bài báo cáo thuyết trình về môn vật liệu đại cương chuyên ngành kỹ thuật hóa học, đề tài tìm hiểu những khái niệm cơ bản, tính chất hóa học, thành phần hóa học, các thông số lý hóa cơ bản, các phương pháp gia cường thủy tinh.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VÀ VẬT LIỆU
VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG
THỦY TINH
GVHD: TS NGUYỄN HỌC THẮNG
Trang 3NỘI DUNG
I KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI, TÍNH
CHẤT
III NHIỆT LUYỆN THỦY TINH (Ủ VÀ TÔI)
Trang 4 Thủy tinh là chất vô cơ nóng chảy bị làm quá lạnh về
trạng thái rắn mà không kết tinh.
Thủy tinh là polyme vô cơ, là chất vô định hình.
I KHÁI NIỆM
a) Tinh thể SiO2 b) Thủy tinh SiO2
Trang 5I PHÂN LOẠI (theo thành phần và đặc
tính)
THỦY TINH ĐƠN
NGUYÊN TỬ
…có chứa một loại nguyên
tố hóa thuộc các nguyên tố
nhóm 5,6 trong bảng HTTH
như: S, Se, As và P
THỦY TINH OXYT
Đó là thủy tinh đi từ các oxyt: B2O3, SiO2, GeO2,
P2O5.
THỦY TINH HALOGEN
Hai halogen có khả năng tạo thủy tinh là BeF2 và ZnCl2 Trên
cơ sở BeF2 tạo được nhiều loại thủy tinh Fluorit
THỦY TINH KHANCON
…đi từ các hợp chất của S, Se, Te
MemOn ( MemOn : Sb2O3, PbO, CuO)+ Hal – Khancon: As – S –Cl; As – S – Br; As – S –
I ; As – Te – I; As - S -Cl –Br –I
Trang 61 NHÓM CÁC TÍNH CHẤT ĐƠN GIẢN
Gồm những tính chất có quy luật biến đổi theo thành phần hóa không phức tạp lắm và có thể tính toán định lượng được Như khối lượng riêng, chiết suất,
hệ số giãn nở nhiệt, hằng số điện môi, mô đun đàn hồi, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, độ tán xạ trung bình
2 NHÓM CÁC TÍNH CHẤT PHỨC TẠP
Gồm các tính chất biến đổi nhạy hơn theo sự biến đổi của thành phần hóa Chúng phụ thuộc phức tạp vào thành phần hóa và không tính toán định lượng được Đó
là độ nhớt, sức căng bề mặt, độ bền hóa, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, tốc độ khuếch tán ion, độ tổn thất điện môi,
độ thấu quang, độ cứng, khả năng kết tinh Độ bền cơ học của thủy tinh được coi là thuộc một nhóm đặc biệt
Trang 7• Trong thực tế sản xuất, sự biến đổi độ nhớt của thủy tinh theo nhiệt độ có ý nghĩa rất quan trọng.
• Độ nhớt thay đổi bởi 2 yếu tố là nhiệt độ và thành phần hóa của thủy tinh.
Sự chuyển động tương đối giữa các lớp chất lỏng
Trang 82.2 SỨC CĂNG BỀ MẶT
• Sức căng bề mặt là năng lượng cần thiết để tạo một đơn vị
bề mặt phân chia pha (dyn/cm; erg/cm2; j/m2).
• Sức căng bề mặt ảnh hưởng tới khả năng kết tinh, ảnh hưởng đến sự tạo bọt và khử bọt khi nấu, quá trình tạo sợi thủy tinh, sự liên kết xương – men gốm, ảnh hưởng đến sự kết khối của pha lỏng,…
• Sức căng bề mặt là vấn đề đặc biệt quan trọng trong tạo hình thủy tinh không dùng khuôn.
• Thành phần hóa và nhiệt độ là 2 yếu tố ảnh hưởng nhất đến sức căng bề mặt của thủy tinh.
Trang 92.3 ĐỘ BỀN HÓA
• Độ bền hóa của thủy tinh là khả năng chịu đựng sự tác dụng của các tác nhân hóa học như nước, axit , kiềm…
• Mỗi loại thủy tinh có độ bền hóa tùy thuộc vào thành phần và điều kiện phá hủy.
• Loại thủy tinh silicat có độ bền hóa tăng lên khi thay thế các cấu tử oxyt kiềm bằng oxyt kiềm thổ hoặc khi đưa vào thủy tinh các oxyt hóa trị 3,4
• Các silicat Zn, Be, Cd có độ bền nước khá cao; silicat Mg và Sr kém bền hơn, còn silicat Pb, Ba rất kém bền.
• Silicat Zircon, các Alumosilicat và Borosilicate (với B2O3 <12%) có độ bền nước rất cao.
• Các loại thủy tinh có hàm lượng kiềm thấp, kiềm thổ vừa phải thì có độ bền axit khá cao Thủy tinh chứa TiO2, ZrO2, Al2O3 đặc biệt bền axit.
Độ bền kiềm của thủy tinh rất khó nâng cao, nhất là khi môi trường kiềm có nồng độ lớn Các oxyt BaO, MgO, TiO2, PbO làm giảm độ bền kiềm Oxyt
Al2O3, đặc biệt là ZrO2 làm tăng độ bền kiềm.
• Nước có tác dụng đặc biệt mạnh ở nhiệt độ lớn hơn 1000C.
Trang 102.4 ĐỘ DẪN ĐIỆN
• Thủy tinh dẫn điện bằng các ion
• Tính dẫn điện phụ thuộc vào thành phần hóa, nhiệt độ và độ ẩm trên bề mặt.
• 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 nên dẫn điện Vì thế có thể nấu thủy tinh bằng dòng điện.
Trang 11• Ở vùng nhiệt độ cao ( T > 5000C), hệ số dẫn nhiệt tăng rất mạnh do xảy ra cơ chế truyền nhiệt bằng bức xạ.
Trang 122.6 TÍNH CHẤT QUANG
Là vật liệu trong suốt nên thủy tinh dùng trong chiếu sáng và làm các linh kiện quang học.
2.6.1 CHIẾT SUẤT VÀ ĐỘ TÁN SẮC:
• Chiết suất và độ tán sắc phụ thuộc vào thành phần hóa.
• Các kim loại nặng như Pb, Ba, Sb làm tăng chiết suất và
Trang 132.6.2 SỰ PHẢN XẠ ÁNH SÁNG:
• Khi ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác, một phần ánh sáng bị phản xạ ở trên bề mặt phân cách giữa 2 môi trường ngay cả khi
2 môi trường đều trong suốt
• Trong các hệ thống quang học phức tạp ( kính hiển vi, kính thiên văn…)
có chứa nhiều thấu kính, lăng kính, sự tổn thất do phản xạ có thể đến 80% lượng ánh sáng tới.
75-• Để khắc phục hiện tượng này người ta tìm cách giảm hệ số phản xạ bằng cách phủ lên các chi tiết quang học bằng thủy tinh một màng mỏng có chiều dày bằng ¼λ của tia tới và có chiết suất bằng căn bậc 2 chiết suất của thủy tinh Ngược lại, muốn tăng hệ số phản xạ chỉ việc phủ lên bề mặt thủy tinh lớp màng có chiết suất lớn hơn chiết suất của thủy tinh.
Trang 142.6.3 SỰ HẤP THỤ ÁNG SÁNG CỦA THỦY TINH
Thủy tinh hấp thụ ánh sáng có chọn lọc nên nó có những màu sắc khác nhau
Thực tế người ta thấy rằng:
⁕ Với tia tử ngoại: Thủy tinh thạch anh cho qua mạnh nhất Thủy tinh thường cho qua nhiều hay ít phụ thuộc vào lượng Fe2O3 Oxyt Fe2O3 có tác dụng hấp thụ tia tử ngoại tốt nếu kết hợp với TiO2, CeO2, V2O5 Thủy tinh không màu chứa PbO, Sb2O3 hút tia
Trang 152.6.4 HIỆN TƯỢNG LƯỠNG CHIẾT VÀ HIỆN TƯỢNG
HUỲNH QUANG:
• Bình thường thủy tinh là vật thể đẳng hướng quang học
nhưng khi có lực cơ học tác dụng hoặc khi trong nó có ứng suất nội (do làm lạnh nhanh hay đốt nóng nhanh), thủy tinh
sẽ trở thành vật thể bất đẳng hướng và có tính lưỡng chiết Khi ứng suất được loại trừ thì tính lưỡng chiết cũng biến mất.
• Có nhiều loại thủy tinh khi chịu tác dụng của tia tử ngoại, tia
rơnghen hoặc các tia dặc biệt khác có thể phát ra ánh sáng Hiện tượng phát sáng này gọi là hiện tượng huỳnh quang của thủy tinh.
Trang 16NỘI DUNG
I KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI, TÍNH
CHẤT
III NHIỆT LUYỆN THỦY TINH (Ủ VÀ TÔI)
Trang 17NGUYÊN
LIỆU
NHÓM NGUYÊN LIỆU CHÍNH
NHÓM NGUYÊN LIỆU PHỤ
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THỦY TINH
1 NL CUNG CẤP OXYT ACID
2 NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
3 NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
Trang 18NGUYÊN LIỆU CHÍNHNHÓM NGUYÊN
Cát thạch anh, quartzite, pha lê thiên nhiên, các dạng vô định hình như Opan (SiO2.nH2O), Diatomite
B2O3
Cung cấp cho thủy tinh độ bền
cơ, bền nhiệt, bền hóa
Ở nhiệt độ cao B2O3 làm giảm sức căng bề mặt và độ nhớt thuận lợi cho quá trình khử bọt, làm tăng nhanh quá trình nấu
Từ acid boric: H3BO3 :
Từ borax Na2B4O7.10 H2O (hàn the)
Al2O3
Tăng chất lượng thủy tinh Oxyt nhôm kỹ thuật (Al2O3 >
99%)
Hydroxide nhôm Al2O3.3H2O (65.3% Al2O3 và 34.7% H2O).Tốt nhất là tràng thạch
Cát thạch anh, quartzite, pha lê thiên nhiên, các dạng vô định hình như Opan (SiO2.nH2O), Diatomite
B2O3
Cung cấp cho thủy tinh độ bền
cơ, bền nhiệt, bền hóa
Ở nhiệt độ cao B2O3 làm giảm sức căng bề mặt và độ nhớt thuận lợi cho quá trình khử bọt, làm tăng nhanh quá trình nấu
Al2O3
Tăng chất lượng thủy tinh Oxyt nhôm kỹ thuật (Al2O3 >
99%)
Hydroxide nhôm Al2O3.3H2O (65.3% Al2O3 và 34.7% H2O).Tốt nhất là tràng thạch
Trang 19Pha lê Opan
Quartzite Diatomite
SiO 2
Trang 20Borax (hàn the)
Tràng
thạch
B 2 O 3
Al2O3
Trang 21NGUYÊN
LIỆU
NHÓM NGUYÊN LIỆU CHÍNH
NHÓM NGUYÊN LIỆU PHỤ
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THỦY TINH
1 NL CUNG CẤP OXYT ACID
2 NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
3 NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
Trang 22Hạ thấp nhiệt độ nấu, tăng tốc
độ hòa tan các hạt cát, tăng tốc
độ khử bọt do hạ thấp độ nhớt của thủy tinh
Cacbonat Natri Na2CO3(Soda) (chủ yếu)
Nguyên liệu cung cấp K2O chủ yếu là Potas khan (K2CO3) chứa 68.2% K2O và 31.8% CO2 Potas đắt gấp 3 lần soda
Li2O
Muối Liti làm tăng nhanh quá trình nấu, tạo pha lỏng sớm và
hạ nhiệt độ nấu thủy tinh
Li2O cho vào phối liệu dưới dạng cacbonat Li2CO3 (nóng chảy ở 618oC) hoặc các
khoáng thiên nhiên chủ yếu là Lepidolit
(LiF.KF.Al2O3.3SiO2) và Spodumen
(Li2O.Al2O3.4SiO2)
NGUYÊN LIỆU CHÍNH
Trang 23Lepidolit
Spodumen
Li2O
Trang 24NGUYÊN
LIỆU
NHÓM NGUYÊN LIỆU CHÍNH
NHÓM NGUYÊN LIỆU PHỤ
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THỦY TINH
1 NL CUNG CẤP OXYT ACID
2 NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
3 NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
Trang 25CaO đưa vào thủy tinh dưới dạng đá vôi hoặc đá phấn (CaCO3)
MgO
Giúp phối liệu nóng chảy dễ hơn, giảm khả năng kết tinh, giảm nhiệt độ nấu, hấp ủ dễ hơn
Thường sử dụng dolomite CaCO3.MgCO3
Magnesite (MgCO3) làm nguyên liệu cung cấp MgO Tuy nhiên, so với Dolomite, magnesite là nguyên liệu hiếm và đắt tiền hơn
BaO
Tăng độ tán sắc ánh sáng, tăng chiết suất, tăng trọng lượng riêng, rút ngắn quá trình nấu
Từ BaCO3 tồn tại dưới dạng khoáng Viterit
BaSO4 rất ít được sử dụng vì
nó rất khó phân hủyBa(NO3)2
Trang 26Viterit
MgO
BaO
Trang 27PbO được điều chế bằng cách nấu chảy chỉ Pb trong môi trường oxy hóa (ở khoảng 600oC) hoặc là sản phẩm phân hủy nhiệt của các muối chứa chì như PbCO3, Pb(NO3)2.
Minium (Pb3O4) còn có tên chì đỏ hay Trilumbic tetroxide chứa
97.7% Pb được điều chế bằng cách oxy hóa PbO trong lò nhiệt
độ 360 – 380oC
ZnO
Giảm hệ số giãn nở nhiệt, giảm nhiệt độ chảy, tăng độ bền hóa, bền nhiệt của thủy tinh
Trong sản xuất thủy tinh đục thì ZnO cũng làm tăng độ trắng, tăng đô thấu quang Trong sản xuất pha lê, một lượng nhỏ ZnO
sẽ giúp khử màu vàng của lưu huỳnh
Thường sử dụng trực tiếp ở dạng sản phẩm công nghiệp là oxyt kẽm (ZnO).
Trang 28NGUYÊN
LIỆU
NHÓM NGUYÊN LIỆU CHÍNH
NHÓM NGUYÊN LIỆU PHỤ
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THỦY TINH
NL CUNG CẤP OXYT ACID
NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
NL CUNG CẤP OXYT KIỀM THỔ
Trang 29CHẤT
NHUỘM
MÀU
HỢP CHẤT CHỨA
Fe3O4 nhuộm thủy tinh màu lục xám
Fe2O3 gây màu vàng (vàng sắt) đến hung Khi
có lẫn C và S thủy tinh sẽ có màu từ cam đến nâu, hấp thụ tia cực tím
FeO lâu nay được coi là nguyên nhân gây màu xanh cho thủy tinh
Coban
Chủ yếu là oxyt coban CoO Ion Co
2+ nhuộm thủy tinh màu xanh coban rất đặc trưng
Để thủy tinh xanh chỉ cần 0.002% CoO, còn để
có màu xanh đậm cần dùng 0.1 – 0.5%
Niken
Các dạng oxyt niken (NiO hoặc
Đồng Các dạng CuO, CuSO4.5H2O CuO cho thủy tinh màu xanh da trời ánh xanh non gọi là màu akvamarin
Trong MT oxy hóa, Cu2+ cho màu xanh đồng
NGUYÊN LIỆU PHỤ
Trang 30CHẤT
NHUỘM
MÀU
HỢP CHẤT CHỨA
Mn3+ nhuộm màu thủy tinh từ tím đến tím đỏ Lượng sắt lẫn vào sẽ kết hợp với Mn2O3 cho màu từ nâu đến đen
Lượng dùng 2 – 3kg/100kg cát cho màu tím sáng 4 – 7kg/100kg cát cho màu tím trung bình đến tím đậm Nếu cho thêm 1 ít CoO (vài gam trên 100kg cát) sẽ đạt màu tím có ánh xanh đẹp
Crom
Để đưa Crom vào thủy tinh người ta thường dùng K2Cr2O7hoặc BaCrO4
Crom cho màu xanh lá cây, vàng xanh, vàng Trong thủy tinh Crom thường tồn tại dưới 2 dạng: Cr6+ và Cr3+ Cr6+ cho màu vàng, Cr3+ cho màu xanh
Nếu lượng Cr2O 3 > 2% trong thủy tinh sẽ kết tinh các tinh thể Cr2O3 dạng spinel ánh lục tối
Trang 31CHẤT
NHUỘM
MÀU
NL CUNG CẤP NGUỒN CUNG CẤP MÀU SẮC
As2O3 0.1 – 0.2%
Dùng nhuộm thủy tinh thành màu từ hồng đến đỏ Khi dùng chung Se với CdS theo tỉ lệ: Se 0.8 – 1.2%, CdS 2 – 3% có thể tạo ra màu ngọc rubi selen đỏ rực
Trong điều kiện oxy hóa nhuộm thủy tinh thành màu hồng rosalin
Hợp chất CdS
Cacbonat Cadmi (CdCO3) hoặc Sulfate Cadmi (CdSO4)
CdS nhuộm thủy tinh màu vàng sáng Kết hợp với selen tạo một giải màu từ vàng đến da cam đến đỏ sẫm
Hợp chất lưu huỳnh
S tinh khiết, bột grafit, than cốc, than nâu,…
Nhuộm màu thủy tinh từ vàng nâu đến đen
Trang 32CHẤT
NHUỘM
MÀU
HỢP CHẤT CHỨA
NGUỒN CUNG CẤP MÀU SẮC ĐẶC TRƯNG
Tùy theo số lượng và kích thước của các tinh thể vàng trong thủy tinh, cho màu từ hồng đến đỏ tía Khi đưa vào khoảng 0.02% vàng kim loại sẽ cho màu rubi vàng, còn khi đưa vào 0.01% sẽ được thủy tinh màu
hồng
Bạc Nguyên liệu dùng là AgNO3
Nhuộm thủy tinh từ màu vàng chanh đến da cam
Đồng CuO, CuSO4.5H2O Trong môi trường khử, lớp Oxyt đồng hóa trị thấp Cu2O là chất nhuộm màu
khuếch tán keo cho màu từ đỏ đến đỏ sẫm
Trang 33NGUYÊN
LIỆU
NHÓM NGUYÊN LIỆU CHÍNH
NHÓM NGUYÊN LIỆU PHỤ
NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THỦY TINH
NL CUNG CẤP OXYT ACID
NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
NL CUNG CẤP OXYT KIỀM THỔ
Trang 34KHỬ MÀU HÓA HỌC
KHỬ MÀU VẬT LÝ
Nguyên tắc chuyển toàn bộ Fe(III) (Fe2O3 )về phức chất không màu, chuyển thành hợp chất dễ bay hơi Chất khử màu hóa học hay dùng là các chất oxy hóa mạnh như các nitrat, CeO2… các hợp chất Fluor
Khử màu vật lý thực chất là đưa vào thủy tinh chất nhuộm màu khác có khả năng tạo ra màu phụ với màu do sắt gây ra Kết quả của việc nhuộm màu kép làm cho thủy tinh trở nên không màu
nhưng độ thấu quang của thủy tinh bị giảm đi Chất khử màu vật
lý hay dùng là selen, NiO, CoO
Trang 35 Các nitrat hay dùng: NaNO3, KNO3, Ba(NO3)2 , đôi khi dùng cả NH4NO3, Ca(NO3)2
Nitrat kết hợp với một số chất thường dùng: As2O3 (Sb2O3), CeO2, Na2SO4, các hợp chất fluor, hợp chất amoni.
Na2SO4 nóng chảy ở 8800C, phân hủy mạnh ở 1300-13500C và tiến hành các phản ứng:
SO3 phân hủy ngay lập tức: .
Các nitrat kết hợp với các hợp chất asen hoặc antimoan:
+ Ở nhiệt độ thấp 800-12000C:
+ Ở nhiệt độ cao > 13000C:
•
CHẤT KHỬ BỌT
Trang 36trong quá trình nấu thủy tinh sẽ bị
phân hủy và giải phóng Oxy.
Đa số thủy tinh màu đòi hỏi nấu
trong điều kiện oxy hóa để ngăn
cản việc chuyển hóa các oxyt
nhuộm màu về dạng hóa trị thấp
CHẤT KHỬ:
Carbon (lấy từ mạt cưa, bột than
đá, than cốc…) Carbon cần được phản ứng hết ở vùng khử bọt, nếu
để carbon dư không cháy hết sẽ làm thủy tinh có đốm màu đen nâu Ngoài ra còn có thể sử dụng hóa chất khác như :
- Kali Acid Tactrat (KHC4H4O6)
- Oxyt Thiếc (SnO)
- Clorua Thiếc (SnCl2.2H2O)
- Mạt kim loại thiếc…đặc biệt bột kim loại Al, Mg là những chất khử mạnh.
Trang 37Là những chất có khả năng giảm nhiệt độ tạo pha lỏng đầu tiên, giảm độ nhớt, giảm sức căng bề mặt làm thủy tinh nhanh đồng nhất và bọt khí thoát ra dễ dàng
Các hợp chất fluor, muối amoni, clorua natri, oxyt bor, oxyt bari, các nitrit…
Các muối Fluor, Oxyt Bor rút ngắn thời gian nấu đến 15 – 16%
Muối Amoni rút ngắn quá trình nấu đến 10 – 15%
Oxyt Bari rút ngắn thời gian nấu 10 – 15%.
CHẤT TĂNG NHANH QUÁ TRÌNH NẤU
Trang 38có chiết suất cao làm chất gây đục như SnO2, CeO2, TiO2, ZrO2, 3MgO.4SiO2.H2O (tan)
DẠNG NHŨ TƯƠNG
Thường dùng các hợp chất của phosphate như: Na2HPO4, CaHPO4, Ca3(PO4)2 với hàm lượng 3 – 8% P2O5 Có thể dùng các hợp chất Sulfate hay Clo nhưng hạn chế vì chúng tạo ra các hạt đục thô to làm thủy tinh
mờ xấu.
DẠNG BỌT
Tồn tại trong thủy tinh dưới dạng những bọt khí nhỏ chủ yếu là SO2 Loại này chỉ dùng trong những điều kiện đặc biệt.
Trang 39• Sử dụng lại mảnh để nấu không chỉ nhằm tiết
kiệm nguyên liệu nhiên liệu mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc giúp thủy tinh dễ chảy và ổn định các thông số kỹ thuật của lò nấu.
• Nguồn cung cấp mảnh trước hết từ những sản
phẩm không đạt yêu cầu trong quá trình sản xuất Ngoài ra có thể dùng lại thủy tinh cùng chủng loại
đã qua sử dụng
• Lương mảnh sử dụng lại nằm trong khoảng 20 – 30% phối liệu.
MẢNH THỦY TINH