Nguyên vật liệu và phối liệu tạo thủy tinh

Chương 3: Nguyên vật liệu và
phối liệu tạo thủy nh
I. Nhóm nguyên liệu chính.
1. Nguyên liệu cung cấp ôxyt axit.
a) Nguyên liệu cung cấp SiO
2
Là thành phần chủ yếu của đa số các thủy tinh
công nghiệp thông thường. Nó cung cấp cho
thủy tinh độ bền cơ, bền nhiệt, bền hóa.
Thủy tinh công nghiệp thông thường chứa từ 50-
80% SiO
2
. Trong thiên nhiên thường gặp SiO
2

dưới dạng tinh thể như cát thạch anh,
quăczit , pha lê thiên nhiên; các dạng vô định
hình như opan(SiO
2
.nH
2
O), trê pen, điatomit.
Để nấu thủy tinh người ta sử dụng cát thạch
anh.
Yêu cầu: hàm lượng SiO
2
là nhiều nhất, hàm lượng tạp
chất là ít nhất.
Tạp chất trong cát:
- Loại vô hại: Al
2

O
3
, Na
2
O, K
2
O
- Loại có hại: Fe
2
O
3
, FeO, Cr
2
O
3

Theo Beyersdorfer lượng ôxyt sắt cho phép trong cát
như sau:
Loại thủy nh % ôxyt sắt
Thủy nh quang học và loại cho a
cực m qua
0,01
Thủy nh pha lê 0,015-0,02
Thủy nh tấm 0,1-0,2
Thủy nh không màu ( dày- mỏng) 0,3-0,5
Thủy nh bao bì màu xanh 0,5-4
Kích thước hạt cát:
- Đối với lò bể: 0.1-0.5 mm.
- Đối với lò nồi: 0.1-0.3 mm.
Hình dáng hạt cát:

- Hạt tròn khó nấu, dễ phân lớp.
- Hạt sắc cạnh dễ nấu hơn.
b) Nguyên liệu cung cấp B
2
O
3
Vai trò và tác dụng:
- Là oxyt tạo thuỷ tinh.
- Làm tăng độ bền cơ, bền hóa, bền nhiệt cho
thủy tinh.
- Làm tăng độ bền cơ, bền hóa, bền nhiệt cho
thủy tinh.
- Giảm độ nhớt của thuỷ tinh ở nhiệt độ cao, làm
tăng nhanh quá trình nấu và khử bọt dễ dàng
thường dùng ~ 1%.
Nguyên liệu:
Nguyên liệu cung cấp B
2
O
3
:
- Axit boric H
3
BO
3
chứa 56.45% B
2
O
3
và 43.55%

H
2
O.
-
Borax Na
2
B
4
O
7
chứa 36.65% B
2
O
3
, 16.2% Na
2
O,
47.15% H
2
O.
Borat cung cấp cho thuỷ tinh đồng thời hai
oxyt B
2
O
3
và Na
2
O.
c) Nguyên liệu cung cấp Al
2

O
3
Vai trò và tác dụng:
- Là oxyt trung gian tạo thủy tinh.
- Làm giảm hệ số giãn nở của thủy tinh,
tăng độ bền hóa của thủy tinh, nâng cao độ
bề cơ học.
- Ảnh hưởng thuận lợi đến sự biến thiên độ
nhớt theo nhiệt độ.
- Làm giảm khuynh hướng kết tinh cuả thủy
tinh.
- Với một lượng nhỏ(≤5%) sẽ làm cho quá
trình nấu thuận lợi.
Nguyên liệu:
- Để sản xuất thủy tinh alumo silicat cao cấp,
thủy tinh alumo boro silicat và các sản phẩm
thủy tinh khác có hàm lượng Al
2
O
3
5% người ta
dùng các nguyên liệu oxyt nhôm kỹ thụât.(>99%
Al
2
O
3
).
- Đối với thủy tinh khác, Al
2
O

3
được đưa vào dưới
dạng các nguyên liệu thiên nhiên: tràng thạch
2. Nguyên liệu cung cấp ôxyt kiềm.
a) Nguyên liệu cung cấp Na
2
O.
Vai trò và tác dụng:
- Là oxyt biến hệ.
- Giảm độ nhớt, giảm nhiệt độ nấu.
- Tăng tốc độ khử bọt.
- Tăng tốc độ hòa tan các hạt cát.
- Tuy nhiên làm giảm độ bền cơ, bền hóa, bền
nhiệt của thủy tinh.
Nguyên liệu:
- Nguyên liệu cung cấp Na
2
O: sô da Na
2
CO
3
,
sunfat Na
2
SO
4
, NaCl, NaNO
3
…
-

Na
2
SO
4
chứa 43.7% Na
2
O
- Na
2
CO
3
cung cấp khoảng 58.5% Na
2
O.
- NaNO
3
: giá thành cao, khi nấu tạo khí N
2
O
x
độc
hại nên được dùng với lượng ít, tạo môi trường
oxi hóa và có tác dụng khử bọt khi kết hợp với
Sb
2
O
3
hoặc As
2
O

3
.
b) Nguyên liệu cung cấp K
2
O.
Vai trò và tác dụng:
Tác dụng của K
2
O tương tự như Na
2
O tuy
nhiên K
2
O có ưu điểm hơn là làm giảm khả năng
kết tinh của thủy tinh và làm cho thủy tinh ánh
hơn và có sắc thái đẹp hơn.
K
2
O được dùng để sản xuất các loại thủy
tinh cao cấp như thủy tinh quang học, thủy tinh
màu và pha lê.
Nguyên liệu:
- Potat K
2
CO
3
chứa 68.2% K
2
O và 31.8% CO
2

.
- Hỗn hợp sôđa potat.
c) Nguyên liệu cung cấp Li
2
O.
- Muối liti làm tăng nhanh quá trình nấu,
tạo pha lỏng sớm và hạ nhiệt độ nấu thủy tinh.
- Li
2
O làm tăng độ bền hóa, giảm hệ số giãn
nở nhiệt của thủy tinh.
- Li
2
O làm giảm độ nhớt của thủy tinh
nhiều hơn các ôxyt kim loại kiềm khác.
Li
2
O cho vào phối liệu dưới dạng cacbonat
Li
2
CO
3
(nóng chảy ở 618
0
C) hoặc các khoáng
thiên nhiên chủ yếu là lepidolit LiF.KF.Al
2
O
3
.3SiO

2

và spôdumen Li
2
O.Al
2
O
3
.4SiO
2
.
Li
2
O ít được sử dụng để nấu thủy tinh
thông thường. Chỉ dùng trong sản xuất thủy tinh
quang học, thủy tinh mờ đặc biệt và vật liệu đa
tinh thể.
3. Nguyên liệu cung cấp ôxyt kềm thổ.
a) Nguyên liệu cung cấp CaO
Vai trò và tác dụng:
- Là thành phần cơ bản của thủy tinh.
- Giúp cho quá trình nấu và khử bọt được dễ
dàng.
- Làm tăng tính bền hóa.
Nếu dùng hàm lượng lớn thì thủy tinh giòn
và dễ kết tinh.
Nguyên liệu:
- Đá vôi chứa khoảng 54% CaO.
- Đá phấn: CaCO
3

tinh khiết hơn, mềm hơn, dùng
nấu thủy tinh cao cấp.
b) Nguyên liệu cung cấp MgO.
Vai trò và tác dụng:
- Làm tăng độ bền hóa và độ bền cơ học của
thủy tinh.
- Giúp cho phối liệu dễ nóng chảy hơn, giảm khả
năng kết tinh của thủy tinh.
- Làm thủy tinh “dài hơn”, hấp ủ dễ hơn và ở
nhiệt độ thấp hơn so với thủy tinh chỉ chứa CaO.
- Thủy tinh Magie nhẹ hơn thủy tinh Canxi, hệ số
giãn nở nhiệt nhỏ nhất trong các loại kiềm thổ.
Nguyên liệu:
Đôlômit, đá vôi đôlômit, hoặc magiê nung
chảy.
c) Nguyên liệu cung cấp PbO.
- PbO được điều chế bằng cách nấu chảy chì kim
loại trong môi trường ôxy hóa, thường hay lẫn
chì kim loại.
- Minium Pb
3
O
4
được điều chế bằng cách ôxy hóa
PbO trong lò nhiệt độ 360-380
0
C.
- Pb
3
O

4
được sử dụng rộng rãi hơn PbO vì Pb
3
O
4

không lãn chì kim loại.
Chú ý:
Khi nấu thủy tinh chì phải duy trì môi trường
ôxy hóa để tránh hiện tượng khử PbO thành chì
kim loại
Thủy tinh chì dễ nấu, dễ khử bọt.
Các sản phẩm thủy tinh chứa chì có trọng
lượng riêng lớn, chiết suất cao, ánh đẹp, dễ mài
và đánh nhẵn nhưng kém bền hóa và gây độc
cho người nấu.
II. Nhóm nguyên liệu phụ
1. Chất nhuộm màu:
Để tạo ra các loại thủy tinh có màu sắc khác
nhau, có thể dùng các chất nhuộm màu:
+ Chất nhuộm màu phân tử: SdS, Se, các hợp
chất của lưu huỳnh ….
+ Chất nhuộm màu ion: các kim loại chuyển tiếp
như Mn, Co, Ni…và các kim loại hiếm: Ce, Nd,
Dy….
+ Chất nhuộm màu khuếch tán keo: Au, Ag, Cu…
Khi nấu thủy tinh các chất nhuộm màu phân
tán trong khối thủy tinh và do mỗi chất nhuộm
màu có khả năng hấp thụ chọn lọc các sóng ánh
sáng mà tạo màu sắc cho thủy tinh.

Hợp chất mangan:
Mn
3+
nhuộm thủy tinh thành màu tím đến tím đỏ.
Lượng sắt lẫn vào sẽ kết hợp với Mn
2
O
3
cho màu từ nâu
đến đen.
Mn
2+
chỉ cho màu vàng yếu hay nâu nhạt trong
thủy tinh.
Crôm
Crôm cho màu xanh lá cây, vàng xanh, vàng.
Trong thủy tinh Crôm thường tồn tại dưới 2 dạng: Cr
6+

và Cr
3+
.
Cr
6+
cho màu vàng,
Cr
3+
cho màu xanh.
Thủy tinh có Crôm nhuộm màu sẽ thay đổi màu
theo bề dày. Ví dụ: Ở bề dày này thủy tinh có màu

xanh còn khi tăng gấp đôi và nhìn ngang qua thấy có
màu đỏ.
Sắt
Fe
2
O
3
, FeO, Fe
3
O
4
nhuộm thủy tinh thành nhiều
màu khác nhau
Ôxyt sắt từ Fe
3
O
4
nhuộm thủy tinh màu lục xám.
Fe
2
O
3
gây màu vàng đến hung .
FeO lâu nay được coi là nguyên nhân gây màu
xanh cho thủy tinh.
Hợp chất côban
Trong thủy tinh hay trong men sứ, men tráng kim
loại Côban cho màu xanh dương gọi là xanh Côban.
Màu của Côban bền, không phụ thuộc vào chế độ
nấu. Để có màu hơi xanh chỉ cần dùng 0,002% CoO, để

có màu xanh đậm cần dùng 0,1 – 1%.
Nguyên liệu cung cấp CoO: Co
3
O
4
, Co
2
O
3
, CoO.
Dùng chung với muối Crôm và đồng có thể cho một dải
màu xanh khá rộng.

Niken
Thủy tinh kali, niken cho màu tím còn thủy tinh
natri cho màu nâu vàng.
Dùng NiO kết hợp các ôxyt khác như Fe
2
O
3
, CoO,
Cr
2
O
3
tạo các hệ màu Fe
2
O
3
-CoO-NiO ; Cr

2
O
3
-NiO-CoO để
sản xuất thủy tinh màu khói hay dùng làm kính bảo vệ
mắt trước các bức xạ mạnh.
Các nguyên tố hiếm
Các nguyên tố hiếm hay dùng là: Ce, Nd , Dy, Pr
Ce
2
O
3
cho màu vàng, Nd
2
O
3
cho màu tím,Pr
2
O
3
cho
màu xanh lá cây nhưng rất yếu nên thường kết hợp với
Nd
2
O
3
. Dy
2
O
3

cho màu đỏ nâu.
Selen :
Dùng nhuộm thủy tinh thành màu từ hồng
đến đỏ. Khi dùng chung selen với sulfua cadmi
(CdS) theo tỉ lệ : Selen 0,8-1,2% , CdS 2-3% có
thể tạo ra ngọc rubi selen màu đỏ rực. Thường
dùng sản xuất kính lọc quang học và đèn tín
hiệu.
Selen kim loại khoảng 0,05-0,2% có phụ gia
As
2
O
3
0,1-0,2% trong điều kiện ôxy hóa nhuộm
thủy tinh màu hồng rosalin.
Hợp chất CdS
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 vàng:
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 ta thu được rubi vàng, còn khi đưa vào
0,01% được thủy tinh màu hồng.
Hợp chất vàng hay dùng : AuCl
3
.2H
2

O
Hợp chất bạc:
Nhuộm thủy tinh từ màu vàng chanh
đến da cam. Nguyên liệu dùng là AgNO
3
.