Nghiên cứu công nghệ sản xuất thủy tinh pyrex làm dụng cụ thí nghiệm và dụng cụ lò vi sóng

VIỆN NGHIÊN CỨU SÀNH SỨ THỦY TINH CÔNG NGHIỆP








BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH PYREX
LÀM DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM VÀ DỤNG CỤ LÒ VI SÓNG


CNĐT: NGUYỄN NGỌC ẢNH












8326

HÀ NỘI – 2010
MỤC LỤC


Trang

Phần mở đầu
1
Chương I Cơ sở lý thuyết của đề tài
4
I Cơ sở lý thuyết chung
4
I.1 Những yêu cầu kỹ thuật của thủy tinh pyrex 4
I.2 Những tính chất cơ bản của thủy tinh pyrex cần quan tâm 5
II Nguyên liệu dùng cho sản xuất thủy tinh
6
II.1 Nguyên liệu chính 6
II.2 Nguyên liệu phụ 8
II.3 Các phương pháp tạo hình thủy tinh 9
Chương II Nghiên cứu thí nghiệm
11
I Nghiên cứu lựa chọn thành phần thủy tinh pyrex
11
II Nghiên cứu nguyên liệu
11
III Nghiên cứu đơn phối liệu thủy tinh pyrex
13
III.1
Nghiên cứu đơn phối liệu trong phòng thí nghiệm đợt 1
13

III.2 Nghiên cứu đơn phối liệu trong phòng thí nghiệm đợt 2 16
Chương III Triển khai sản xuất thử
19
I Lựa chọn sản phẩm
19
I.1 Dụng cụ thí nghiệm 19
I.2 Dụng cụ lò vi sóng 20
II Thự
c hiện chế thử
21
II.1 Thực hiện chế thử đợt 1 22
II.2 Thực hiện chế thử đợt 2 22
II.3 Thực hiện chế thử đợt 3 26
III
Thực hiện dùng thử sản phẩm chế thử của đề tài
31
IV
Phân tích kiểm tra thành phần hóa và đo hệ số giãn nở
nhiệt của thủy tinh chế thử
32
IV.1
Kết quả đo hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh chế thử
32
IV.2
Kết quả phân tích thành phầ
n hóa của thủy tinh chế thử
32
IV.3
Tóm tắt những kết quả nghiên cứu của đề tài
33

Kết luận và kiến nghị
35

Tài liệu tham khảo
36














BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NC SÀNH SỨ THỦY TINH CN
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

Tên đề tài: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thủy tinh pyrex làm dụng cụ phòng
thí nghiệm và dụng cụ lò vi sóng”

Chủ nhiệm đề tài: Ths Nguyễn Ngọc Ảnh
Cán bộ phối hợp: Ks Đào Hà Quang
Ks Cao Nhật Quang
Ks Phan Thị Thúy Nga
Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp
Đơn vị phối hợp: Công ty TNHH Thanh Xuân
Trung tâm nghiên cứu Công nghệ Vật liệu Vô cơ – Trường Đại
học Bách khoa Hà Nộ
i

Chủ nhiệm đề tài



Nguyễn Ngọc Ảnh
Cơ quan chủ trì đề tài



1
PHẦN MỞ ĐẦU
TỔNG QUAN VỀ THỦY TINH PYREX
Các loại thủy tinh có nguồn gốc tự nhiên, gọi là các loại đá vỏ chai, đã được
sử dụng từ thời kỳ đồ đá. Chúng được tạo ra trong tự nhiên từ các nham thạch
(magma) núi lửa. Người nguyên thủy dùng đá vỏ chai để làm các con dao cực sắc.
Việc sản xuất thủy tinh lần đầu tiên hiện còn lưu được chứng tích là ở
Ai
Cập khoảng năm 2000 trước công nguyên, khi đó thủy tinh được sử dụng như là
men màu cho nghề gốm và các mặt hàng khác. Trong thế kỷ 1 trước công nguyên

kỹ thuật thổi thủy tinh đã phát triển và những thứ trước kia là hiếm và có giá trị đã
trở thành bình thường. Trong thời kỳ đế chế La Mã rất nhiều loại hình thủy tinh đã
được tạo ra, chủ yếu là các loại bình và chai lọ. Thủy tinh khi đó có màu xanh lá
cây vì tạ
p chất sắt có trong cát được sử dụng để sản xuất nó. Thủy tinh ngày nay
nói chung có màu hơi ánh xanh lá cây, sinh ra cũng bởi các tạp chất như vậy.
Các đồ vật làm từ thủy tinh từ thế kỷ 7 và thế kỷ 8 đã được tìm thấy trên đảo
Torcello gần Venice. Các loại hình này là liên kết quan trọng giữa thời La Mã và
sự quan trọng sau này của thành phố đó trong việc sản xuất thủy tinh. Khoảng năm
1000 sau Công nguyên, một độ
t phá quan trọng trong kỹ thuật đã được tạo ra ở
Bắc Âu khi thủy tinh sô đa được thay thế bằng thủy tinh làm từ các nguyên liệu có
sẵn hơn: bồ tạt thu được từ tro gỗ. Từ thời điểm này trở đi, thủy tinh ở khu vực
phía bắc châu Âu có sự sai khác rõ nét với thủy tinh ở khu vực Địa Trung Hải, là
khu vực mà sô đa vẫn được sử dụng chủ yếu.
Thế kỷ 11 được cho là nổi bật, tại Đức, phương pháp mới chế tạo thủy tinh
tấm đã ra đời bằng các quả cầu để thổi, sau đó chuyển nó sang thành các hình trụ
tạo hình, cắt chúng khi đang còn nóng và sau đó dát phẳng thành tấm. Kỹ thuật
này đã được hoàn thiện vào thế kỷ 13 ở Vênidơ.
Cho đến thế kỷ 12 thủy tinh đốm (có nghĩa là thủy tinh với các vết màu
(thông thườ
ng là kim loại)) đã không được sử dụng rộng rãi nữa.

2
Trung tâm sản xuất thủy tinh từ thế kỷ 14 là Vênidơ, ở đó người ta đã phát
triển nhiều công nghệ mới để sản xuất thủy tinh và trở thành trung tâm xuất khẩu
có lãi các đồ đựng thức ăn, gương và nhiều đồ xa xỉ khác. Sau đó, một số thợ thủy
tinh của Vênidơ đã chuyển sang các khu vực khác như Bắc Âu và việc sản xuất
thủy tinh đã trở nên ph
ổ biến hơn.

Rất nhiều đồ dùng trong gia đình làm từ thủy tinh. Cốc, chén, bát, đĩa, chai,
lọ v.v có thể được làm từ thủy tinh, cũng như bóng đèn, gương, ống thu hình của
màn hình máy tính và ti vi, cửa sổ. Trong phòng thí nghiệm để làm các thí nghiệm
trong hóa học, sinh học, vật lý và nhiều lĩnh vực khác, người ta sử dụng bình thót
cổ, ống thử, lăng kính và nhiều dụng cụ thiết bị khác được làm từ thủy tinh.
Đối
với các ứng dụng này, thủy tinh hệ borosilicat thường được sử dụng vì sức bền và
hệ số giãn nở nhiệt thấp, tạo cho nó sự chống lại tốt hơn đối với các sốc nhiệt và
cho phép đo đạc chính xác hơn khi làm nóng và làm nguội các thiết bị. Đối với
phần lớn các ứng dụng có yêu cầu cao, thủy tinh thạch anh được sử dụng, mặc dù
rất khó sản xu
ất loại thủy tinh này. Phần lớn thủy tinh bền hóa, bền nhiệt được sản
xuất hàng loạt bằng các công nghệ khác nhau, nhưng đa phần các phòng thí
nghiệm lớn cần rất nhiều các loại đồ thủy tinh khác nhau.
Thủy tinh pyrex được nghiên cứu và sản xuất từ những năm đầu của thế kỷ
20 mà nổi tiếng nhất là của hãng Corning. Thủy tinh pyrex: là loại thủy tinh
borosilicat; khó chảy, có độ bền c
ơ học và độ bền nhiệt cao. Nhiệt độ biến mềm
thủy tinh pyrex khoảng 800
o
C, hệ số giãn nở nhiệt khoảng (4 – 5) 10
-6
. Loại thủy
tinh này thường dùng chế tạo các dụng cụ phòng thí nghiệm. Các sản phẩm dùng
trong gia dụng thì có tô, khay, thố dùng để nướng, hấp.
Đến cuối thế kỷ 20 thủy tinh “pyrex” được các nước Pháp, Mỹ, Đức, …
nghiên cứu sản xuất với các chỉ tiêu kỹ thuật như của hang Corning nên từ “pyrex”
đã trở thành thương hiệu và tên riêng của loại thủy tinh bền hóa bền cơ, bền nhiệt
này.

3
Đặc điểm chủ yếu của nó là chúng có cùng tính chất và lắp ghép được với
nhau (tương tự nhơ thủy tinh thạch anh). Ở Việt Nam thủy tinh bền hóa bền nhiệt
đã được sản xuất ở các nơi như thủy tinh y tế (Phả Lại), thủy tinh Hà Nội nhưng
chưa phải là loại thủy tinh “Pyrex”. Vì vậy, các sản phẩm thủy tinh chất lượng cao
dùng trong phòng thí nghiệm, các sản phẩm dùng cho lò vi sóng chúng ta vẫn
đều
phải nhập khẩu.
Xuất phát từ thực tế đó, Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp
đăng ký và được Bộ Công thương hợp đồng đặt hàng đề tài: “Nghiên cứu công
nghệ sản xuất thủy tinh pyrex làm dụng cụ thí nghiệm và dụng cụ lò vi sóng” .
Tại Hợp đồng số 214.10.RD/HĐ-KHCN ngày 19 tháng 3 năm 2010.

Mục tiêu của đề tài:
- Xác định nguyên liệu dùng cho sản xu
ất thủy tinh pyrex.
- Xác định được đơn phối liệu tối ưu dùng để sản xuất thủy tinh pyrex.
- Xác lập được quy trình công nghệ sản xuất thủy tinh pyrex
- Sản xuất thử 100 sản phẩm các loại đạt tiêu chuẩn kỹ thuật.

Nội dung nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu tổng quan về thủy tinh pyrex.
- Nghiên cứu tiêu chuẩn nguyên liệu làm thủy tinh pyrex.
- Nghiên cứu lựa chọn nguồn nguyên liệu s
ản xuất thủy tinh pyrex.
- Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất thủy tinh pyrex.
- Ứng dụng quy trình công nghệ chế thử sản phẩm dụng cụ thí nghiệm, dụng
cụ lò vi sóng.

4
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI
I – Cơ sở lý thuyết chung
I.1. Những đặc tính kỹ thuật của thủy tinh pyrex
Thủy tinh pyrex là loại thủy tinh được sử dụng chủ yếu làm dụng cụ đun
nấu trong phòng thí nghiệm và các sản phẩm dùng cho lò vi sóng nên yêu cầu kỹ
thuật chính cần phải đáp ứng là:
- Thủy tinh phải bền nhiệt (có hệ số giãn nở nhiệt thấp).
- Thủ
y tinh phải bền cơ.
- Thủy tinh phải đồng nhất.
Trên cơ sở những yêu cầu kỹ thuật của thủy tinh pyrex, qua tham khảo các
tài liệu chuyên ngành và các paten của nước ngoài cho thấy đó là loại thủy tinh
thuộc hệ borosilicate.

Bảng 1: Một số chỉ tiêu kỹ thuật của thủy tinh (thuộc hệ Pyrex) tham khảo:
Tên chỉ tiêu Theo giáo trình thủy
tinh (ĐHBK Hà Nội)
Thủy tinh số
8330 của Mỹ
Thủ
y tinh số
8412 của Mỹ
Hệ số giãn nở nhiệt α . 10
-6
3,5 – 4,0 3,25 4,9
Nhiệt độ ủ cao (Tg) 530 530 560
Độ bền nước (cấp) 1 1 1

Bảng 2: Thành phần hóa của một số loại thủy tinh pyrex tham khảo

5
Tên chỉ tiêu Theo giáo trình thủy tinh
(ĐHBK Hà Nội)
Thủy tinh số
8330 của Mỹ
Thủy tinh số
8412 của Mỹ
SiO
2
80,89 80 74,7
B
2
O
3
11,19 13 10
Al
2
O
3
2,03 2,5 5
BaO - - 2

CaO 0,11 - 1,5
MgO - - -
K
2
O + Na
2
O 5,03 4,5 6,5
Tổng 99,25 100 99,7

I.2. Những tính chất cơ bản của thủy tinh pyrex cần quan tâm
a) Tính chất nhiệt
Trong quá trình sử dụng, các sản phẩm thủy tinh pyrex luôn chịu sự tác
động của môi trường nhiệt độ cao của bếp đun hay lò vi song. Vì vậy, yêu cầu thủy
tinh phải có độ bền nhiệt cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp. Các phương pháp xác định
hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh:
- Phương pháp tính toán theo qui tắc cộng:
α
thủy tinh
= α
1
P
1
+ α
2
P
2
+ α
3
P
3

+ …
trong đó: P
1
; P
2
; P
3
; ……. Là hàm lượng % các ôxyt có trong thủy tinh
α
1
; α
1
; α
1
; … các hệ số tương ứng với các ôxyt
- Phương pháp tính toán theo công thức của A.Appen
α . 10
-7
= ∑ a
i
α
i
/∑ a
i

trong đó: a
i
là hàm lượng ôxyt theo phần phân tử có trong thủy tinh
α
i

là hệ số ứng với các ôxyt tương ứng có trong thủy tinh

6
- Phương pháp dùng dụng cụ đo hệ số giãn nở nhiệt bằng thạch anh của O.K.
Btvinkin và N.V. Solomin hoặc thiết bị đo hệ số giãn nở nhiệt Horizontal
Dilatometer (L76/1400 của Đức)
b) Tính chất cơ học
Khi ở trạng thái làm việc các dụng cụ thí nghiệm và dụng cụ sử dụng trong
lò vi sóng ngoài việc phải chịu sự tác động của môi trường nhiệt độ cao (> 100
o
C)
còn phải chịu tác động của các dung dịch thức ăn dạng lỏng nên yêu cấu thủy tinh
phải có độ bền cơ cao.

II- Nguyên liệu dùng cho sản xuất thủy tinh
Qua tham khảo các tài liệu chuyên ngành trong nước và nước ngoài về thủy
tinh pyrex cho thấy đây là một loại thủy tinh bền hóa bền nhiệt thuộc hệ thủy tinh
borosilicate. Vì vậy, nguyên liệu sử dụng để sản xuất thủy tinh pyrex bao gồm:
II.1 Nguyên liệu chính
1) Nguyên liệucung cấp SiO
2

- Thành phần hóa học chính để tạo ra thủy tinh là SiO
2

- SiO
2
làm cho thủy tinh có độ bền cơ học cao, dộ bền hóa và bền nhiệt tốt.
- Khi tăng hàm lượng SiO
2

trong thành phần thủy tinh thì các tính chất cơ lý
hóa của thủy tinh đều tăng, nhưng đồng thời cũng làm tăng nhiệt độ nấu thủy tinh.
- Các nguyên liệu cung cấp SiO
2
thường sử dụng trong sản xuất thủy tinh là
cát thạch anh, trường thạch, cao lanh sạch… Ngoài ra cũng có thể sử dụng thạch
anh nghiền mịn, pha lê thiên nhiên để cung cấp SiO
2
cho thủy tinh.
Yêu cầu kỹ thuật của cát thạch anh dùng để sản xuất thủy tinh:
+ Hàm lượng SiO
2
> 99 %
+ Tổng tạp chất có hại ( Fe
2
O
3
; Cr
2
O
3
; TiO
2
) < 0,1 %
+ Kích thước hạt < 0,2 mm


7
2) Nguyên liệu cung cấp B
2

O
3
Khi đưa B
2
O
3
vào thủy tinh sẽ giảm được hệ số giãn nở nhiệt, tăng độ bền
nhiệt của thủy tinh. Khi thay một phần SiO
2
bằng B
2
O
3
tốc độ nấu thủy tinh sẽ
tăng lên, việc khử bọt được thuận lợi hơn, khuynh hướng kết tinh sẽ giảm. Nếu
thay Na
2
O bằng B
2
O
3
dưới 0,5 % thì quá trình nấu thủy tinh sẽ được rút ngắn.
Nguyên liệu cung cấp B
2
O
3
cho thủy tinh bao gồm: Axit boric (H
3
BO
3

)
cung cấp cho thủy tinh đến 56,45 % B
2
O
3
; còn Borax (Na
2
B
4
O
7
.10 H
2
O) cung cấp
cho thủy tinh 36,65 % B
2
O
3
và 16,2 % Na
2
O .
Khi sản xuất thủy tinh chịu nhiệt, thủy tinh đặc biệt, thủy tinh bền hóa, lọ
đựng hóa chất, dụng cụ phòng thí nghiệm, … người ta luôn sử dụng hệ thủy tinh
borosilicate.

3) Nguyên liệu cung cấp Al
2
O
3

Khi trong thủy tinh có chứa Al
2
O
3
sẽ giảm được hệ số giãn nở nhiệt, tăng
được độ bền hóa, bền cơ, độ chịu nhiệt và độ rắn của thủy tinh.
Tuy nhiên, nếu hàm lượng Al
2
O
3
lớn thì tốc độ nấu thủy tinh sẽ chậm lại đặc
biệt ở giai đoạn nhiệt độ thấp. Quá trình khử bọt của thủy tinh cũng chậm lại do
Al
2
O
3
làm tăng độ nhớt của thủy tinh.
Để đưa Al
2
O
3
vào thủy tinh người ta thường sử dụng trường thạch, cao lanh
hoặc đất sét. Đôi khi người ta còn sử dụng Al(OH)
3
hoặc Al
2
O
3
kỹ thuật siêu mịn.

4) Nguyên liệu cung cấp BaO
Khi sử dụng BaO thay cho Na
2
O thì độ bền hóa học và bền cơ của thủy tinh
sẽ tăng lên. Thủy tinh có BaO sẽ bóng đẹp hơn, với hàm lượng BaO < 1% quá
trình nấu sẽ được rút ngắn. Nếu hàm lượng BaO > 5% thì sẽ ăn mòn gạch chịu lửa
và khó khử bọt.
Để cung cấp BaO cho thủy tinh thường sử dụng BaCO
3
; BaSO
4
; BaNO
3.

8
5) Nguyên liệu cung cấp Na
2
O
Người ta có thể đưa Na
2
O vào thủy tinh từ nhiều nguồn nguyên liệu khác
nhau như: Sôđa ( cacbonat natri Na
2
CO
3
); sunfat natri (Na
2
SO
4
),…

Khi đưa Na
2
O vào thủy tinh sẽ giảm được nhiệt độ nấu thủy tinh, tăng
cường các phản ứng hóa học trong quá trình nấu, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi
cho quá trình khử bọt và đồng nhất hóa khối thủy tinh. Vì Na
2
O làm giảm độ nhớt
của thủy tinh khá nhiều đặc biệt ở giai đoạn nhiệt độ cao.

6) Nguyên liệu cung cấp K
2
O
Khi thủy tinh có K
2
O sẽ giảm được khả năng kết tinh của thủy tinh, giảm
nhiệt độ nấu thủy tinh. Tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo hình bằng phương
pháp ép dập, đồng thời K
2
O làm cho thủy tinh có sắc thái đẹp hơn.
Nguyên liệu cung cấp K
2
O cho thủy tinh có thể sử dụng là cacbonat kali
(K
2
CO
3
); hoặc nitorat kali (KNO
3
). Nhưng thông thường người ta hay dùng
cacbonat kali (K

2
CO
3
) hơn do khi dùng chung với cacbonat natri (Na
2
CO
3
) sẽ tạo
nên một điểm ơtecti làm giảm nhiệt độ nấu của thủy tinh khá nhiều.

II.2 Nguyên liệu phụ
1) Chất khử bọt
Trong sản xuất thủy tinh thường phải sử dụng chất khử bọt. Chất khử bọt là
một loại hợp chất khi ở nhiệt độ cao chúng phân hủy tạo ra các bọt khí lớn để kéo
các bọt khí nhỏ trong thủy tinh lên bề
mặt hoặc liên kết các bọt nhỏ do nguyên liệu
phân hủy hay do nguyên liệu đưa vào thành các bọt lớn dễ nổi lên bề mặt rồi thoát
ra ngoài. Chất khử bọt hay sử dụng là các muối nitorat (KNO
3
; NaNO
3
, ) ;

2) Chất khử màu
Trong nguyên liệu sản xuất thủy tinh thường có tạp chất chứa sắt. Khi sắt
tồn tại ở dạng FeO sẽ nhuộm thủy tinh có màu xanh lục. Nếu sắt tồn tại ở dạng

9
Fe
2

O
3
sẽ nhuôm thủy tinh thành màu vàng lục. Các hợp chất chứa FeO nhuộm
màu thủy tinh mạnh hơn Fe
2
O
3
rất nhiều và làm giảm độ trong của thủy tinh.
Cường độ nhuộm màu thủy tinh phụ thuộc vào tỷ lệ giữa FeO và Fe
2
O
3
cùng với
thành phần hóa học của thủy tinh, nhiệt độ nấu thủy tinh, môi trường khí trong lò
nấu thủy tinh.
Để khử màu thủy tinh người ta thường dùng phương pháp hóa học nhằm
chuyển FeO thành Fe
2
O
3
làm giảm cường độ nhuộm màu thủy tinh. Phương pháp
này làm tăng độ trong thủy tinh kihas nhiều nhưng không thể làm mất màu hoàn
toàn. Các chất khử màu thường dùng là: As
2
O
3
; NaNO
3
; CeO
2

; Sb
2
O
3
, ….Nguyên
lý khử màu là khi ở nhiệt độ cao các chất chứa ôxy sẽ phân hủy và giải phóng ra
ôxy tự do, các phân tử ôxy tự do sẽ tác dụng với FeO để tạo thành Fe
2
O
3
có cường
độ màu thấp hơn làm cho thủy tinh trở thành không màu.
Ngoài ra cũng có thể sử dụng các chất nhuộm màu thủy tinh thành các màu
phụ với màu của ôxyt sắt. Trong trường hợp này độ trong của thủy tinh thường bị
giảm. Các chất thường dùng là: MnO
2
; NiO; Co
2
O
3
;….
3) Chất nhuộm màu
Do nhu cầu sử dụng người ta có thể yêu cầu phải có các loại thủy tinh màu
nhằm ngăn cản sự tác động của ánh sáng khi đựng hóa chất, hay khi trang trí nghệ
thuật, …. Khi sản xuất thủy tinh màu người ta phải sử dụng các chất nhuộm màu.
Có hai loại chất nhuộm màu đó là : Chất nhuộm màu phân tử như: Mn
2
O
3
; CoO;

NiO; Cr
2
O
3
; …. Chất nhuộm màu phân tán keo như: Vàng (Au); Bạc (Ag) Đồng
(Cu); Selen (Se); ….

III - Các phương pháp tạo hình thủy tinh
Trong công nghệ sản xuất thủy tinh thường có nhiều phương pháp tạo hình
sản phẩm thủy tinh khác nhau như: phương pháp thổi thủ công, phương pháp tạo
hình trên máy thổi tự động, phương pháp cán, kéo thủy tinh, phương pháp ép dập

10
thủy tinh, vv….Tùy thuộc vào hình dạng sản phẩm, kích thước sản phẩm mà lựa
chọn phương pháp tạo hình phù hợp.
Đối với các sản phẩm thủy tinh sử dụng làm bao bì có hình tròn (chai lọ các
loại dùng đựng rượu, đựng thuốc, hóa chất,…), dung tích < 2 lít thường sử dụng
phương pháp thổi tự động trên máy.
Đối với các sản phẩm bao bì có dung tích lớn ( khoảng 5 – 50 lít) và các sản
phẩm có hình dạng đặc biệt thì phải dùng phương pháp th
ổi thủ công kết hợp với
sự hỗ trợ của thiết bị cơ khí.
Đối với sản phẩm thủy tinh là kính xây dựng các loại, kính trang trí có thể
dùng phương pháp cán nóng trên khuôn kim loại, hoặc kéo bằng thuyền, hay kéo
nổi trên bề mặt kim loại,…
Đối với các sản phẩm thủy tinh sử dụng trong ngành y tế (như ống đựng
thuốc kháng sinh, ống đựng nước cất,…) thường dùng phương pháp kéo tuýp.

Đối với các sản phẩm dùng trong kính quang học, sản phẩm thủy tinh cách
điện, sản phẩm thủy tinh có thành dày người ta thường sử dụng phương pháp ép.

11
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM
I. Nghiên cứu lựa chọn thành phần thủy tinh pyrex
Đây là đề tài có tính chất nghiên cứu ứng dụng. Do yêu cầu của thủy tinh hệ
pyrex là phải có thành phần hóa học tương tự nhau mặc dù thủy tinh được sản xuất
ở các nơi khác nhau, dùng các loại nguyên liệu khác nhau, sử dụng phương pháp
nấu và phương pháp tạo hình khác nhau. Từ yêu cầu đó, qua nghiên cứu, tìm hiểu
các tài liệu chuyên ngành đề tài lựa chọn mộ
t số bài thành phần hóa học của thủy
tinh pyrex làm cơ sở nghiên cứu như sau:
Bảng 3: Thành phần hóa của một số loại thủy tinh pyrex tham khảo để nghiên cứu
Đơn vị: % trọng lượng
TT Tên chỉ tiêu Theo giáo trình thủy tinh
(ĐHBK Hà Nội)
Thủy tinh số 8330
của Mỹ
1 SiO

2
80,9 80,0
2 B
2
O
3
11,6 13,0
3 Al
2
O
3
2,0 2,5
4 Na
2
O 4,0 3,5
5 K
2
O 1,5 1,0
Tổng 100 100
II. Nghiên cứu nguyên liệu
Từ thành phần hóa tham khảo (bảng 3) đề tài lựa chọn các loại nguyên liệu
sử dụng cho nghiên cứu trong phòng thí nghiệm như sau:
II.1 Nguyên liệu cung cấp SiO
2
1. Fused quart
- Là một loại mảnh thủy tinh, có màu trắng (nhập khẩu từ Trung Quốc)
- Cỡ hạt 1 – 3 mm
- Hàm lượng SiO
2
= 99,8 %

- Các tạp chất Fe
2
O
3
không có

12
2. Thạch anh Yên Bái
- Dạng bột mịn, màu trắng đục
- Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm)
- Hàm lượng SiO
2
= 98,4 %
- Tạp chất Fe
2
O
3
= 0,16 %; TiO
2
= 0,02 %
3. Thạch anh Ấn Độ:
- Dạng bột mịn, màu trắng đục
- Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm)
- Hàm lượng SiO
2
= 99,01 %
- Tạp chất Fe
2
O
3

= 0,03 %; TiO
2
= 0,01 %
II.2 Nguyên liệu cung cấp Al
2
O
3
1. Trường thạch men Yên Bái
- Dạng bột mịn, màu trắng đục
- Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm)
- Hàm lượng SiO
2
= 68,58 %; Al
2
O
3
= 18,33 %; Na
2
O + K
2
O = 11,53 %
- Tạp chất Fe
2
O
3
= 0,14 %
2. Trường thạch Ấn Độ
- Dạng bột mịn, màu trắng đục
- Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm)
- Hàm lượng SiO

2
= 65,01 %; Al
2
O
3
= 18 % ; Na
2
O + K
2
O = 15,58 %
- Tạp chất Fe
2
O
3
= 0,12 %
II.3 Nguyên liệu cung cấp B
2
O
3
1. Axit Boric H
3
BO
3

- Dạng bột trắng, tơi xốp
- Hàm lượng H
3
BO
3
> 99 %

- Xuất sứ từ Anh


13
2. Borax (Na
2
B
4
O
7
.10 H
2
O)
- Dạng bột, tơi xốp, màu trắng
- Hàm lượng Na
2
B
4
O
7
.10 H
2
O > 99 %
- Xuất sứ từ Anh
II.4 Nguyên liệu cung cấp K
2
O; Na
2
O
1. Các bonnat kali (K

2
CO
3
)
- Dạng bột trắng
- Hàm lượng K
2
CO
3
> 99 %
- Xuất sứ từ Hàn Quốc
2. Sô đa (Na
2
CO
3
)
- Dạng bột trắng, tơi xốp.
- Hàm lượng Na
2
CO
3
> 99 %
- Xuất sứ từ Trung Quốc
II.5 Nguyên liệu tăng cường quá trình nấu, khử bọt, khử màu
Để tăng cường quá trình nấu thủy tinh, tăng cường quá trình khử bọt, khử
màu đề tài sử dụng một số nguyên liệu sau: Na
2
SiF
6
, KNO

3
, Sb
2
O
3
, As
2
O
3
,….

III. Nghiên cứu đơn phối liệu thủy tinh pyrex
III.1 Nghiên cứu đơn phối liệu trong phòng thí nghiệm đợt 1
Từ các thành phần hóa thủy tinh pyrex tham khảo (tại bảng 3) và thành phần
hóa các nguyên liệu đã lựa chon (bảng 4) đề tài tính toán một số bài phối liệu cho
quá trình nấu thí nghiệm để lựa chọn ra bài phối liệu tối ưu.
Bảng 4: Thành phần hóa các loại nguyên liệu
Đơn vị tính: % trọng lượng
TT Tên nguyên liệ
u SiO
2
Al
2
O
3
B
2
O
3
Na

2
O K
2
O MKN
1 Fused quart 99,74

14
2 Thạch anh men Yên Bái 98,44
3 Trường thạch Yên Bái 68,58 18,33 8,35 3,18 0,44
4 H
3
BO
3
56,45 43,55
5 Borax 36,65 16,20 47,15
6 Sô đa 58,49 41,51
7 K
2
CO
3
68 32

Từ thành phần hóa thủy tinh và nguyên liệu đã chọn tính được đơn phối liệu:
Bảng 5: Đơn phối liệu theo thành phần thủy tinh (bảng 2) và nguyên liệu (bảng 4)
Đơn vị tính: kg
TT Tên nguyên liệu Đơn 1 Đơn 2 Đơn 3 Đơn 4
1 Fused quart 73,50 70,65
2 Thạch anh Yên Bái 74,45 71,63
3 Trường thạch Yên Bái 11,00 11,00 13,64 13,64
4 H3BO3 10,80 10,80 17,40 17,40

5 Borax 16,60 16,60 10,50 10,50
5 Sô đa 2,00 2,00 1,00 1,00
7 K2CO3 2,00 2,00 1,00 1,00
8 Phụ gia khử bọt, khử màu 0,50 0,50 0,50 0,50

Trên cơ sở các đơn phối liệu đã tính toán, đề tài tiến hành cân trộn phối liệu
và thực hiện nấu thử ở phòng thí nghiệm bằng lò điện cực SiC với nhiệt độ nấu
khoảng 1480 – 1500
o
C, nồi nấu sử dụng loại nồi cao nhôm (Al
2
O
3
> 60%).



15
Quy trình nấu thủy tinh như sau:
Kiểm tra lò, các thanh điện cực sau đó đưa nồi nấu vào lò. Nâng nhiệt độ lò
theo khúc tuyến đã xác định để sấy và thiêu kết nồi. Khi lò đạt nhiệt độ 1350
o
C
lưu 30 phút. Nhập liệu vào nồi và tiếp tục tăng nhiệt độ lò để thực hiện nấu thủy
tinh. Khi nhiệt độ đạt 1490 – 1500
o
C (nhiệt độ lò từ nhiệt độ thường đến 1300
o
C
sử dụng đồng hồ can nhiệt để đo, khi nhiệt độ từ 1300

o
C trở lên được đo bằng
máy đo nhiệt độ hồng ngoại Raynger 3i 3000
o
C), tiếp tục lưu ở nhiệt độ này 01
giờ sau đó dùng kìm gắp nồi đổ thủy tinh ra khuôn (tổng thời gian nấu khoảng 8
giờ không kể thời gian sấy và thiêu kết nồi). Trong quá trình đổ thủy tinh cần quan
sát chất lượng thủy tinh và khả năng chảy của thủy tinh.
0

Hình 1: Lò nấu thí nghiệm SiC và đồng hồ đo nhiệt độ hồng ngoại Raynger 3i

16
Kết quả nấu thử đợt 1 cho thấy với đơn 1 và đơn 3 thủy tinh mới bắt đầu
chảy, lượng pha lỏng rất ít, phối liệu chưa tan vẫn còn dạng vón cục.
Đối với đơn 2 và đơn 4 thủy tinh đã chảy lỏng, nhưng còn nhiều bọt to.
Thủy tinh chưa đồng nhất, độ nhớt cao nên không đổ được vào khuôn để tạo mẫu
xác định hệ số giãn nở
nhiệt.
Kết luận: Sau nhiều mẻ nấu thử cho thấy với nguyên liệu fused quart thủy tinh rất
khó chảy mặc dù đã tăng nhiệt độ nấu đến 1520
o
C và kéo dài thời gian nấu thêm 2
giờ ở nhiệt độ cao. Nguyên nhân khó nấu chảy là do bản thân fused quart đã là một
dạng thủy tinh thạch anh nên nhiệt độ biến mềm cao (khoảng 1450
o
C). Mặt khác,
nguồn nguyên liệu fused quart phải nhập khẩu, kích thước hạt lớn, muốn sử dụng
làm nguyên liệu nấu thủy tinh thì phải nghiền mịn nên tăng chi phí, giá thành cao
nên đề tài ngừng không thực hiện nghiên cứu với loại nguyên liệu này nữa.

Với đơn 2 và đơn 4 tuy thủy tinh đã chảy, nhưng chất lượng thủy tinh chưa
đạt yêu cầu. Thủy tinh còn nhiều bọt, màu chưa được trắng trong. Đặc bi
ệt đơn 4
còn nhiều bọt lớn, phối liệu cũng chưa tan hết. Vì vậy, đề tài chỉ tập trung nghiên
cứu đơn 2, trên cơ sở sử dụng các nguyên liệu chất lượng cao hơn. Dùng trường
thạch, thạch anh Ấn Độ có hàm lượng sắt nhỏ hơn thay cho trường thạch, thạch
anh Yên Bái.
III.2 Nghiên cứu đơn phối liệu trong phòng thí nghiệm đợt 2
Qua kết quả nấu thí nghiệm đợ
t 1 đề tài thực hiện nghiên cứu điều chỉnh
đơn 2 trên cơ sở thay đổi một số loại nguyên liệu chất lượng cao hơn nhằm tăng
cường quá trình nấu và tăng chất lượng thủy tinh.
Bảng 6: Thành phần hóa của thủy tinh: Đơn vị tính: % trọng lượng
SiO
2
Al
2
O
3
B
2
O
3
Na
2
O K
2
O
80,9 2,0 11,6 4,0 1,5

17
Bảng 7: Thành phần hóa các loại nguyên liệu
Đơn vị tính: % trọng lượng
TT Tên nguyên liệu SiO
2
Al
2
O
3
B
2
O
3
Na
2
O K
2
O MKN
1 Thạch anh Ấn Độ 99,01
2 Trường thạch Ấn Độ 65,01 18,00 3,42 12,16 0,85
3 H
3
BO
3
56,45 43,55
4 Borax 36,65 16,20 47,15
5 Sô đa 58,49 41,51
6 K

2
CO
3
68 32
Bảng 8: Đơn phối liệu theo thành phần thủy tinh (bảng 6) và nguyên liệu (bảng 7)
Đơn vị tính: kg
TT Tên nguyên liệu Đơn 5 Đơn 6
1 Thạch anh Ấn Độ 75,0 74,5
2 Trường thạch Ấn Độ 11,0 11,5
3 H3BO3 11,0 10,8
4 Borax 16,5 16,2
5 Sô đa 2,0 2,0
5 K2CO3 1,0 1,0
7 Phụ gia khử bọt, khử màu 0,5 1,0
Tổng 117 117
Theo số liệu của đơn 5 và đơn 6, đề tài tiến hành cân trộn phối liệu và thực
hiện nấu thí nghiệm bằng lò điện cực SiC theo quy trình nấu: Kiểm tra lò, các
thanh điện cực sau đó đưa nồi nấu vào lò. Nâng nhiệt độ lò theo khúc tuyến đã xác
định để sấy và thiêu kết nồi. Khi lò đạt nhiệt độ 1350
o
C lưu 30 phút. Nhập liệu
vào nồi và tiếp tục tăng nhiệt độ lò để thực hiện nấu thủy tinh. Khi nhiệt độ đạt
1490 – 1500
o
C (nhiệt độ lò từ nhiệt độ thường đến 1300
o
C sử dụng đồng hồ can
nhiệt để đo, khi nhiệt độ từ 1300
o
C trở lên được đo bằng máy đo nhiệt độ hồng

18
ngoại Raynger 3i 3000
o
C), tiếp tục lưu ở nhiệt độ này 01 giờ sau đó dùng kìm gắp
nồi đổ thủy tinh ra khuôn (tổng thời gian nấu khoảng 10 giờ không kể thời gian
sấy và thiêu kết nồi). Trong quá trình đổ thủy tinh cần quan sát chất lượng thủy
tinh và khả năng chảy của thủy tinh (giống như quy trình nấu thí nghiệm đợt 1
trang 14).
Kết quả sau nhiều lần nấu thử cho thấy với cả hai đơ
n thủy tinh đều đã chảy
lỏng có thể đổ vào khuôn tạo đũa để xác định hệ số giãn nở nhiệt. Với đơn 5 thủy
tinh còn nhiều bọt hơn, độ nhớt cao hơn đơn 6. Vì vậy, đề tài chọn đơn 6 để tiến
hành thực hiên chế thử theo quy mô bán công nghiệp.
Kết quả phân tích thành phần hóa của thủy tinh thí nghiệm của đề tài và một
số thủy tinh tham khảo như
sau:
Bảng 9: Thành phần hóa thủy tinh thí nghiệm và một số thủy tinh tham khảo
(Phân tích tại Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp
trên máy phân tích nhanh TN -2 )
Đơn vị tính: % trọng lượng
Loại thủy tinh SiO
2
Al
2
O
3
B
2
O

3
Na
2
O K
2
OCaO
Thủy tinh của đề tài 79,30 2,95 10,45 3,17 1,33 0,38
Bát dùng lò vi sóng của Hàn quốc 73,84 1,78 1,31 7,25 0,11 10,31
Thủy tinh pyex của Anh 80,47 2,16 9,80 2,14 0,73 0,08
Kết quả đo hệ số giãn nở nhiệt bằng thiết bị Horizontal Dilatometer (Đức)
Khoảng nhiệt độ (
o
C) T.tinh đề tài T.tinh bát HQ Pyrex của Anh
20 ÷ 100 61 . 10
-7
70 . 10
-7
46 . 10
-7
20 ÷ 200 57 . 10
-7
86 . 10
-7
53 . 10
-7
20 ÷ 300 53 . 10
-7
92 . 10
-7
41 . 10

-7
20 ÷ 400 52. 10
-7
97. 10
-7
34. 10
-7
(Tiến hành tại Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp)

19
CHƯƠNG III: TRIỂN KHAI SẢN XUẤT THỬ
I. Lựa chọn sản phẩm:
Theo đăng ký sản phẩm chế thử của đề tài gồm hai loại sản phẩm là dụng cụ
thí nghiệm và dụng cụ lò vi sóng. Vì vậy, đề tài lựa chọn sản phẩm để chế thử
gồm:
1. Dụng cụ thí nghiệm:
Đối với sản phẩm dụng cụ thí nghiệm bao gồm: các loại c
ốc thí nghệm
dung tích từ 100 ml đến 500 ml. Các loại ống đong, các loại bình định mức dạng
tam giác, bình cầu và các loại pipet, buret,….
Để thuận tiện cho quá trình chế thử đề tài chỉ lựa chọn sản phẩm làm dụng
cụ thí nghiệm là cốc có mỏ loại 100 ml và 250 ml.


Hình 2: Cốc thí nghiệm dung tích 250 ml

20

Hình 3: Cốc thí nghiệm dung tích 100 ml
2. Dụng cụ lò vi sóng :

Các dụng cụ lò vi sóng bao gồm: các loại bát dung tích từ 150 ml đến 500
ml, các loại đĩa, các loại nồi, thố bằng thủy tinh.
Trong khuôn khổ nghiêm cứu đề tài lựa chọn sản phẩm chế thử cho lò vi
sóng là loại bát có dung tích 150 ml.

Hình 4: Bát dùng cho lò vi sóng

21
II. Thực hiện chế thử sản phẩm
Để triển khai chế thử sản phẩm đề tài đã liên hệ với Công ty TNHH Thanh
Xuân. Công ty TNHH Thanh Xuân là Công ty chuyên sản xuất các sản phẩm thủy
tinh dân dụng, sản phẩm thủy tinh trang trí như: các loại lọ hoa, các loại bình hoa
với nhiều hình dáng, kích thước và màu sắc khác nhau.
Nhà máy sản xuất tại khu Công nghiệp Đồng Văn – Duy Tiên – Hà Nam.
Kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đề tài lựa chọn bài phối li
ệu
theo đơn 6 để triển khai chế thử sản phẩm.
Hệ thống lò nấu của Công ty TNHH Thanh Xuân là loại lò cụm gồm 6 nồi,
sử dụng than cám loại dài lửa (của Thái Nguyên) . Lò nấu sử dụng công nghệ của
Trung Quốc, đó là loại lò nấu đốt tự nhiên với chiều cao ống khói 38 m, đường
kính ống khói 350 mm

Hình 5: Hệ thống lò nấu đề tài đã sử dụng chế thử sản phẩm.
II.1 Thực hiện chế thử đợt 1