Công nghệ vật liệu đúc silicat Thủy Tinh

September 14, 2017 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH 34 Trong giai đoạn tạo silicat và tạo thủy tinh có rất nhiều sản phẩm khí hình thành sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm thủy tinh sau

Trang 1

11

Trang 2

N ỘI DUNG

CHƯƠNG MỘT: TRẠNG THÁI THỦY TINH

VÀ CẤU TRÚC THỦY TINH SILICAT

CHƯƠNG HAI: QTCN SX THỦY TINH

CHƯƠNG BA: GiỚI THIỆU GỐM THỦY TINH

2

Trang 3

TRẠNG THÁI THỦY TINH VÀ CẤU

TRÚC THỦY TINH SILICAT

3

Trang 4

KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TRẠNG THÁI

THỦY TINH

Chấp nhận một định nghĩa tương đối dễ hiểu:

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

4

Trang 5

KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TRẠNG THÁI THỦY TINH (tt):

Một vật thể thủy tinh điển hình có các đặc điểm sau:

tinh).

vật thể kết tinh mà bị mềm dần, chuyển từ trạng thái dòn sang trạng thái dẻo có độ nhớt cao và cuối cùng chuyển thành trạng

cũng thay đổi liên tục như vậy.

thường có khuynh hướng chuyển về trạng thái tinh thể.

5

Trang 6

BIỂU ĐỒ TÍNH CHẤT-NHIỆT ĐỘ

Trang 7

ĐỘ NHỚT VÀ QUÁ TRÌNH TẠO THỦY TINH:

Không phải mọi chất đem làm quá lạnh đều dễ dàng tạo ra thủy tinh

Những chất lỏng tạo thủy tinh khi làm quá lạnh thường có độ nhớt tăng nhanh và liên tục (tới

10 14 pz) theo chiều giảm nhiệt độ Những chất lỏng dễ kết tinh, có độ nhớt tăng chậm khi làm lạnh ở khoảng nhiệt độ trước nhiệt độ kết tinh

=> độ nhớt của hỗn hợp nóng chảy là yếu tố cơ bản đặc trưng cho khả năng chuyển thành trạng thái thủy tinh

7

Trang 8

ĐỘ NHỚT VÀ QUÁ TRÌNH TẠO THỦY TINH

8

Trang 9

Lực tương tác và vai trò trong cấu trúc của các

ion trong thủy tinh

9

Trang 10

™

Hình: ảnh hưởng của Na 2 O đến mạng

lưới thủy tinh silica.

Na + là ion biến tính

Trang 11

(Additions of soda (Na20) to silica

dramatically reduce the melting temperature of silica, by forming eutectics).

Trang 12

September 14, 2017 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH 12

PHÂN LOẠITHỦY TINH Phân loại theo thành phần:

 Thủy tinh đơn nguyên tử: chỉ chứa một nguyên

tố hóa học thuộc nhóm V và VI bảng tuần hoàn

như As, S, Se, Te

 Thủy tinh oxít: thành phần chính là các oxít tạo thủy tinh như thủy tinh:

 Silicat: SiO 2 - germanat GeO 2

 borat: B 2 O 3

 photphát: P 2 O 5

 Thủy tinh Halogen, Khancon, hỗn hợp…

Theo mục đích sử dụng có thủy tinh: dân dụng,

bao bì, xây dựng, mỹ nghệ, phòng thí nghiệm,

quang học, điện …

Trang 13

VD thành phần một số loại thủy tinh

Trang 14

CẤU TRÚC CỦA THỦY TINH SILICÁT

Xét một loại thủy tinh điển hình là thủy tinh silicat Tồn tại rất nhiều thuyết khác nhau về cấu 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 có thành phần khác nhau.

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

nội” trong thủy tinh

Cĩ 3 thuyết chính:

1-Thuyết cấu trúc vi tinh: thủy tinh silicat là tập hợp các vi tinh thể, chủ yếu là vi tinh thể SiO2

2- Thuyết cấu trúc polymer: thủy tinh là polymer vơ cơ

3-Thuyết cấu trúc liên tục, VĐH của Zachariasen: thủy tinh

cĩ cấu trúc mạng lưới khơng gian như tinh thể, nhưng

khơng đối xứng và tuần hồn.

14

Trang 15

CÁC NHÓM TÍNH CHẤT CỦA

THỦY TINH Phân chia một cách gần đúng :

 Nhóm các tính chất đơn giản: thể tích mol V; chiết

suất nD; hệ số dãn nở trung bình α; hằng số điện

môi ε; môđun đàn hồi E; nhiệt dung riêng C; hệ số dẫn nhiệt λ.

Các tính chất có quy luật biến đổi theo thành phần không phức tạp lắm và vì thế có thể tính toán định lượng được Thông thường các tính chất đó được tính theo quy tắc cộng:

Trong đó g: tính chất cần tính

gi : tính chất riêng phần của cấu tử i

γi : hàm lượng của cấu tử i

 Nhóm các tính chất phức tạp: độ nhớt η; độ dẫn điện χ; tốc độ khuyếch tán ion; độ tổn thất điện môi tgδ; độ bền hóa, độ thấu quang T; độ cứng H; sức căng bề mặt б; khả năng kết tinh…

phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ oxit kiềm (χ, tgδ, η,

H, độ bền hóa) hoặc vào nồng độ của một vài

cấu tử riêng biệt nào đấy (G, б, η, khả năng kết tinh)

16

Trang 16

CNSX THỦY TINH

18

Trang 17

THỦY TINH DÂN DỤNG

Trang 18

THỦY TINH BAO BÌ

Trang 19

THỦY TINH XÂY DỰNG

Trang 20

THỦY TINH MỸ NGHỆ

Trang 21

THỦY TINH ĐIỆN

Trang 22

PHA LÊ

Pha lê là một dạng thủy tinh silicat kali có trộn thêm một lượng ôxít chì II

(PbO) và có thể là cả ôxít bari (BaO) khi người ta sản xuất nó.

Trang 23

THỦY TINH PHÒNG THÍ NGHIỆM

Trang 24

THỦY TINH QUANG HỌC

THẤU KÍNH

GƯƠNG PHẲNG LĂNG KÍNH

Trang 25

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH

dây chuyền sản xuất

Trang 26

NGUYÊN LIỆU CHÍNH

 Nguyên liệu chính: đây là các nguyên

liệu cung cấp các oxít: axít, kiềm, kiềm thổ để tạo ra các loại thủy tinh cơ bản có những tính chất xác định.

 Các oxít có khả năng tạo thủy tinh: SiO 2 , GeO 2 , P 2 O 5 , B 2 O 3 ,

Trang 27

 Nguyên liệu phụ: gồm các hợp chất hóa học có tác dụng:

 Chất tạo màu: Mn 2 O 3 , CoO, Cr 2 O 3 ….

 Chất rút ngắn quá trình nấu: muối amoni,

NaCl, hợp chất Fluo…

 Ngoài ra còn có mảnh thủy tinh có cùng thành

phần hóa với thủy tinh cơ sở.

NGUYÊN LIỆU PHỤ

Trang 28

 Thực chất sự phân chia này chỉ có tính chất qui ước

vì giữa các giai đoạn không có ranh giới thật

rõ rệt

 Trong lò nấu thủy tinh gián đoạn, các quá trình xảy

ra theo thứ tự thời gian Trong lò liên tục, các quá trình đó xảy ra đồng thời nhưng tại các vị trí khác nhau.

Trang 29

QUÁ TRÌNH NẤU THỦY TINH

1.Tạo silicát

 Các phản ứng giữa các cấu tử xảy ra khá phức tạp

và tùy thuộc vào thành phần trạng thái cũng như

Trang 30

 Giai đoạn tạo thủy tinh có nhiệt độ 1150-1200oC

 Sau khi tạo silicat trong hỗn hợp nóng chảy mới tạo thành còn nhiều hạt cát chưa tan hết Giai

đoạn tạo thủy tinh chính là giai đoạn hòa tan các hạt cát đó trong khối silicat nóng chảy.

 So với giai đoạn tạo silicat, giai đoạn tạo thủy tinh xảy ra chậm hơn nhiều vì cát khó tan trong silicat nóng chảy có độ nhớt cao (chiếm khoảng 60-70% tổng thời gian nấu trong các lò gián đoạn).

2.T ạo thủy tinh

Trang 31

 Trong giai đoạn tạo silicat và tạo thủy tinh có rất nhiều sản phẩm khí hình thành sẽ ảnh

hưởng đến chất lượng sản phẩm thủy tinh sau này

 Ngoài khí của phối liệu còn có cả khí từ môi

trường lò đi vào thủy tinh Khí nằm trong thủy tinh ở dạng khí hòa tan hoặc ở dạng bọt nhìn

thấy được.

 Giai đoạn khử bọt ở nhiệt độ 1450-1500oC

 Để tăng cường quá trình khử bọt có thể:

 Tăng nhiệt độ nấu, độ nhớt pha lỏng silicat sẽ giảm giúp bọt khí thoát ra dễ dàng.

 Khuấy trộn, bơm chân không, dùng chất khử bọt.

3 Khử bọt

Trang 32

 Khối thủy tinh lỏng có thể chưa đồng nhất về thành phần hóa học do:

 Phối liệu không đồng đều về cỡ hạt,

 Nguyên liệu phân bố không đều trong phối liệu.

 Do bay hơi, phản ứng không đồng đều

 Nhiệt độ các vùng nấu thủy tinh khác nhau.

 Do đó cần phải tiến hành đồng nhất hoá tức là làm đồng đều thành phần hóa học của toàn khối thủy tinh.

 Trong nhiều truờng hợp để tăng độ đồng nhất còn

có thể dùng biện pháp khuấy trộn cơ học.

4 Đồng nhất

Trang 33

 Ðây là giai đoạn cuối cùng, trong giai đoạn này

nhiệt độ khối thủy tinh giảm xuống, độ nhớt tăng lên đến giới hạn có thể tạo hình sản phẩm.

 Tùy theo từng loại thủy tinh mà nhiệt độ có thể

giảm xuống 200oC - 300oC (từ 1400 –1500oC xuống khoảng 1300 –1200oC).

 Quá trình nấu thủy tinh có thể thực hiện trong:

 Lò nồi: làm việc gián đoạn

 Lò bể: làm việc liên tục.

5 Làm nguội

Trang 34

dòng thủy tinh trong lò

Trang 35

nấu thủy tinh: lò bể

Trang 36

Clip: sản xuất bi thủy tinh trang trí

Clip: sản xuất chai thủy tinh

Trang 37

Trang 38

nấu thủy tinh: lò nồi

Clip: sản xuất tấm thủy tinh trang trí

Trang 39

Tạo hình: độ nhớt

 Sản phẩm thủy tinh được tạo hình ở trạng thái dẻo, trong quá trình nhiệt độ giảm liên tục Nên các tính chất của thủy tinh cũng biến đổi theo

nhiệt độ như độ nhớt, sức căng bề mặt.

 Tùy theo phương pháp tạo hình, cần lựa chọn độ nhớt thích hợp để sản phẩm không biến dạng:

 Thủy tinh bao bì: độ nhớt từ 10 3 – 10 3,5 P

 Thủy tinh ống: độ nhớt từ 10 3,5 – 10 4 P

 Thủy tinh tấm: độ nhớt từ 10 4,3 – 10 4,8 P

 Khi đóng rắn hoàn toàn, thủy tinh có độ nhớt là

1013P

Trang 40

September 14, 2017 CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH 44

CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH

tạo hình: sức căng bề mặt

 Tạo giọt thủy tinh, phơi thủy tinh và cung cấp giọt, phơi này cho máy tạo hình.

 ở vị trí bị cắt sau khi đốt nĩng khơng cịn sắc cạnh.

 Đánh nhẵn bề mặt thủy tinh bằng ngọn lửa.

 Khi sức căng bề mặt lớn, phơi thủy tinh khĩ chui vào các khe hoặc chi tiết nhỏ của khuơn.

 Sự thay đổi độ nhớt và sức căng bề mặt

của thủy tinh theo nhiệt độ làm cho việc tạo hình thủy tinh có những sắc thái độc đáo

mà các ngành công nghệ khác không thể áp dụng được.

Trang 41

Tạo hình: thổi thủ công

 Gồm các giai đoan:

 Lấy mẫu thủy tinh từ lò bằng các ống thổi

 Lăn mẫu trên tấm kim loại để định hình

 Thổi đồng thời lăn và xoay đều tự do hoặc

trong khuôn

Trang 42

Tạo hình: thổi thủ công

Trang 43

 Để tạo hình bằng phương pháp ép, hay ép thổi cần phải tạo giọt thủy tinh.

 Giọt thủy tinh rơi vào khuôn với khối lượng phù hợp với sản phẩm tạo hình

Tạo hình: Tạo giọt thủy tinh

Trang 44

 Dùng tạo hình các sản

phẩm nông, thành có

chiều thẳng đứng và

tương đối dầy.

 Cho năng suất cao, có

Trang 45

 Dùng sản xuất các sản

phẩm có miệng hẹp

hơn đáy như chai lọ.

 Giọt thủy tinh cho vào

vào khuôn hoàn chỉnh

 Tháo khuôn thu được sản phẩm.

Tạo hình: kết hợp ép-thổi

Trang 46

Tạo hình: kết hợp ép-thổi

Trang 47

Trang 48

The float method of forming sheet glass

Source: Corning Glass Works.

•Float glass: fire polished smooth surface  no further polishing/grinding

Tạo hình: kính tấm bằng pp nổi (“float method”)

Trang 49

 Một ống trụ rỗng bằng

samốt đặt nghiêng và

quay tròn chậm trong

khối thủy tinh lỏng.

 Thổi không khí nén vào

Trang 50

được cho qua hệ

thống tạo sợi bằng

Pt có các lỗ kích

thước nhỏ

Tạo hình: kéo sợi

Trang 51

trí khác nhau làm xuất hiện ứng suất nội.

Ứng suất vĩnh viễn là ứng suất nảy sinh trong quá trình chuyển thủy tinh từ trạng thái dẻo về trạng thái dòn, khi đó tính linh động của

thủy tinh dần dần biến mất.

Ứng suất tạm thời nảy sinh trong quá trình

tiếp tục làm lạnh thủy tinh ở trạng thái dòn, khi đó thực tế độ linh động của thủy tinh đã bằng không.

 Ứng suất nội tồn tại sẽ:

 Làm tăng độ giịn

 Giảm độ bền cơ, bền nhiệt.

 Nếu vượt quá giới hạn (700 KG/cm2) sẽ gây nứt vỡ

 Do đĩ cần phải ủ hoặc tơi để khắc phục ứng suất nội.

Xử lý nhiệt

Trang 52

Ủ là quá trình gia công nhiệt để làm giảm ứng

suất nội trong thủy tinh đến mức độ cho phép đảm bảo sự làm việc lâu dài và bền vững của các sản phẩm thủy tinh đó.

hoặc đơn vị quang học của độ lưỡng chiết (m μ/cm)

hay 2000 mμ/cm.

Khi ủ tốt trong sản phẩm thủy tinh còn khoảng

mμ/cm.

Trong quá trình sản xuất, làm nguội thủy tinh xuống nhiệt

độ cần ủ, giữ nhiệt một thời gian rồi tiếp tục hạ nhiệt độ.

Thời gian ủ phụ thuộc vào nhiệt độ ủ, từ vài phút đến vài chục giờ.

Xử lý nhiệt: Ủ

Trang 53

Khi thủy tinh được làm nguội đột ngột thì có thể tạo ra ứng suất nén ở lớp ngoài và ứng suất kéo ở lớp trong

phân bố rất đều đặn làm tăng độ

bền cơ học của thủy tinh tôi.

Bề mặt thủy tinh ở trạng thái ứng

suất nén: làm “đóng” các vết xước và vết nứt nhỏ

Thủy tinh tôi khi vỡ vụn ra không tạo thành các mảnh sắc: thủy tinh an

toàn.

Xử lý nhiệt: Tơi

Trang 54

 Thủy tinh có độ bền nén lớn hơn độ bền kéo, nên thủy tinh tôi có độ bền cơ học lớn hơn thủy tinh ủ.

 Thủy tinh tôi khi vỡ tạo thành các hạt vụn không sắc cạnh.

Mãnh vỡ thủy tinh không tôi Mãnh vỡ thủy tinh tôi

Xử lý nhiệt: Tôi

Trang 55

GiỚI THIỆU GỐM THỦY TINH

60

Trang 57

Gốm thủy tinh (Glass

Ceramics) Gốm thủy tinh là loại vật thể rắn đa tinh thể

nhận được bằng cách kết tinh định hướng thủy tinh.

 Sự kết tinh định hướng này được thực hiện bằng cách gia công nhiệt một cách cẩn thận các loại thủy tinh có thành phần thích hợp Nhờ gia công nhiệt trong khối thủy tinh sẽ xuất hiện nhiều mầm kết tinh và sau đó các mầm đó sẽ phát triển thành các tinh thể.

thủy tinh nhưng khác thủy tinh ở chỗ nó có cấu trúc tinh thể.

thường vì tinh thể của nó được tạo ra từ một pha thủy tinh đồng thể ban đầu Pha tinh thể trong gốm thủy tinh có cấu trúc mịn hơn rất nhiều (số lượng tinh thể trong một đơn vị thể tích rất lớn, kích thước tinh thể rất nhỏ) so với gốm thường Những đặc điểm đó quyết định tính chất của thủy tinh.

Trang 58

Các tính chất đặc biệt có thể đạt được của gốm thủy tinh

 Rất bền hóa và chịu sốc nhiệt tốt (HSDNN

Trang 59

Producing a

glass-ceramic:

(a) Cooling must be

rapid to avoid the start of

crystallization

Isothermal and continuous cooling curves for lunar glass

(b) The rate of

nucleation of precipitates is high

at low temperatures, whereas the rate of growth of the

precipitates is high

at higher temperatures

(c) A typical

heat-treatment profile for glass-ceramics

fabrication, illustrated here for

Li 2 0-Al 2 0 3 -Si0 2 glasses.

Trang 60

Low temperature nucleation

step included -> fine grain size Rapid heating to high

temperature (875° C)

[McMillan]

Trang 61

Thermal History Used in Production

Ceramization Melting

glass

glass-ceramic

Dr Mark J Davis

Định dạng
Số trang	61
Dung lượng	16,92 MB