Công nghiệp silicat 4.1

Giới thiệu về cộng nghệ silicat: Sản xuất thủy tinh, gốm sứ, xi măng .

THỦY TINH

 ĐỊNH NGHĨA

ĐỊNH NGHĨA

• Là chất rắn vô định hình, không có trật tự xa và không

có sự lặp lại tuần hòan trong cách sắp xếp nguyên tử

• Là sản phẩm vô cơ nóng chảy được làm nguội đến

trạng thái rắn mà không qua giai đọan kết tinh (ASTM)

• Là những vật thể vô định hình, có thể thu nhận được bằng cách làm nguội chất nấu chảy không phụ thuộc vào thành phần hóa và vùng nhiệt độ đóng rắn, có đặc trưng bằng sự tăng các tính chất cơ học của vật thể rắn khi tăng từ từ độ nhớt Quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái thủy tinh là một quá trình thuận

nghịch (Hội đồng về từ ngữ thuộc Viện Hàn Lâm khoa học Liên Xô cũ).

TRẠNG THÁI THỦY TINH

1 Tính đẳng hướng

2 Nội năng cao hơn so với trạng thái tinh thể

3 Quá trình chuyển từ lỏng  thủy tinh (rắn):

khoảng nhiệt độ khá rộng

4 Lỏng  rắn: tính chất thay đổi liên tục

SỰ PHỤ THUỘC THỂ TÍCH RIÊNG VÀO NHIỆT ĐỘ

Thủy tinh thường:

t g =420-560 0 C

t f =680-700 0 C

CẤU TRÚC THỦY TINH

• Thuyết cấu trúc vô định hình liên tục

(Zakhariasen – Worren)

• Thuyết cấu trúc tinh thể

(A.A.Lebedev)

Thuyết cấu trúc vô định hình liên tục

(Zakhariasen – Worren)

Cao hơn Thấp hơn

TINH THỂ

Ion kim l oại

Không Có

Khung [SiO4] xây

dựng theo quy luật

đối xứng chặt chẽ

CẤU TRÚC THỦY TINH CẤU TRÚC

TINH THỂ

Tinh thể Thủy tinh Thủy tinh natri silicate

Thuyết cấu trúc tinh thể

(A.A.Lebedev)

• Thủy tinh silicate là hợp thể của các tinh thể có độ phân

tán lớn, trong đó đa số là tinh thể thạch anh (1921)

• Lý thuyết vi tinh thể: thủy tinh là tập hợp các vi cấu

TÓM LẠI THỦY TINH

LÀ CHẤT RẮN VÔ ĐỊNH HÌNH, CÓ:

1 Tính chất cơ học hoàn toàn đặc trưng cho chất rắn

* Có tính đàn hồi

* Có tính dòn dễ vỡ

2 Cấu trúc đặc trưng cho chất lỏng

* Không có trật tự xa, nhưng có trật tự gần

TÍNH CHẤT CỦA THỦY TINH

TÍNH CHẤT CỦA THỦY TINH

Ở TRẠNG THÁI NÓNG CHẢY

ĐỘ NHỚT KHẢ NĂNG KẾT TINH SỨC CĂNG BỀ MẶT

TỶ TRỌNG NHIỆT DUNG RIÊNG

ĐỘ DẪN ĐIỆN

ĐỘ NHỚT

dx

dv s

Các giai đoạn

Nhiệt độ thủy tinh, 0 C

Ðộ nhớt, N.s/m 2

Cao Thấp Thông thường Làm trong 1550 1000 1200 – 1400 10

Bắt đầu gia công 1350 850 1000 – 1100 102

sự hình thành mạng lưới tinh thể  không thể kết tinh

khuếch tán các phần tử tham gia tạo thành mạng lưới tinh thể thấp

 Thành phần hoá  quyết định sự hình thành pha tinh thể & giới hạn khoảng nhiệt độ kết tinh

 Dấu hiệu đầu tiên của quá trình kết tinh xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc giữa các pha (trên bề mặt & trong các lỗ rỗng khí, …)

SỨC CĂNG BỀ MẶT

 Ảnh hưởng đến quá trình nấu chảy và tạo hình

+ Giai đoạn đầu qt nấu: sức căng bề mặt không cần lớn lắm + Cuối giai đoạn làm trong: sức căng bề mặt tăng  thúc đẩy quá trình hoà tan các bọt khí nhỏ vào trong hỗn hợp thủy tinh

+ Trong quá trình tạo hình (kính phẳng theo pp thẳng đứng): giúp vượt qua lực trọng trường (CÓ VAI TRÒ QUYẾT ĐỊNH KHI GIA CÔNG KÍNH PHẲNG THEO PP FLOAT)

 Sức căng bề mặt (thủy tinh nóng chảy)=3-4 sức căng bề mặt (nước)

 Thủy tinh công nghiệp: sức căng bề mặt khoảng 0,22-0,38N/m

 Phụ thuộc vào:

+ Thành phần môi trường khí + Thành phần của thủy tinh

- Tăng sức căng bề mặt: Al 2 O 3 , CaO, MgO,…

- Giảm sức căng bề mặt: K 2 O, sunfat, oxit asen,…

+ Nhiệt độ

TỶ TRỌNG

Giảm khi nhiệt nhiệt độ tăng

NHIỆT DUNG RIÊNG

Có thể tính theo công thức: C t = C 0 (1 + 0,00039t)

C t : nhiệt dung riêng trung bình của thủy tinh giữa nhiệt độ 0 – t 0 C, kJ/kg 0 C

C 0 : nhiệt dung riêng trung bình của thủy tinh giữa nhiệt độ 0 – 20 0 C, kJ/kg 0 C t: nhiệt độ của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy, 0 C

ĐỘ DẪN ĐIỆN

Nhiệt độ tăng  độ dẫn điện tăng

Phụ thuộc vào: thành phần hoá (oxit kiềm làm tăng độ dẫn điện của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy)

TÍNH CHẤT CỦA THỦY TINH

Ở TRẠNG THÁI RẮN

TÍNH CHẤT CƠ TÍNH CHẤT NHIỆT TÍNH CHẤT QUANG TÍNH BỀN HOÁ

TÍNH CHẤT ĐIỆN

TÍNH CHẤT CƠ

* Ảnh hưởng đến tính chất quang, tính chất nhiệt,…

* Xác định bằng khối lượng riêng và thể tích riêng

* Khối lượng riêng có thể tính theo CT:

n

n

x

a x

a x

1



* Khối lượng riêng phụ thuộc vào:

+ Thành phần hoá + Trạng thái của thủy tinh: nấu chảy < rắn; ủ kém < ủ tốt

Loại thủy tinh Tỷ trọng (g/cm 3 )

TT silicat kiềm - kiềm thổ 2,48-2,6 trung bình

Boro silicat 2,24-2,41 thấpSilicat chì 2,85-3,12 caoAlumo silicat 2,47-2,65 trung bình

Các oxit ảnh hưởng đến tỷ trọng của thủy tinh:

CaO > MgO > Na 2 O > Al 2 O 3 > SiO 2

Tỷ trọng thường dễ đo và đo chính xác  dùng làm đại lượng để kiểm tra sự ổn định về thành phần hoá học trong SX thủy tinh

MODUN ĐÀN HỒI:

- Tính đàn hồi đo bằng modun đàn hồi/ hệ số đàn hồi

- Tính đàn hồi  dự đoán tính chất nhiệt, cơ của thủy tinh

 dự đoán chế độ gia nhiệt, tôi và ủ

- Khi tăng (B 2 O 3 , Al 2 O 3 , CaO) thay cho SiO 2 /tăng nhiệt độ

 modun đàn hồi tăng

- Modun đàn hồi phụ thuộc vào độ cong võng của thanh thủy tinh:

2 3

3

kg/mm ,

4

a b F

ĐỘ BỀN NÉN, KÉO VÀ UỐN:

- Độ bền nén, kéo và uốn  lĩnh v ự c sử dụng của thủy tinh

- Thủy tinh: (độ bền nén) = 10-15 (độ bền kéo và uốn)

ở 200 0 C: độ bền bé nhất

ở trong nước: chịu tải của thủy tinh giảm mạnh khi thử

- Ứng suất dư tồn tại, do:

+ Quá trình ủ kém + Tạp chất

+ Các vết gợn sóng xuất hiện gần bề mặt của thủy tinh + Trạng thái của thủy tinh

 tác động xấu lên cường độ uốn của thủy tinh

- Thành phần hoá (qui tắc cộng tính) cường độ chịu kéo, nén

- Tăng cường độ cho thuỷ tinh:

+ Sửa các khuyết tật lớp bề mặt của thủy tinh + Gia cường hoá học lớp bề mặt,…

* Cường độ va đập của thủy tinh sau khi tôi = 5-7 lần trước khi tôi

* Cường độ va đập của thủy tinh ủ lâu = 2-2,5 lần ủ bình thường

* Độ giòn của thủy tinh phụ thuộc vào:

+ Hình dạng mẫu + Kích thước mẫu + Phương pháp gia nhiệt Tăng cường độ va đập, giảm độ giòn: B 2 O 3 , Al 2 O 3 , MgO

TÍNH CHẤT NHIỆT

NHIỆT DUNG RIÊNG:

* Là lượng nhiệt cần thiết để đốt nóng một đơn vị khối lượng thủy tinh lên 1 0 C

* Nhiệt dung riêng giảm khi cho: oxit kim loại nặng PbO, BaO,…

* Nhiệt dung riêng tăng khi cho: Li 2 O, BeO, MgO,…

Na 2 O > MgO > Al 2 O 3 > SiO 2 > K 2 O > CaO

* Nhiệt độ tăng  nhiệt dung riêng tăng (đến Tg  tăng không đáng kể, trong khoảng biến đổi cấu trúc thì nhiệt dung riêng tăng nhanh)

P C

P C

+ P 1 , P 2 , P n : hàm lượng theo khối lượng các oxit trong thủy tinh

+ C 1 , C 2 , C 3 : hệ số tính toán (tra bảng)

ĐỘ DẪN NHIỆT:

* Đặc trưng bằng hệ số dẫn nhiệt (lượng nhiệt đi qua hai bề mặt đối diện nhau của 1cm 3 thủy tinh khi hiệu nhiệt độ giữa các bề mặt

là 1 0 C trong một đơn vị thời gian)

* Các oxit ảnh hưởng: MgO > Na 2 O > CaO > Al 2 O 3 > SiO 2

* Phụ thuộc vào:

+ Nhiệt độ + Bề dày mẫu,…

TÍNH CHẤT QUANG

sin



• Hệ số khúc xạ phụ thuộc vào:

+ Tần số (tần số tăng  n giảm) + Bước sóng ánh sáng

+ Nhiệt độ của thủy tinh (nhiệt độ tăng

 hệ số khúc xạ tăng)

+ Thành phần hoá học của thủy tinh

SỰ PHẢN XẠ

I 0 I R1 I R2 I R3 I R4 I R5

I T1 I T2 I T3 I T4 cường độ chùm tia phản xạ

R =

cường độ chùm tia tới

TÍNH BỀN HOÁ

ĐỘ BỀN AXIT:

Sự tấn công của axit vào thủy tinh là sự trao đổi ion dương trên bề mặt.

Thủy tinh silicat rất bền với axit (NGOẠI TRỪ HF)

Độ phân tán (Ion kiềm) = 10 lần độ phân tán (Ion kiềm thổ)  xảy ra quá trình trao đổi với ion kiềm

Axit tấn công  ion kiềm trên bề mặt ít dần  tạo lớp film  độ bền axit tăng theo thời gian

Sự tấn công của axit không phụ thuộc vào loại và nồng độ axit

Thủy tinh silicat kiềm_kiềm thổ: 2 hoặc 3

Alumosilicat 3

ĐỘ BỀN KIỀM:

Không tạo lớp film  độ hoà tan của thủy tinh trong dung dịch kiềm

tỉ lệ với thời gian

pH tăng  tốc độ hoà tan tăng

Độ bền kiềm: Xếp loại Bền nước

Lúc đầu: giống như tác động của axit

Lúc sau: giống như tác động của kiềm

TÍNH CHẤT ĐIỆN