Tiểu luận vật liệu đại cương

Tiểu luận vật liệu đại cương

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC



TIỂU LUẬN MÔN HỌC: VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG

Tp.Hồ Chí Minh, Tháng 11 Năm 2016

Mục lục

Danh mục hình

1 Thủy tinh chịu nhiệt chịu hóa

Nói chung tất cả các loại thủy tinh đều phải có độ chịu nhiệt và chịu hóa nhất định nhưng với một số loại sản phẩm tính chất này là căn bản

Thủy tinh chịu nhiệt chịu hóa chủ yếu dùng để sản xuất các dụng cụ hóa học nên nó còn cótên là thủy tinh làm dụng cụ hóa học Trước kia trong thủy tinh làm dụng

cụ hóa học không có B2O3 nên khó nấu và hệ số giãn nở nhiệt khá lớn Đến thế kỉ 20 người ta dần dần cho thêm B2O3 vào cải thiện được nhiều tính chất của nó

Thủy tinh Borosilicat có ưu điểm là chịu nhiệt tốt ( thủy tinh gọi là bền nhiệt khi có hệ số giãn nở nhiệt α≤ 50.10-7 ) nhưng chịu kiềm kém Mặc khác qui trình công nghệ, chế độ nấu loại thủy tinh này cũng khó khăn, đồng thời lượng Borax được sử dụng tương đối lớn nên giá thành sản phẩm tương đối cao

Trong những năm 30 của thế kỉ 20, thủy tinh thạch anh và thủy tinh có hàm lượng SiO2 cao xuất hiện đã cải thiện nhiều tính năng của thủy tinh làm dụng cụ hóa học nhưng qui trình công nghệ sản xuất 2 loại thủy tinh này rất phức tạp, giá thành sản phẩm cao nên chúng chỉ được dùng trong trường hợp cần yêu cầu kĩ thuật cao Ngoài

ra thủy tinh alumoborosilicat cũng là một loại thủy tinh làm dụng cụ hóa học tương đối tốt

1.1 Thủy tinh dùng trong phòng thí nghiệm

Dùng làm dụng cụ thí nghiệm và các dụng cụ chứa đựng nhiều loại hóa chất khác nhau nên thủy tinh này có 3 yêu cầu cơ bản:

-Có độ chịu hóa cao, chịu được tác dụng của nhiều loại hóa chất khác nhau.-Có độ chịu nhiệt cao

-Có khả năng kết tinh bé khi gia công nhiệt

Để đáp ứng những yêu cầu ấy phải dùng các loại thủy tinh borosilicat, alumoborosilicat hay thủy tinh thuộc hệ nhiều cấu tử phức tạp Ngoài các ôxyt thường dùng như Al2O3, B2O3, BaO người ta còn dùng thêm ZnO, ZrO2 Thủy tinh dùng trong phòng thí nghiệm có hàm lượng kiềm tương đối ít nên nó có độ chịu hóa cao( đặc biệt đối với nước), chịu nhiệt lớn Với những dụng cụ đun nấu còn chú í sau: Loại bình nhỏ thành mỏng thường dùng thủy tinh có hệ số giãn nở nhiệt α≤ 50.10-7 Độ chịu dao động nhiệt đến 2000C Loại thành dày, dày đến 1cm thì chịu được đến 500C Độ bền nước, bền axit phải đạt cấp 1 và bền kiềm phải ở cấp 2

Mặc khác, hình dạng của các bình cũng ảnh hưởng nhiều đến dộ bền nhiệt: Kém bền nhất là loại cốc có mỏ, loại này khi đốt nóng hay làm lạnh đột ngột nó dễ bị

vỡ ở góc đáy bình nơi chịu ứng suất uốn lớn Để khắc phục điều này người ta dùng bình tam

giác bền hơn Loại bình hình cầu có độ bền nhiệt tốt nhất

Chế tạo: Nghiền mảnh thủy tinh có độ chịu hóa cao bằng máy nghiền bi với bi

là thủy tinh cùng loại Phân loại cỡ hạt bằng rây (đường kính lỗ của tấm lọc tùy thuộc vào kích thước hạt bột thủy tinh) Ví dụ: Để có tấm lọc với đường kính lõ 100µm phải dùng bột cỡ 0,15-0,2mm Loại có lỗ 25µm phải dùng bột loại 0,05mm Sau khi rây chọn cỡ hạt thích hợp thì cho bột vào khuôn có kích thước tương đương với tấm lọc và cho vào lò điện đốt nóng đến nhiệt độ gần với nhiệt độ mềm của thủy tinh (thiêu kết)

1.3 Thủy tinh ampun

Dùng để bảo quản các loại thuốc Nếu dùng thủy tinh thông thường chứa thuốc, kiềm dễ bị thôi ra phá hoại các tính năng của thuốc, thậm chí làm cho thuốc kết tủa

Do đó tất cả các loại thuốc tiêm dưới da đều phải chứa trong các dụng cụ làm từ thủy tinh trung tính Thủy tinh này có đặc điểm không thôi kiềm khi tiếp xúc với thuốc Mặc khác thủy tinh ampun không được chứa các kim loại nặng như PbO, Sb2O3,As2O3

1.4 Thủy tinh làm nhiệt kế

Nhiệt kế từ thủy tinh đầu tiên do Galile Galilei làm vào cuối thế kỉ 16 Nhiệt kế

từ thủy tinh thông thường có thể đo đến nhiệt độ 4000C Loại thủy tinh borosilicat có thể dùng đo đến 5100C

Loại cao SiO2 ( 96%SiO2) có thể đo đến 14000C Thủy tinh làm nhiệt kế phải đạt những yêu cầusau:

-Không bị kết tinh khi gia công nhiệt

-Phải là loại thủy tinh khó chảy

-Có nhiệt độ mềm cao và hệ số giãn nở nhiệt bé

Thủy tinh này được nấu trong lò nồi như các loại thủy tinh kĩ thuật khác và phải được hấp ủ cẩn thận Muốn đọc nhiệt độ dễ trong nhiệt kế thường có một nền trắng hoặc màu làm từ men đục hay màu

1.5 Thủy tinh thạch anh

Nguyên liệu dùng để nấu thủy tinh thach anh là các loại thạch anh tinh khiết

Do nguyên liệu và công nghệ sản xuất khác nhau nên có 2 loại thạch anh: Thạch anh trong suốt và loại bán trong suốt Loại bán trong suốt nấu từ cát thạch anh tinh khiết chứa nhiều bọt khí nhỏ nên ánh sáng đi vào nó bị tán xạ Thủy tinh thạch anh trong suốt được nấu từ pha lê thiên nhiên hoặc thủy phân hay ôxy hóa SiCl4 bằng ngọn lửa cao nhiệt

Tính chất hóa lí của thủy tinh thạch anh:

a) Tính chất cơ học: Thủy tinh thạch anh không trong suốt có mật độ 2,02- 2,08g/cm3 ứng với độ rỗng 5-7,5% Mật độ thạch anh trong suốt 2,2g/cm3 Thủy tinh thạch anh có

cường độ chịu nén còn chịu kéo chịu uốn tương đối nhỏ Thủy tinh thạch anh không trong là 3000kg/cm2, 230kg/cm2, 450kg/cm2,còn thủy tinh thạch anh trong suốt là 6000kg/cm2, 770kg/cm2, 1150kg/cm2.

b) Tính chất nhiệt: Hệ số giãn nở nhiệt bé ( α= 5,4 10-7 ở 200C ) nên có độ bền nhiệt cao

Có thể đốt nóng đến 10000C rồi làm lạnh đột ngột bằng nước lạnh mà không bị nứt

vỡ Nếu sử dụng lâu có thể đốt nóng đến 1100-12000C, nếu sử dụng thời gian ngắn có thể đốt đến 14000C

c) Tính chất hóa học: Thủy tinh thạch anh không hoạt động, không tác dụng với phần lớn các hóa chất Đối với axit trừ HF và H3PO4 ra hầu hết như bất kỳ axit hữu cơ hay vô

cơ có nồng độ như thế nào và ở nhiệt độ cao hay thấp không thể ăn mòn thủy tinh thạch anh Nó là vật liệu chịu axit tốt nhất Đối với kiềm và muối kiềm khả năng chịu đựng của nó kém hơn

d) Tính chất điện: Thủy tinh thạch anh có cường độ điện môi lớn, độ tổn thất điện môi bé,

độ dẫn điện bé ngay cả ở nhiệt độ cao Nó là một trong những chất điện môi hoàn thiện nhất

e) Tính chất quang học: Thủy tinh thạch anh cho qua tia tử ngoại rất tốt nên nó có giá trị lớn trong khoa học kỹ thuật Chiết suất nD= 1,4584, bé nhất so với các loại thủy tinh khác

f) Độ nhớt:Thủy tinh thạch anh có độ nhớt rất cao Ngay cả ở 20000C nó cũng không chảy nhớt như thủy tinh thông thường ở 14800C Nhưng nâng nhiệt độ cao hơn nữa thì

nó bị bay hơi Khi có tạp chất và tạp chất tăng lên độ nhớt của thủy tinh thạch anh sẽ giảm Độ nhớt của thủy tinh thạch anh không trong nhỏ hơn thạch anh trong suốt

Cách chế tạo thủy tinh thạch anh:

Thủy tinh thạch anh có độ nhớt khi nấu và khi thành hình đặc biệt cao Mặc khác nhiệt độ nóng chảy của SiO2 là 17130C mà nhiệt độ bay hơi của nó là 21000C chênh nhau không nhiều lắm nên phải dùng thiết bị và phương pháp chế tạo đặc biệt

Đó là nguyên nhân làm cho nền công nghiệp thủy tinh thạch anh phát triển chậm, giá thành sản phẩm cao, việc sử dụng bị hạn chế

a) Cách chế tạo thạch anh trong suốt:

− Nguyên liệu : SiO2 thiên nhiên trong suốt và tinh khiết Trước khi nấu phải qua các bước: Chọn lựa những miếng hoàn toàn trong rồi rửa bằng HCl, bằng nước cất, sấy, đập, sàng

− Nấu: Có nhiều phương pháp Thường nấu thủy tinh trong điều kiện chân không rồi trước khi kết thúc quá trình nấu ta tăng áp lực trên bề mặt về áp suất thường hoặc lớn hơn Quá trình nấu thường tiến hành trong lò điện cảm ứng chân không Trước khi nấu ta hút không khí trong lò khoảng 10-15 phút đến áp lực tuyệt đối 0,5mmHg rồi nối điện vào lò Sau khi nấu 3 giờ tăng thêm công suất 15-20% đồng thời cho thông không khí( hoặc tăng áp) lò trong 20-30 phút Phương pháp thứ 2 là dùng đèn xì Cho dòng khí mang những hạt nguyên liệu cỡ 0,1-0,3mm đi qua ngọn lửa của đèn xì, nguyên liệu

sẽ rơi xuống chảy dần thành thủy tinh thạch anh trong suốt Khí đốt là hỗn hợp hydro

và ôxy

Ngoài ra người ta còn thủy phân hay ôxy hóa hơi SiCl4 theo phản ứng sau:

SiCl4 + 2H2O → SiO2 + 4HCl

SiCl4 + O2 → SiO2 + 2HCl

b) Cách chế tạo thủy tinh thạch anh không trong suốt

− Nguyên liệu : Cát thạch anh tinh khiết SiO2 > 99,5% , Al2O3 < 0,2%, Fe2O3 < 0,2%)

− Cách nấu:

Trong quá trình nấu sẽ có những phản ứng phụ :

SiO2 + 3C = SiC + 2CO

SiO2 + 2C = Si + 2CO

2SiC + SiO2 = 3Si + 2CO

Cho cát thạch anh vào vỏ sắt (1) Giữa lò có thanh grafit (2) và 2 đầu thanh ấy

là 2 cực grafit (3) Nối điện vào lò, nhiệt độ thanh than lên đến 18000C Do tiết diện của 2 cực lớn hơn thanh grafit nên nó không nóng lên nhiều lắm Lớp cát thạch anh nằm cạnh thanh than sẽ chảy dần do tác dụng đốt nóng của dòng điện Sau khi nấu xong, mở nắp dưới của lò tháo cát chưa chảy ra đồng thời rút thanh than ra khỏi lò và cho thủy tinh chảy ra tạo hình Quá trình tạo hình chỉ trong 30 giây sau khi mở lò

Do tiếp xúc với cacbon, thủy tinh vùng sát với thanh than có màu hung còn CO làm cho giữa thanh than và thủy tinh thạch anh có một lớp trung gian nên về sau rút thanh than ra ngoài dễ dàng

Trong trường hợp cần chế tạo những khối thạch anh lớn ta dùng nhiều thanh thanđặt song song nhau

Phương pháp này có ưu điểm là không cần nồi nấu đặc biệt và không cần cách nhiệt đặc biệt vì lớp cát thạch anh chưa chảy bao quanh khối thạch anh nóng chảy làm nhiệm vụ ấy

− Phạm vi sử dụng:

Thủy tinh thạch anh được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

− Làm đèn chiếu tia tử ngoại, làm các thiết bị dụng cụ trong phòng thí nghiệm, cửa quan sát ở các thiết bị làm việc trong điều kiện áp suất lớn, nhiệt độ cao, độ chân không cao

− Dùng chế tạo tháp cô đặc trong sản xuất axit, dụng cụ điều chế các kim loại hiếm

− Dùng làm ống bảo vệ pin nhiệt điện

− Nhiều ứng dụng khác

1.6 Thủy tinh có hàm lượng SiO 2 cao (Vycor)

Thủy tinh có hàm lượng SiO2 cao là loại thủy tinh chứa từ 95% SiO2 trở lên Thủy tinh này có một số đặc tính của thủy tinh thạch anh: Hệ số giãn nở nhiệt bé, nhiệt

độ mềm cao, bền hóa…Kỹ thuật sản xuất thủy tinh này có phần phức tạp hơn so với các loại thủy tinh thông thường nhưng so với qui trình sản xuất thủy tinh thạch anh thì đơn giản hơn nên giá thành rẻ hơn Do đó về một số tính năng thì thua thủy tinh thạch anh nhưng người ta vẫn dùng nó thay thủy tinh thạch anh

Việc sản xuất thủy tinh cao SiO2 dựa vào đặc tính của thủy tinh chứa bor là với

tỉ lệ thành phần thích hợp sau khi xử lí nhiệt ở một nhiệt độ nhất định sẽ phân làm 2 pha có thành phần hoàn toàn khác nhau: Một pha chủ yếu là SiO2 không hòa tan trong axit, pha kia chủ yếu là B2O3 có thể tan trong axit Cho thủy tinh đã phân thành 2 pha

ấy vào axit để pha chứa B2O3 hòa tan đi và sau khi xử lí như thế thủy tinh ban đầu sẽ biến thành thủy tinh có hàm lượng SiO2 cao với nhiều lỗ trống

Cuối cùng đem đốt nóng, thủy tinh có nhiều lỗ ấy sẽ thiêu kết lại thành thủy tinh trong suốt chứa 95-98%SiO2

Cách sản xuất:

Gồm các bước: Phối liệu, nấu, thành hình, xử lí nhiệt, xử lí axit, thiêu kết

− Phối liệu: Thường dùng thủy tinh thuộc hệ SiO2 – B2O3 – R2O , đôi khi có thêm Al2O3

Ví dụ: Thành phần % các ôxyt của 2 loại thủy tinh như sau:

− Nấu và thành hình: Nhiệt độ nấu thường vào khoảng 1350-14000C Không nên quá cao

để tránh xâm thực nồi nấu Thời gian nấu 1 giờ sau đó làm lạnh đến 1100-12200C và thành hình Vì sau khi xử lí axit và thiêu kết sản phẩm co lại 20-30% nên sản phẩm khi thành hình phải lớn hơn sản phẩm yêu cầu

− Xử lí nhiệt: Cho sản phẩm đã thành hình vào lò hấp đốt nóng đến nhiệt độ nhất định và giữ ở nhiệt độ ấy một thời gian để có sự phân chia pha Nhiệt độ và thời gian xử lí nhiệt tùy thuộc vào:

Thành phần thủy tinh chứa bor đã nấu, chiều dày của sản phẩm, tốc độ làm lạnh nhanh hay chậm khi thành hình Nếu nhiệt độ xử lí quá thấp, thời gian xử lí quá ngắn,

độ nhớt của thủy tinh lớn việc hình thành các đơn vị cấu trúc BO4 sẽ khó khăn Nếu nhiệt độ xử lí nhiệt quá cao, thời gian xử lí quá dài, độ nhớt của thủy tinh thấp B2O3 sẽ hình thành những hạt phân bố trong pha nhiều SiO2 và sẽ khó khăn trong xử lí bằng axit sau này

Sau khi xử lí nhiệt do hiện tượng phân chia pha thủy tinh sẽ có màu đục sữa

− Xử lí bằng axit: Dùng dung dịch HCl 3N hoặc H2SO4 ở 980C để xử lí Nồng độ axit không được quá cao hoặc quá thấp Thời gian xử lí tùy thuộc vào chiều dày sản phẩm Sau khi xử lí bằng axit xong phải rửa sạch và cho vào tủ sấy

− Thiêu kết: Sau khi sấy cho thủy tinh vào lò nung, nâng nhiệt độ dần dần đến

950-11000C và giữ ở đó vài phút rồi làm lạnh nhanh

Tính chất của thủy tinh cao SiO2:

Do hàm lượng SiO2 cao nên thủy tinh giàu SiO2 hơn hẳn các loại thủy tinh khác

và gần với thủy tinh thạch anh hơn Có thể so sánh như sau:

2 Sợi thủy tinh

Vật liệu sợi thủy tinh được phát triển mạnh sau thế chiến thứ 2 và được sản xuất với số lượng lớn Thủy tinh thạch anh và thủy tinh có hàm lượng SiO2 cao được kéo thành sợi, có đường kính 3 – 30 µm để làm vật liệu cách điện, cách nhiệt

Sợi thủy tinh kết hợp với vật liệu nhựa nền để sản xuất vật liệu composite, được ứng dụng nhiều trong các sản phẩm dân dụng và công nghiệp

Sau khi đốt nóng và làm nguội, tính năng của sợi thủy tinh thay đổi khác nhau Tùy theo nhiệt độ đốt nóng, độ bền kéo giảm xuống không ngừng Sự giảm độ bền không liên quan nhiều đến thành phần và tốc độ làm nguội mà phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đốt nóng

- Theo phương pháp chế tạo: sợi dài liên tục, sợi ngắn (bông)

Do có cấu trúc polymer, thủy tinh dễ kéo thành sợi hoặc tạo bông Thành phần cơ sở của nhiều loại thủy tinh sợi trong hệ SiO2 – Al2O3 – CaO – MgO với hàm lượng các oxit kiềm rất thấp (<2%) Trên cơ sở hệ thủy tinh này, khi thay một phần CaO bằng

B2O3, thủy tinh sợi chuyển sang hệ borosilicate

Thủy tinh sợi được nấu trong lò bể liên tục từ những nguyên liệu khác nhau (chủ yếu là các silicate magie hay borosilicate) ở nhiệt độ tương đối cao (1500 – 17000C), rồi kéo liên tục thành sợi dài Bông thủy tinh là loại sợi ngắn, sản xuất bằng cách phun khí nén ở áp lực cao vào dòng thủy tinh nóng chảy, khi đó thủy tinh sẽ văng

ra thành sợi ngắn Có hai phương pháp tạo sợi từ thủy tinh nóng chảy:

- Phương pháp trực tiếp: Thủy tinh nóng chảy từ lò trực tiếp đi vào khuôn kéo thành sợi dài liên tục;

- Phương pháp gián tiếp: Thủy tinh nóng chảy được tạo thành những viên hình cầu, đường kính 18 – 21 mm Những viên bi này sẽ được nấu lại bằng điện trong lò Pt-Rh chuyên dụng rồi kéo thành sợi.

Sợi thủy tinh có thể ở dạng sợi dài liên tục cuộn thành ống hoặc dệt thành tấm (như tấm vải) Sợi thủy tinh có đường kính nhỏ vài chục µm sẽ không có những nhược điểm của thủy tinh khối như giòn, dễ nứt gãy… mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn như bền kéo (thậm chí còn cao hơn sợi thép cùng kích thước) Tùy mục đích sử dụng, ta có thể thay đổi thành phần của thủy tinh như thêm ZrO2, TiO2, BaO, bớt hoặc không dùng Na2O để tạo ra các loại sợi thủy tinh có tính chất phù hợp Các hãng sản xuất sợi thủy tinh nổi tiếng là Pikington (USA), Ahlstrom (Phần Lan), Ventrolex (EU)

2.1 Các loại sợi thủy tinh

Để dễ kéo sợi, tránh bị kết tinh thành phần thủy tinh ban đầu tương ứng với điểm eutectic của hệ SiO2 – Al2O3 – CaO – MgO, đó là thủy tinh E với thành phần: 59,5% SiO2, 14,2% Al2O3, 23,8% CaO, 2,5% MgO, hàm lượng kiềm Na2O không quá 2% Hàm lượng các oxit kiềm thổ RO tăng sẽ làm giảm độ bền axit; hàm lượng oxit kiềm (Na2O) tăng làm tăng độ dẫn điện và khó kéo thành sợi dài Trên cơ sở thủy tinh

E ban đầu, khi thay thế một phần CaO bằng B2O3 sẽ cải thiện rất nhiều tính chất công nghệ như dễ nấu, dễ kéo sợi, bền nhiệt, bền hóa do B2O3 là oxit tạo mạch thủy tinh Tuy nhiên, B2O3 không cải thiện độ bền kiềm cho thủy tinh Hàm lượng oxyt biến tính

Fe2O3 quá cao cũng làm thủy tinh khó kéo sợi nhưng có thể tạo bông (bông khoáng)

Công nghệ tạo sợi, bông có thể phân thành ba công đoạn chính như sau:

1 Chuẩn bị nguyên liệu;

2 Nấu và đồng nhất hóa;

3 Kéo sợi (hoặc tạo bông);

Các loại sản phẩm sợi thủy tinh thương mại thường có ký hiệu riêng, được phân loại theo thành phần hóa học hoặc công dụng chính Trên bảng 1 là một số loại sợi thủy tinh thương mại phân loại theo thành phần hóa và tính chất chính:

1 Sợi thủy tinh E: Trong thành phần chính có Al2O3, MgO, CaO và B2O3, hàm lượng kiềm tối đa 2% Đây là loại sợi cách điện tốt, phổ biến nhất trong các loại sợi thủy tinh hiện nay (chiếm tới hơn 95% sản lượng sợi thủy tinh được sản xuất)

2 Sợi thủy tinh ECR: Trong thành phần có Al2O3, CaO và SiO2, hàm lượng kiềm tối đa 2% Loại sợi thủy tinh có độ bền cao, bền axit, điện trở cao

3 Sợi thủy tinh AR: Đây là loại sợi thủy tinh bền kiềm có thể dùng làm pha phân tán gia cường các vật liệu composite trên nền xi măng Pooc – lăng và các chất kết dính kiềm tính khác Trong thành phần sợi thủy tinh này có SiO2, ZrO2 và Na2O Oxit zircon ZrO2 là thành phần quan trọng nhất làm tăng độ bền kiềm của thủy tinh AR

4 Sợi thủy tinh R: Có thành phần chính là Al2O3, CaO và SiO2 Đây là loại sợi tăng cường độ bền cơ, bền axit so với thủy tinh E

5 Thủy tinh S2: có thành phần chính là Al2O3, MgO và SiO2; dùng nhiều ở dạng vải, bền cơ cao, duy trì được độ bền cơ, chịu ăn mòn, bền hóa ở nhiệt

độ cao

6 Sợi thủy tinh D: loại sợi có hàm lượng SiO2 cao, kiềm và Fe2O3 thấp , vì vậy

có tính cách điện rất tốt

7 Sợi thủy tinh A: là thủy tinh bền kiềm, trong thành phần không có B2O3

8 Sợi thủy tinh C: là loại thủy tinh có độ bền hóa cao, có hàm lượng B2O3 khá cao

9 Sợi thủy tinh S: là loại có độ bền cơ học cao, trong thành phần có Al2O3, MgO, B2O3 và hàm lượng SiO2 cao

Bảng 3 Thành phần hóa một số loại sợi thủy tinh

0 – 1

72 – 75

0 – 1 -

54 – 62

9 – 15-

27 – 25

0 – 4

2 – 5-

55 – 75

0 – 5

0 – 8

1 – 10 -

64 – 66

24 – 25-

0 – 0,29,5 – 10-

0 – 0,8-

-0 – 4

0 – 0,3-

-0 – 2

0 – 1,5-

0 – 0,8-

0 – 0,5

0 – 0,3

-0 – -0,2

0 – 0,1-

Từ các số liệu bảng 1, khi so sánh các tính chất cơ của thủy tinh E với một số vật liệu dạng sợi khác như sợi cacbon, sợi thép, sợi Kevlar… ta thấy sợi E có độ bền kéo cao hơn, không kém sợi Kevlar (sợi làm áo giáp chống đạn), cao hơn sợi cacbon

và sợi thép

Bảng 4 So sánh tính chất sợi thủy tinh với một số loại sợi khác

Mật độ

Modul đàn hồi (kN/mm2)

Bền kéo (N/mm2)

Modul đàn hồi riêng (kN/mm2)

Bền kéo riêng (N/mm2)

Biến dạng khi gãy (%)

1,452,551,380.9

420240200160

13070148

210024001100

200 – 2000

300030001100400

2211262662

902710,18,9

11051260141385

20691176797444

0,51-2

2 – 35157

Trên thực tế, sau khi tạo sợi (hoặc bông), người ta còn phải dùng các chất bôi trơn, chất liên kết phun phủ lên sản phẩm trước khi đóng gói, sử dụng Những chất phun phủ này có tác dụng kết dính các hạt bụi, xơ thủy tinh, những lỗi nhỏ khi chế tạo, liên kết bông thành tấm Nhờ vậy, bông sợi thủy tinh không phát tán bụi khi bảo quản, vận chuyển và sử dụng Các chất bôi trơn này còn giúp bề mặt sợi thủy tinh trơn, dễ phân tán, dễ kéo khỏi cuộn trong các ứng dụng về sau

2.2 Một số ứng dụng của sợi thủy tinh:

Từ sợi thủy tinh có thể tạo rất nhiều sản phẩm kỹ thuật hoặc dân dụng với những tính chất khác biệt với sản phẩm thủy tinh truyền thống Trước hết thủy tinh dạng sợi có thể dùng để dệt thành tấm như các tấm vải, làm thành lót sàn nhà… Vải từ sợi thủy tinh không cháy, có thể bền hóa và bền cơ cao, có thể dùng chế tạo vải lọc trong công nghệ hóa học, môi trường…

Một số ứng dụng phổ biến dễ thấy nữa là tạo composite với các polimer Trong

đó sợi thủy tinh như pha phân tán gia cường cho nền polimer của composite Ba loại nhựa kết dính chính thường dùng nhất là Polyester, Epoxy và Vinyl Trong đó, phổ biến nhất là Polyester Có thể dùng MEKP (Methyl Etyl Ketone Peroxide) làm xúc tác thêm vào Polyester Thân vỏ máy bay, tàu thuyền nhỏ, tấm nhựa làm mái che mưa nắng, tường ngăn… là những sản phẩm phổ biến của loại vật liệu composite này

Để ứng dụng làm Composite làm nền ximăng Pooc lăng, phải dùng các sợi bền kiềm ECR hoặc sợi A Các loại sợi khác không bền kiềm, sẽ bị Ca(OH)2 sinh ra trong quá trình thủy hóa các khoáng xi măng Pooc lăng ăn mòn, giảm dần tới mất cường độ Trong kỹ thuật xây dựng hiện nay , đang phát triển kỹ thuật dùng sợi thủy tinh bện sợi thành cáp, cốt được phủ epoxy, mạ kẽm hoặc thép chống ăn mòn

Thanh cốt liệu thủy tinh dùng thay thế thép kim loại trong các ứng dụng chịu tải trọng cao, làm bê tông cốt sợi thủy tinh bền kiềm trong nền xi măng, dệt thành vải… Dùng thanh cốt liệu sợi thủy tinh thay sợi thép làm giảm trọng lượng kết cấu bê tông

do sợi thủy tinh bền kéo gấp hai lần so với sợi thép có cùng kích thước, bền trong môi trường ăn mòn clo (nước biển, nước lợ), không bị nhiễm điện, cách nhiệt tốt

*Bông thủy tinh:

- Một dạng nữa của sợi thủy tinh là bông thủy tinh Bông thủy tinh được tạo

ra bằng cách làm nóng chảy kính, dùng luồng khí nóng nhiệt độ cao thổi thành sợi vừa nhỏ, vừa ngắn gọi là bông thủy tinh Có một loại bông thủy tinh chống ẩm vô cùng nhỏ, 200 sợi nhỏ ghép lại mới to bằng sợi tóc Bông thủy tinh có tính giữ nhiệt rất mạnh Khả năng giữ nhiệt của bông sợi thủy tinh dầy 3cm tương đương với tường gạch dầy 1m Tính hút âm thanh của bông thủy tinh cũng rất tốt, do vậy nó được dùng làm các nguyên liệu giữ nhiệt, cách nhiệt, cách âm, chống chấn động và lọc trong nhiều ngành công nghiệp

- Bông có thể coi như loại sợi ngắn Kỹ thuật chế tạo bông thủy tinh, vì vậy, đơn giản hơn kỹ thuật kéo sợi Thành phần hóa phối liệu tạo bông ít kén chọn, không cần thủy tinh chất lượng quá cao, nhiệt độ nấu và kỹ thuật đồng nhất hóa cũng không đòi hỏi quá phức tạp Có thể dùng mảnh thủy tinh nấu lại, thậm chí có thể dùng các loại đá bazan hàm lượng oxyt sắt (Fe2O3) cao, nấu ở nhiệt độ tương đối thấp (1300 – 13500C) Kỹ thuật chế tạo gồm hai công đoạn chính là nấu chảy rồi tạo bông (thổi khí áp lực cao, quay ly tâm)

- Ứng dụng chính của các loại bông thủy tinh là dùng làm vật liệu cách nhiệt, chừng mực nào đó có tác dụng cách âm, nhiệt độ làm việc tương đối thấp (Tsử dụng < 3000C) Bông có thể dùng ở dạng sợi dài hoặc dùng chất liên kết hữu cơ tạo thành tấm

3 Thuỷ tinh quang học:

3.1

Khái niệm chung

Khoa học kỹ thuật càng phát triển, các yêu cầu đối với dụng cụ quang học càng cao Nhưng chất lượng của dụng cụ quang học tùy thuộc nhiều vào chất lượng thủy tinh quang học

So với các loại thủy tinh khác, thủy tinh quang học ra đời muộn hơn Do yêu cầu của sản xuất, trong những năm gần đây thủy tinh quang học phát triển rất nhanh, loại thủy tinh quang học ngày càng nhiều, không những chỉ

có thủy tinh quang học silicat mà còn có thủy tinh quang học photphat, borat, fluorua… Các nguyên tố đắt hiếm cũng ngày được dùng nhiều trong thủy tinh quang học và số nguyên tố được dùng để sản xuất thủy tinh quang học đã lên quá 40 loại

3.2

Các yêu cầu đối với thủy tinh quang học

Do các hệ quang học tạo hình cần thỏa mãn nhiều yêu cầu khác nhau nên thủy tinh quang học phải có những tính chất quang học nhất định

Nói chung, các yêu cầu về tính chất vật lý của thủy tinh quang học như sau:

a- Hằng số quang học phải phù hợp yêu cầu, những nguyên nhân thường gây ra sai số là:

- Phân tích hoá học và xác định lượng ẩm không đúng

- Các oxit bay hơi khác nhau trong quá trình nấu và sự ăn mòn các bộ phận khuấy trộn, nồi nấu

- Quá trình xử lý nhiệt

b- Tính chất lưỡng chiết: có trong phạm vi cho phép hoặc không có

c- Tính chất quang học đồng nhất: trong quá trình làm lạnh thủy tinh quang học, trong một phạm vi nhiệt độ nào đó kết cấu của nó thay đổi làm cho chiết suất thay đổi Vì thế đối với thủy tinh quang học chế độ làm lạnh, hấp…phải tuân thủ nghiêm khắc nhằm đảm bảo cho thủy tinh có tính chất quang học đồng nhất

d- Độ đồng nhất cao: không có vân

e- Không có bọt, sa thạch: bọt và sa thạch làm tán xạ, phản xạ, khúc xạ, giảm mất tia sáng tạo hình, làm hình ảnh không rõ nét Vì thế số bọt trong thủy tinh quang học chỉ được tồn tại trong phạm vi cho phép

f- Trong suốt không màu

g- Có độ chịu hoá tốt và có cường độ cơ học nhất định để có thể dùng các dụng cụ quang học ở những địa phương khác nhau

3.3

Phân loại thủy tinh quang học

Theo tiêu chuẩn của Liên Xô có thể chia thủy tinh quang học ra các loại sau đây (bảng 15)

Bảng 5: Các loại thủy tinh quang học

Các loại thủy tinh nD dưới 200C nF-nC dưới 200C

TF (SF)

TK (SK)OF

1,4982 – 1,52631,5147 – 1,56681,5181 – 1,52621,5484 – 1,63951,5480 – 1,57851,6128 – 1,62421,6475 – 1,75501,5638 – 1,65771,5294

0,00765 – 0,008760,00849 – 0,010150,00819 – 0,010320,01046 – 0,013250,01195 – 0,014070,01659 – 0,017380,01912 – 0,027420,00928 – 0,010320,01022 Cơ-rôn không hoặc chứa ít PbO; Fơ-lin có hàm lượng PbO cao

Thành phần hoá học một vài loại thủy tinh quang học được trình bày ở bảng 16

Bảng 6: Tính chất một số loại thủy tinh quang học

17,2

12

- Antimoan và arsen thường có mặt đồng thời trong thủy tinh và có hoá trị ba hay năm Nếu nấu trong điều kiện oxy hoá nó có hoá trị năm Nhưng trong thực tế lượng các oxit đó và ảnh hưởng riêng của nó đến các tính chất của thủy tinh sinh theo hoá trị ba Oxit Bi2O3 có khuynh hướng dễ khử thành nguyên tử trung tính, để tránh điều đó thủy tinh nấu ở nhiệt độ thấp (dưới

13000C) có hàm lượng KNO3 lớn Oxit Al2O3, Bi2O3, Sb2O3 dễ bay hơi trong quá trình nấu (có khi đến 50% hàm lượng đem vào) Ngoài ra Al2O3 hay gây đục và gây huỳnh quang trong thủy tinh nên hàm lượng của nó không được vượt quá 1% Hàm lượng Sb2O3 trong thủy tinh fơ-lin có thể đến 20% Hàm lượng oxit Bi2O3 trong thủy tinh kiềm silicat có thể đến 60% Theo các số liệu thủy tinh hệ Na2O-Bi2O3-SiO2 có chiết suất lớn và độ bền vững hoá học lớn hơn thủy tinh chì cũng có thành phần và trọng lượng tương tự như vậy trong hệ Na2O-PbO-SiO2 Oxit Bi2O3 có khả năng tăng chiết suất lớn nhất trong tất cả các oxit

- Oxit Tl2O là một cấu tử rất lý thú trong thủy tinh quang học, trong thủy tinh Talli-fơ-lin Nó giảm hệ số tán sắc xuống rất nhiều Oxit Tl2O hoá trị cao chỉ

có thể có được trong thủy tinh khi nấu trong môi trường oxy hay nitơ

- Trong những trường hợp đặt biệt đáng chú ý người ta có thể đưa vào thủy tinh quang học lượng BO3 khá lớn Trong thủy tinh chì, silicat và berat lượng SO3 có thể tới 17% Các nhà nghiên cứu đã nấu được thủy tinh có thành phần 3PbO-2SiO2-xSO3 và 3PbO-2B2O3-xSO3 trong đó x có thể đến 1

SO3 tăng khả năng thấu quang của thủy tinh chì silicat trong vùng quang phổ ánh sáng thấy và gần vùng quang phổ tử ngoại Sau đây là vài loại thủy tinh quang học mới

a- Thủy tinh photphat: lúc đầu người ta dùng P2O5 để cải thiện màu thủy tinh quang học chứa chì Ngày nay nó đã trở thành thành phần chủ yếu trong thủy tinh quang học photphat vì nó có những ưu điểm sau: chiết suất cao, độ tán sắc cao, cho tia tử ngoại đi qua dễ dàng, nhiệt độ nấu thấp, độ nhớt nhỏ, bền

HF, hấp thụ tia hồng ngoại Bên cạnh những ưu điểm ấy có một số nhược điểm sau: độ bền hoá kém, lượng bay hơi thay đổi làm ảnh hưởng tới tính chất quang học ăn mòn nồi nấu và dễ kết tinh nên giá thành đắt và hạn chế phạm vi sử dụng của chúng.

b- Thủy tinh có các oxit đất hiếm: chiết suất của thủy tinh tăng và độ tán

sắc giảm xuống La2O3 có ảnh hưởng lớn đến tính chất thủy tinh quang học chứa ít SiO2 Nhưng cần lư ý một số nguyên tố đất hiếm gây màu thủy tinh lại có tính chất phóng xạ nên không thích hợp trong một số trường hợp để nấu thủy tinh quang học

c- Thủy tinh borat: là loại thủy tinh quang học có chiết suất cao, độ tán sắc

thấp, không chứa hoặc chứa ít SiO2 Độ chịu hoá của nó thấp nhưng có thể cho vào thành phần một số cấu tử để làm tăng độ bền hoá như SiO2, Al2O3, ZrO2, ThO2, TiO2 Trong thủy tinh chiết suất cao gồm B2O3-La2O3, BaO nếu có thêm ZrO2 và TiO2 thủy tinh có độ chịu hoá tốt

d- Thủy tinh thạch anh: thủy tinh thạch anh trong suốt có tính năng quang học

tốt, có thể cho qua tia tử ngoại, hệ số hút ánh sáng trắng không vượt quá 0,002, chịu hoá nhiệt tốt, chiết suất bé (nD =1,4584)

e-Các loại thủy tinh quang học khác

- Thủy tinh quang học có TiO2, MoO3, V2O5 có chiết suất rất cao nhưng cũng có độ tán sắc cao Vấn đề nấu thủy tinh quang học này đến nay vẫn chưa được giải quyết

- Thủy tinh fluorua: có chiết suất thấp (1,39 -1,42) nên chỉ dùng trong những trường hợp đặc biệt

3.5 Nấu thủy tinh quang học

a- Nồi nấu thủy tinh quang học

Muốn nấu được thủy tinh quang học tốt trước tiên phải có nồi nấu tốt Nâng cao được chất lượng nồi nấu có liên quan mật thiết với việc nâng cao các tính chất của thủy tinh quang học

- Yêu cầu đối với nồi dùng nấu thủy tinh quang học:

+ Chịu được áp lực của khối thủy tinh ở nhiệt độ cao Có nhiệt độ biến dạng dưới tải trọng tương đối cao

+ Chịu được sự ăn mòn của khối thủy tinh lỏng

+ Chịu nhiệt tốt

+ Hàm lượng oxit nhuộm màu thủy tinh (ví dụ Fe2O3) dưới 0,8%

+ Không bị nứt khi sấy và nung

Muốn tránh vật liệu chịu lửa bị ăn mòn làm bẩn thủy tinh có thể dùng Pt làm nồi nấu nhưng vì đắt nên người ta chỉ dùng nó trong trường hợp cần nấu thủy tinh quang học đặc biệt Thông thường người ta vẫn dùng samốt làm nồi nấu

b- Sự ăn mòn nồi nấu

Ở nhiệt độ cao nồi nấu bị khối thủy tinh lỏng ăn mòn trực tiếp Tốc độ

ăn mòn có thể được biểu diễn bằng hệ thức:

S x

F.D.S

V= (C −C )

γTrong đó :

F: diện tích tiếp xúc của nồi với thủy tinh

D: hệ số khuếch tán của phân tử thủy tinh

S: diện tích phản ứng trong mỗi cm2 thành nồi

?? : chiều dày lớp phản ứng

CS: nồng độ bão hòa của phân tử hạt làm nồi trong thủy tinh

Cx: nồng độ thực tế

Từ đó ta thấy muốn giảm sự ăn mòn nồi:

- Giảm diện tích tiếp xúc F: với một thể tích nhất định, khi chiều cao của nồi h bằng bán kính dày nồi r thì diện tích tiếp xúc giữa nồi và khối thủy tinh lỏng bé nhất Vì lẽ đó, chiều cao nồi nấu phải xấp xỉ bán kính của nó

- Thiêu kết ở nhiệt độ cao vì sau khi thiêu kết ở nhiệt độ cao, độ xốp của nồi giảm xuống, mặt thành nồi sít đặc, diện tích phản ứng giảm

- Hạ thấp nhiệt độ nấu một cách thích đáng vì hệ số khuếch tán D tỉ lệ thuận với nhiệt độ nấu T và tỷ lệ nghịch với độ nhớt ç còn chiều dày lớp phản ứng tỷ lệ thuận với độ nhớt Khi nhiệt độ T tăng, độ nhớt giảm và giảm rất nhanh Do đó trong điều kiện đảm bảo chất lượng thủy tinh cố gắng không tăng nhiệt độ

- Dùng vật liệu chịu lửa có độ chịu lửa cao và ?? tính chất, thích ứng với tính chất của thủy tinh

Thực nghiệm cho biết nồi nấu có tính chất axit có hàm lượng SiO2 tương đối cao,

ít bị thủy tinh có tính chất axit ăn mòn, ngược lại bị thủy tinh chứa nhiều BaO có tính chất kiềm ăn mòn mạnh

Do đó khi nấu thủy tinh có tính chất axit dùng nồi có tính chất axit chứa nhiều SiO2 là thích hợp Hàm lượng Al2O3 tương đối cao có thể làm tăng độ nhớt của lớp phản ứng nên có thể dùng một ít bột mịn cao alumin láng bên trong thành nồi để tăng tính chịu xâm thực của nồi

- Về mặt nguyên liệu nên dùng nhiều loại muối để nấu thủy tinh trải qua nhiều nhiệt độ nóng chảy của các loại muối như thế chế độ nấu sẽ giản đơn hơn, phạm vi nhiệt độ phân hủy của nguyên liệu rộng hơn nên việc khử bọt thêm thuận lợi

- Không nên dùng nguyên liệu có Cl , SO− 2-4

để thủy tinh khỏi đục

- Trong phối liệu cần có một tỷ lệ nhất định giữa nitrat và cacbonat, nên dùng

K2CO3 thay cho Na2CO3

- Mảnh dùng phải cùng loại với thủy tinh cần nấu và không vượt quá 60% Phải chọn lựa và rửa kỹ, hiệu chỉnh thành phần trước khi đưa vào nồi

- Khi trộn nguyên liệu phải chú ý:

+ Đảm bảo đúng thời gian trộn, đảm bảo độ đồng nhất không phân lớp

+ Dụng cụ chứa phối liệu bằng gỗ hoặc bằng nhôm

+ Dụng cụ trộn và chứa phối liệu cần chuyên dùng cho từng loại phối liệu

d- Quá trình nấu thủy tinh quang học

- Đốt nóng nồi: nồi sau khi nung trong khoảng 5 ngày đến 9000C được đưa vào

lò nấu và tiếp tục nâng nhiệt độ nồi lên đến 15000C trong khoảng 5 -6 giờ để khoáng mulit hình thành