất kém, đây là một trong những nguyên nhân gây ra ứng suất phá hủy thủy tinh khi đốt nóng hay làm lạnh đột ngột

Hệ số dãn nở nhiệt của thủy tinh phụ thuộc vào thành phần thủy tinh và biến đổi trong một phạm vi khá rộng Thủy tinh có hệ số dãn nở nhiệt nhỏ nhất

là thủy tinh thạch anh =5,8 10-7 độ-1 Các oxit kiềm đều làm cho tăng lên do đấy tính chất nhiệt của thủy tinh bị giảm đi

Một tính chất quan trọng của thủy tinh là độ chịu nhiệt hay độ bền xung nhiệt Tính chất này phản ánh khả năng chịu đựng của thủy tinh khi nhiệt độ thay đổi đột ngột Độ chịu nhiệt là một tính chất kỹ thuật phức tạp trong nhiều tính chất lý học khác nhau của thủy tinh quyết định hệ số dãn nở nhiệt, độ đàn hồi, cường độ chịu kéo, độ dẫn nhiệt, tỷ nhiệt…

Thông thường độ chịu nhiệt được xác định bằng hiệu số nhiệt độ làm lạnhđột ngột mà thủy tinh không bị phá hủy Cần chú ý rằng thủy tinh có khả năng chịu đốt nóng đột ngột tốt hơn khả năng chịu lạnh đột ngột Muốn xác định độ chịu nhiệt của thủy tinh người ta cũng dùng phương pháp làm lạnh đột ngột cácmẫu thử có kích thước quy định

Để đặc trưng cho độ chịu nhiệt của thủy tinh cũng có thể dùng hệ số K xác định bằng biểu thức:

Cd E

: hệ số dãn nở nhiệt theo chiều dài

E: Môđun đàn hồi

: hệ số dẫn nhiệt

C: tỷ nhiệt

d: mật độ của thủy tinh

7 Tính chất điện của thủy tinh

Ở nhiệt độ thấp thủy tinh không dẫn điện và được sử dụng làm vật liệu cách điện Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ mềm thủy tinh trở thành vật dẫn điện

nhờ hiện tượng điện li Vì thế có thể nấu thủy tinh bằng dòng điện hoặc dòng cao tần.

Độ dẫn điện của thuỷ tinh phụ thuộc vào độ điện li và độ linh động của các ion Do dẫn điện bằng ion nên độ dẫn điện sẽ phụ thuộc vào các ion trong

đó, với các ion có bán kính nhỏ thì độ dẫn điện càng cao Còn độ linh động phụthuộc vào độ nhớt của thuỷ tinh Từ đó có thể kết luận độ dẫn điện của thuỷ tinh phụ thuộc vào thành phần và nhiệt độ của thuỷ tinh Các ion kim loại kiềm

có vai trò rất quan trọng trong việc tải điện (các ion đó càng nhiều độ dẫn điện càng lớn) Khi thay các ion kim loại hóa trị một bằng ion kim loại hóa trị hai

độ dẫn điện giảm đi

Thủy tinh có khả năng dùng làm chất điện môi trong các tụ điện Khi đó thủy tinh phải có hằng số điện môi lớn

8 Tính chất quang của thủy tinh

Chiết suất tỷ lệ thuận với mật độ của thủy tinh do đấy thủy tinh càng nặngchiết suất càng lớn Mặt khác, chiết suất còn là đại lượng phụ thuộc vào quá trình gia công nhiệt và làm lạnh thủy tinh Chiết suất của thủy tinh tôi thường nhỏ hơn chiết suất của thủy tinh ủ có cùng thành phần

Người ta còn quan sát được hiện tượng lưỡng chiết khi trong thủy tinh còn tồn tại ứng suất nội Hiện tượng lưỡng chiết ( phân cực ánh sáng ) là hiện tượng mà khi tia sáng chiếu vào thủy tinh sẽ bị tách thành hai tia sáng Dựa vàohiện tượng này người ta đã ứng dụng vào việc kiểm tra xem sản phẩm có còn tồn tại hay không từ đó có thể điều chỉnh được các quá trình ủ và tôi sản phẩm thủy tinh

Thủy tinh có khả năng hấp thụ có chọn lọc các tia sáng một cách chọn lọc

ấy tạo nên thủy tinh có những màu sắc khác nhau và gây ra bởi sự có mặt của các chất tạo màu trong thành phần thủy tinh

Có nhiều loại thủy tinh khi chịu tác dụng của tia tử ngoại, tia Rơnghen hoặc các tia đặc biệt khác có thể phát ra ánh sáng Hiện tượng phát sáng này gọi là hiện tượng huỳnh quang của thủy tinh Sự phát huỳnh quang của thủy tinh phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng chiếu vào thủy tinh và thành phần hóa học của thủy tinh Trong thủy tinh có một số nguyên tố có hoạt tính huỳnh quang như: Mg, Cu, Se, U, Pb, V, và một số nguyên tố khác

Hiện tượng huỳnh quang rất có ý nghĩa trong việc dùng thủy tinh làm cácdụng cụ, thiết bị làm việc trong điều kiện có ánh sáng chiếu vào, làm các dụng

cụ đo lường để xác định mức độ chiếu sáng và dùng làm dụng cụ phân loại sản phẩm trong sản xuất thủy tinh quang học

III Thủy tinh bao bì

Thủy tinh bao bì được tạo thành bởi hệ ba cấu tử: Na 2 O-CaO-SiO 2

Hình1: Giản đồ ba cấu tử Na 2 O-CaO-SiO 2

Các điểm quan tâm được trình bày như sau : Hợp chất CaO Na2O SiO2 To

nóng chảy hoặc hoặc eutecti đường lỏngoC

S - - 100 1723

E(Q-NS2) - - - 790

NS (Metasilicat) - 50 50 1088

E(NS2-NS-N2CS3) 1.8 37.5 60.7 821

NS2( Disilicat) - 1/3 2/3 874

E(NC3S6-NS2-Q) 5.2 21.3 73.5 725

NC3S6 (Devitrite) 10 30 60 1060 (phân huỷ)

Hỗn hợp có thành phần gần với thuỷ tinh thương mại Soda-đá vôi là Devitrite, điểm nóng chảy phân huỷ vào CaO-SiO2 và lỏng là 1060oC

Na2O đưa vào đủ để phá vỡ cầu nối oxy trong chuỗi mạch [SiO4]4- ,tương hợp với Ca cùng tác dụng vào ion oxy ngăn chặn được việc tan của thuỷ tinh lỏng (hệ Na2O – SiO2), ngoài ra còn giúp làm giảm nhiệt độ nóng chảy,giảm khuynh hướng kết tinh Do thuỷ tinh bao bì thường đưa vào dư lượng

Na2O nên theo thới gian có hiện tượng khuếch tán ion kiềm ra bên ngoài môi trường ẩm làm sản phẩm bị mờ

Hầu hết các kết quả quan trọng trong những nghiên cứu gần đây ( Shadid and Glasser, 1971; MuŠir and Glasser, 1974) về hệ ba cấu tử

Na2O-CaO-SiO2 (N-C-S) có thể được tóm tắc :

Q : Quartz , L: Lỏng và E: eutecti

* Các pha quan trọng trong khu vực N3S8 và NCS5

* Trong vùng giàu SiO2 có hai điểm eutecti tại nhiệt độ 755+ 5o C, NCS5 - Q - N3S8

* Điểm eutecti Q – NS2 –NC3S8 chưa ổn định

* NC2S3 không là phaổn định theo phép tính hệ số tỷ lượng nhưng

có giá trị %NS từ 28.5÷53.5 phân tử lượng, tồn tại dưới một vài dạng đa hình khác nhau, một trong những dạng này có thể là hợp chất mới NCS2

* N2CS3 có biến đổi nhỏ trong phép phân tích hệ số tỷ lượng, không căn bằng trong NS và dung dịch rắn giàu Na2O là NC2S3 Tại nhiệt độ cao

và vùng nghèo SiO2, cấu trúc của mạng được xác lập

Có thể chia thủy tinh bao bì thành 2 loại:

 Loại miệng hẹp: đường kính trong của miệng nhỏ hơn 30mm (chaibia, chai nước ngọt )

 Loại miệng rộng: đường kính của miệng lớn hơn 30mm (lọ đựng cácchất rắn hoặc chất kém chảy, đồ hộp…)

Hoặc có thể phân chia theo màu sắc thành các loại:

 Không màu (trong quá trình nấu có thể khử màu)

 Nửa trắng (không khử màu)

 Có màu (để bảo vệ chất có màu bên trong), màu được tạo thành docác chất tạo màu

Trong nhiều trường hợp, thủy tinh bao bì cần có độ bền hoá cao đểkhông gây phản ứng với các chất đựng bên trong, có độ bền cơ cao đểchống lại tác dụng do va chạm và còn phải chịu áp suất bên trong khá lớn.Thường, sản phẩm thủy tinh bao bì được sản xuất theo đúng yêu cầu kỷthuật, theo tiêu chuẩn của Nhà nước qui định, thủy tinh cần có độ bền xungnhiệt cao để tránh nứt vỡ sản phẩm khi nhiệt độ thay đổi đột ngột

Thủy tinh bao bì thường được sản xuất hàng loạt với năng xuất lớnnên cần phải sử dụng những nguuyên liệu tự nhiên, rẻ tiền để làm giảm giáthành sản phẩm

1 Chỉ tiêu kỹ thuật:

Sản phẩm thủy tinh bao bì phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật sau:

 Độ bền hoá: phải bền với tác dụng của axit hữu cơ trong thực phẩm

 Độ bền cơ: chịu sức kéo nén, có độ cứng và độ đàn hồi nhất định

 Sức nén: sản phẩm có dung tích 1 lit phải chịu lực nén theo yêu cầutrên 300kg, sức chịu nén theo tư thế nằm là 150kg

 Bao bì thủy tinh phải mỏng (2÷6mm) và nhẹ ( 0,2÷0,6mm/kg đồhộp)

 Lượng bọt tròn và lượng oval cho phép là 2-3 bọt

 Các vết cắt không quá 12mm, cho phép có 2-3 vết/lọ

 Trên bề mặt và bề dày của thủy tinh không được phép có bọt hở vàlõm ở mọi kích thước

2 Thành phần hoá học của bao bì:

Thành phần của thủy tinh bao bì từ năm 1932 đến năm 1964 thay đổi như trong bảng sau:

Bảng 18 Sự thay đổi thành phần thủy tinh bao bì

x

% chất nấu chảy dễ

xx1932

9,19,611,312,412,513,113,513,1

16,816,71615,315,515,214,915 x: oxit ổn định bao gồm Al2O3, CaO, MgO, BaO

xx: chất nấu chảy dễ B2O3, SO3, Fe, oxit kiềm

Bảng 19 Sự thay đổi hàm lượng các oxit hiếm

0,70,50,40,30,50,50,3

0,60,60,20,40,20,1

0,20,20,20,20,20,2

0,20,20,20,20,20,2

1964 2,0 0,4 0,4 0,2 0,2

Nhìn qua quá trình phát triển thành phần thủy tinh ta thấy: hàm lượng oxit ổn định luôn luôn tăng, hàm lượng SiO2 và chất dễ nấu chảy giảm Từ năm 1932 – 1964 các oxit ổn định tăng 4%, SiO2 giảm 2,1%, các chất dễ nấu chảy giảm 1,8% Tăng hàm lượng oxit ổn định, giảm hàm lượng oxit SiO2 và ngày nay hàm lượng các chất dễ nấu chảy tương đối ổn định với mục đích nâng cao tốc độ của máy

Những oxit chiếm tỷ lệ thấp được đưa vào thành phần thủy tinh bao

bì, dựa trên các kết quả nhiên cứu và thực tế sản xuất

Hàm lượng Al2O3 đưa vào thủy tinh để tăng độ bền hóa học và đồng thời làm cho quá trình gia công thuận tiện Theo kết quả nghiên cứu được hàm lượng Al2O3 nên đưa vào với tỷ lệ 1/8 hàm lượng oxit kiềm

Hàm lượng B2O3 đưa vào thủy tinh với mục đích tăng độ bền hóa học

và dễ nấu chảy, gia công thuận lợi

Hàm lượng F2 luôn luôn đưa vào khoảng 0,2% Hàm lượng SO3 cũng vào khoảng 0,2% có thể ở dạng Na2SO4, BaSO4 hay CaSO4

Thành phần thủy tinh bao bì phụ thuộc vào phương pháp sản xuất vàhình thức sử dụng sản phẩm:

 Khi tạo hình thủ công có thể sử dụng các loại thủy tinh ít kiềm vàkhông dài quá Có thể chọn thành phần thủy tinh trong khoảng sauđây:

8% trong phương pháp hút chân không, có những loại thủy tinh có hàmlượng Al2O3 cao hơn.

Các loại máy sản xuất theo phương pháp hút chân không cũng có thểgia công thủy tinh có thành phần như khi dùng cho máy nhỏ giọt có hàmlượng kiềm cao, đắt nên không kinh tế

Thành phần oxyt sắt Fe2O3 trong loại thủy tinh bao bì không màubán trắng dao động trong khoảng 0,05 ÷ 0,5% phụ thuộc vào hàm lượng sắttrong cát Thủy tinh có màu hàm lượng sắt có thể đến 2%, hàm lượng MgO

có thể đến 4% ( trong trường hợp thủy tinh màu nâu)

Hàm lượng B2O3 đưa vào thủy tinh sẽ làm tăng độ bền hóa Đây làtính quan trọng bậc nhất của thủy tinh bao bì thực phẩm, mặt khác giúp chothủy tinh dễ nấu chảy và gia công thuận tiện

Ngoài ra sản phẩm thủy tinh bao bì còn có thể thay đổi theo từngvùng cho phù hợp với nguồn nguyên liệu sẵn có mà vẫn đảm bảo tính năngtác dụng của sản phẩm chai lọ

3 Phương pháp sản xuất bao bì:

Để sản xuất thủy tinh bao bì ta có các phương pháp sau: thổi thủcông, ép và ép thổi bán tự động hoặc tự động và thổi tự động

 Phương pháp thổi thủ công:

Sản phẩm có hình dạng thiếu chính xác ( cổ sản phẩm ), năng suấtkhông lớn lắm chỉ dùng trong sản xuất qui mô nhỏ hoặc trong sản xuấtcác sản phẩm có dung tích lớn ( 15 lit trở lên )

 Phương pháp nén ép:

Phương pháp này có thể dùng để tạo hình những sản phẩm đơn giảnkhông phình ra ở thân dưới và lồi lõm ở mặt trong bằng cách dùng chàynén ép thủy tinh trong khuôn tạo hình Do đặc điểm truyền nhiệt trên bềmặt khuôn nhanh nên phương pháp này bị hạn chế đối với sản phẩmmỏng và cao

B Phần công nghệ sản xuất thủy tinh bao bì.

I Nguyên liệu và phối liệu

Nguyên liệu sản Xuất thủy tinh được phân thành hai nhóm: nguyên liệu chính và nguyên liệu phụ

 Nguyên liệu chính: là nguyên liệu mà các hợp chất tạo nên thànhphần và tính chất cơ bản của các loại thủy tinh và thường là các oxytaxit, oxyt kiềm, oxyt kiềm thổ

 Nguyên liệu phụ: là nguyên liệu chủ yếu là các hợp chất sử dụng đểkhử bọt, khử màu, nhuộm màu, làm đục, rút ngắn quá trình nấu thủytinh Nguyên liệu phụ so với nguyên liệu chính chỉ là một hàm lượngnhỏ

1 Nguyên liệu chính

 Nguyên liệu chứa SiO2:

SiO2 là thành phần chủ yếu của đa số thủy tinh công nghiệp Do sựliên kết của các tứ diện [SO4]2- mà khung thủy tinh tạo thành SiO2 quan

trọng nhất vì nó làm tăng độ bền hoá học, bền nhiệt, bề cơ của thủy tinh,nhưng nếu SiO2 quá cao sẽ làm cho thủy tinh rất khó nấu vì phải nấu ởnhiệt độ rất cao.

Hàm lượng SiO2 trong thủy tinh là từ 55% đến 75%

Để nấu thủy tinh người ta thường dùng cát thạch anh hay quaczit,ngoài ra còn dùng các nguyên liệu thiên nhiên chứa SiO2 ở dạng vô địnhhình như diatomit, opan, trepen… là những khoáng giàu SiO2

 Nguyên liệu chứa B2O3:

Là nguyên liệu quan trọng để nấu thủy tinh, thường là axit boric

H3BO3, cũng có thể dùng borax Na2B4O7.10H2O hay asarit 2MgO.B2O3.H2O để cung cấp B2O3 nấu thủy tinh

Đưa B2O3 vào trong thủy tinh để làm hệ số giãn nở nhiệt, tăng độbền nhiệt, độ bền hoá của thủy tinh dùng B2O3 làm tốc độ nấu tăng lên làmgiảm quá trình kết tinh của thủy tinh (khử bọt tốt hơn) và làm giảm quátrình nấu thủy tinh (nấu nhanh hơn)

 Nguyên liệu chứa Na2O:

Nguyên liệu chứa Na2O đem vào nấu thủy tinh có thể là sôđa khan

Na2CO3 hay soda kết tinh Na2CO3.10H2O và cũng có thể dùng Na2SO4 Những nguyên liệu này rất dễ hút ẩm, dễ vón cục nên phải được bảo quản nơi khô ráo Sunfat natri còn có tác dụng khử bọt Khi dùng Sunfat natri để nấu cần phải dùng chất khử (thường là Cacbon), chú ý là lượng Cacbon phải phù hợp thường dưới 5%, với lượng dư C gây nhuộm màu thuỷ tinh, lượng thiếu C làm xuất hiện lớp sunfat nóng chảy phá huỷ vật liệu chịu lửa dùng xây lò, mặt khác khi đưa vào cùng một lượng thì Soda cung cấp thànhphần Na2O nhiều hơn khoảng 25% so với Sunfat, do đó thông thường Soda được ưa dùng hơn

Đưa nguyên liệu chứa Na2O vào nấu thủy tinh làm cho độ bền cơ, độbền hoá, độ bên nhiệt giảm, tính dẫn điện cao, nhưng khi đưa nó vào giúpcho nhiệt độ nấu thủy tinh giảm, làm tăng khả năng hoà tan hạt cát, tăngnhanh tốc độ khử bọt Do đó nguyên liệu chứa Na2O rất quan trọng

 Nguyên liệu chứa Al2O3:

Al2O3 có thể đưa vào dưới dạng khoáng thiên nhiên như: cao lanhpecmatit, tràng thạch…có tác dụng làm giảm quá trình kết tinh của thủytinh, giảm hệ số giãn nở nhiệt,tăng độ bền nhiệt, độ bền hóa, độ bền cơ thủytinh nhưng Al2O3 làm nhiệt độ nấu cao, tốc độ nấu chậm dẫn đến độ khửbọt giảm

 Nguyên liệu chứa CaO và MgO:

Do đó khi đưa CaO và MgO vào sẽ làm tăng độ bền hoá của thủytinh.

2 Nhóm nguyên liệu phụ

 Chất khử màu:

Màu sắc của thủy tinh (khi không dùng các chất nhuộm màu) thườnggây ra bởi các hợp chất sắt lẫn vào trong nguyên liệu hay trong quá trìnhchuẩn bị phôi liệu Khi tồn tại ở hoá trị hai Fe2+ nhuộm thủy tinh thành màuxanh lam còn ở trạng thái hoá trị ba Fe3+ nhuộm thủy tinh thành màu vàngnhạt Điều này cần chú ý là cùng 1 hàm lượng nhưng Fe2+ gây màu mạnhhơn Fe3+ đến 10 lần Vì thế màu sắc của thủy tinh do sắt gây ra không chỉphụ thuộc tổng hàm lượng FeO + Fe2O3 mà còn phụ thuộc vào tỷ lệ giữahai dạng hoá trị khác nhau đó Để có thủy tinh trong suốt không màu cầnphải hạn chế đến mức tối thiểu hàm lượng hợp chất sắt và hàm lượng sắtcòn trong thủy tinh phải ở dạng hóa trị cao

Đối với nhiều loại thủy tinh, màu xanh do sắt gây ra dù rất yếu cũng

là điều không mong muốn để không có thủy tinh không màu cần phải tiếnhành khử Có hai phương pháp khử màu hóa học và vật lý:

* Phương pháp khử màu hoá học:

Được dùng khi tổng hàm lượng FeO + Fe2O3 không vượt quá hàmlượng 0,06% Nội dung của pháp là chuyển toàn bộ sắt thành oxyt sắt ba.Khi đó màu sắc của thủy tinh giảm đi, thủy tinh sẽ có màu vàng lục hơinhạt và độ thấu quang tăng lên

Các chất khử màu hóa học thường là các chất oxy hóa mạnh như:natri, axit asenic, antimoan, dioxit seri… và các hợp chất flour

* Phương pháp khử màu vật lý:

Được dùng khi tổng hàm lượng FeO + Fe2O3 không vượt quá0,08% Nội dung của phương pháp nhuộm là đưa vào thủy tinh một chấtnhuộm màu khác có khả năng tạo ra màu phụ với màu do sắt gây ra Kếtquả của chọn màu kép đó làm cho thủy tinh trở nên không màu nhưng độthấu quang của thủy tinh giảm đi

Các chất khử màu vật lý thường là:selen, oxyt coban hoá trị thấp vàcác nguyên tố hiếm

 Chất khử màu:

Để tạo ra các loại thủy tinh có màu sắc khác nhau có thể dùng chấtnhuộm màu phân tử hoặc chất nhuộm màu keo khuếch tán Khi nấu thủytinh, các chất nhuộm màu phân tử hòa tan trong khối thủy tinh đó và domỗi chất nhuộm màu ấy (các ion hoặc phân tử) có khả năng hấp thụ chọnlọc ánh sáng mà thủy tinh trở nên có màu Màu của thủy tinh gây ra có dochất nhuộm màu phân tử được hình thành ngay sau khi nấu và không bịthay đổi trong các quá trình gia công nhiệt về sau này Ngược lại chấtnhuộm màu dạng keo khuếch tán thường không tạo ngay sau nấu Chỉ saukhi gia công nhiệt lại sản phẩm các chất gây màu mới tách ra ở dạng cáchạt keo phân tán và dưới tác dụng tán xạ ánh sáng của các hạt keo ấy mà

thủy tinh trở nên có màu Màu sắc của thủy tinh khi phụ thuộc vào độ phântán và kích thước hạt keo, vì thế cũng phụ thuộc vào chế độ gia công nhiệt

Màu sắc của thủy tinh cũng phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện nấu,thành phần tinh gốc và môi trường lò

Các chất nhuộm màu phân tử thường là các hợp chất của mangan,coban, crom, niken, sắt, đồng(II), các nguyên tố hiếm

MnO2 tạo cho thủy tinh có màu đỏ, CoO tạo màu xanh (xanh coban),

Cr2O3 tạo màu lục vàng, Ni2O tạo màu tím đỏ…

Các chất nhuộm màu keo khuếch tán thường là hợp chất selen, vàng,bạc, đồng

 Chất khử bọt:

Chất khử bọt là loại vật liệu có khả năng khử mất bọt của thủy tinh,nói khác đi là chất có khả năng giải phóng khỏi khối thủy tinh đó các bọtkhí trông thấy được Các chât khử bọt thường dùng là nitrat, trioxyt asenic

va antimoan, dioxyt ceri, sunfat natri, các muối flour và amoni…

Cát là nguyên liệu chủ yếu cung cấp oxyt silic Trong cát thạch anh

có hàm lượng SiO2 rất lớn, hàm lượng tạp chất nhỏ Yêu cầu của cát để nấuthủy tinh là:

 Đối với chai trắng:

SiO2 98% min

Fe2O3 0,02% max

Mất khi nung 0,4% max

 Đối với chai màu nâu:

SiO2 98% min

Fe2O3 0,2% max

Mất khi nung 0,4% max

Cát ở Cam Ranh là loại cát nấu thủy tinh rất tốt, đáp ứng đầy đủ cácyêu cầu kỹ thuật sản xuất Tuy ở xa nhưng nhà máy nằm ở khu công nghiệpthuận lợi về giao thông nên việc chuyên chở không gặp trở ngại

Thành phần của cát Cam Ranh:

b Đá vôi:

Đá vôi là nguyên liệu cung cấp CaO cho thủy tinh Đá vôi có màuxám hoặc trắng, hàm lượng muối cacbonat 90 ÷ 97% ( gồm CaCO3, MgCO3

…) Đá vôi dùng để nấu thủy tinh phải có thành phần hoá học cố định và cóthành phần tạp chất tối thiểu Yêu cầu của đá vôi nấu thủy tinh là: CaO (51

± 2)%, MgO 3% max, Fe2O3 0,05% max từ những đặc điểm trê ta chọn đávôi Cần Thơ Với hệ thống đường bộ như hiện nay, việc vận chuyển đá vôi

từ Cần Thơ về nhà máy cũng không gặp trở ngại Ta cũng có thể vậnchuyển đá vôi bằng hệ thống đường thủy qua hệ thống sông Sài Gòn

Thành phần của đá vôi Cần Thơ:

c Đolomit:

Đolomit được dùng để cung cấp MgO và CaO của Đolomit và khảnăng sử dụng của nó để nấu thủy tinh do hàm lượng MgO quyết định Hiệnnay Đolomit được sử dụng nhiều nhất là Đolomit Thanh Hóa

Thành phần của Đolomit Thanh Hoá:

Yêu cầu của bột than: bột khô không có tạp chất

Lượng than cố định 83% min

Tro 15% max

Chất dễ bay hơi 1,5% max

4 Gia công, lưu trử và vận chuyển nguyên phối liệu

Yêu cầu về nguyên liệu:

 Nguyên liệu cho thành phần chính tồn tại với trữ lượng lớn và giá rẻ

 Nguyên liệu ở cỡ hạt nhỏ và được cân đo cẩn thận trong quá trìnhphối liệu

Anh hưởng của nước: nguyên liệu dưới dạng dung dịch có tác dụngthuận lợi cho quá trình phân bố chất đồng nhất nhưng không lợi về mặtkinh tế cho các quá trình nấu nhiệt độ cao, do đó ít khi áp dụng Nguyênliệu có quá nhiều nước tự do có thể gây kết dính, bất lợi cho sản xuất.Lượng nước nhỏ có tác dụng giảm ngắn quá trình nấu.

Anh hưởng của kích thước hạt: kích thước nhỏ thuận lợi cho sự phân

bố nguyên liệu đồng nhất và tạo diện tích bề mặt lớn cho phản ứng, rútngắn quá trình nấu, đồng thới tăng sự hao hụt do bốc hơi và bốc bụi Hạtquá nhỏ có thể gây khó khăn cho việc khử bọt Kích thước tối ưu cho cácnguyên liệu thông thường là 0,05…0,5mm Do những yêu cầu đặc biệt, cónhững nguyên liệu có kích thước nhỏ hơn

Thuận lợi của thành phần thủy tinh về mặt nguyên liệu: hầu hết cácloại thủy tinh đều có ô cơ bản (nguyên đơn) [SiO4]4- chứa SiO2 và Al2O3phổ biến trong các quặng thuận lợi cho việc sử dụng nhiều quặng khácnhau nên ta có thể dễ dàng thay đổi nguyên liệu

Bất thuận lợi: đòi hỏi thành phần nguyên liệu ổn định, đặc biệt là tạpchất Fe2O3

Các khó khăn trong việc lưu giữ và xử lý nguyên vật liệu:

 Thành phần các chất trong thủy tinh rất khác nhau về khối lượng (vídụ: ta dùng cát với khối lượng rất lớn trong khi chất khử bọt lại dùngvới khối lượng bé)

 Do đa số nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên nên thành phần hóakhông ổn định

 Hình thức đóng gói nguyên vật liệu rất khác nhau (vại, bao 50kg,bao 1 tấn hoặc không đóng gói…)

 Một số nguyên liệu độc hoặc có hại cho sức khỏe (arsenic, bột cát)

 Một số nguyên liệu bốc bụi rất mạnh (soda nhẹ)

 Một số nguyên liệu hút nước (nguyên liệu chứa Phốtpho) hoặc cóphần trăm nước không ổn định (cát)

 Một số nguyên liệu cần được xử lý rất cẩn thận, thí dụ ôxit tạo màuhoặc chất khử trong nguyên liệu sulfat

 Độ chảy của các nguyên liệu khác nhau, thí dụ cát ướt hay kết thànhmảng trong hầm chứa, soda đóng cứng

Vì vậy để thỏa mãn các yêu cầu trên ta cần:

a Lưu trử

 Dự trữ nguyên liệu và mảnh thủy tinh

 Chứa nguyên liệu và mảnh thủy tinh trong nhà kho cho sự tiêu dùnghàng ngày

 Lưu trữ đoạn trung gian từ phối liệu tới lúc đưa vào lò nấu

 Nơi lưu trữ, thu nhận thủy tinh phế liệu

Trữ lượng các kho/cyclo lưu trữ được thiết kế theo nguyên tắc:

Khối lượng cung cấp = Trữ lượng tối đa của kho – Trữ lượng tối thiểu = Tốc độ tiêu thụ (tốc độ phát sinh cho phế liệu x thời gian cung cấp)

Chú ý đối với mảnh thủy tinh, lượng phát sinh và tiêu thụ khác nhautheo từng loại sản phẩm Phải đảm bảo luôn có mảnh thủy tinh dự trữ.

Phân biệt giữa loại lưu trữ:

1 Trong bao bì: chỉ dành dự trữ một số ít nguyên liệu

2 Thành đống: thường cho cát, mảnh thủy tinh

3 Theo thùng: phổ biến khi nấu không liên tục, phối liệu theo phương phápthủ công; dành lưu trữ cả cho sản xuất và lưu trữ trung gian, lưu trữ mảnhthủy tinh

4 Trong cyclo: phổ biến trong các nhà máy hiện đại, sản xuất liên tục,nhưng không dùng chứa cát dự trữ và mảnh thủy tinh

Nhược điểm của thùng và đống so với cyclo:

 Trong thùng và đống, thường nguyên liệu đến sau được dùng trước

Có lúc phải dùng hết hoàn toàn để tránh hiện tượng có thành phần

dự trữ quá lâu

 Hao hụt lớn, tới 7% khi lưu trữ tự do Ngoài ra, gây ảnh hưởng môitrường

 Khi lưu trữ tự do, độ ẩm cao và không ổn định

 Dễ bị bẩn, pha tạp chất do người gây ra

⇒ Phải kiểm tra và trông coi cẩn thận

Trường hợp dùng cyclo, chú ý dòng chảy của nguyên liệu ra khỏicyclo, tránh trường hợp chỉ chảy thành dòng ở giữa gây hiện tượng:

 Nguyên liệu vào sau ra trước

 Phân lớp dọc theo cạnh chảy dóc gây thay đổi tính chất hoặc thànhphần phối liệu

 Bất ngờ chảy với tốc độ rất nhanh như chất lỏng trong trường hợp cỡhạt nhỏ hoặc không có tính dính

⇒ Cyclo đủ hẹp và cao, phần cuối cyclo chỗ thoát ra góc nghiêng nhỏ,miệng mở đủ lớn Cyclo chứa nguyên liệu thường có bộ phận đóng/mở đểđiều khiển dòng chảy, ngoài ra còn có các bộ phận trợ giúp như ống thổikhí nén, phần rung hoặc gõ điều khiển bằng khí nén hoặc cơ

b Vận chuyển

Có nhiệm vụ:

 Lấy nguyên liệu khỏi các phương tiện vận chuyển và nạp nguyên liệu vàocyclo

 Lấy nguyên liệu khỏi cyclo và đổ vào cân định lượng

 Vận chuyển nguyên liệu khỏi cân

 Nạp vào máy trộn

 Vận chuyển phối liệu từ máy trộn vào lò nấu thủy tinh

 Nạp vào lò nấu thuy tinh

Trong các đơn vị sản xuất thủ công, việc vận chuyển thường bằng thủcông như dùng thùng chứa chạy trên đường ray hoặc bình chứa được vậnchuyển bằng tời móc Trong các nhà máy hiện đại thường dùng:

 Dây xích vận chuyển, độ dốc tới 30o