bài giảng vật liệu silicat chương 2 tính chất độ nhớt của thủy tinh

Chương 2: Các tính chất của
thủy tinh
Các tính chất của thủy tinh thông thường được tính theo
qui tắc cộng.
∑
=
=+++=
n
i
iinn
agagagagG
1
2211

Trong đó G là tính chất cần tính.
g
i
tính chất riêng phần của cấu tử i ; a
i
nồng độ cấu tử i
Ví dụ1: Xác định mật độ của thủy tinh từ thành phần hóa. Theo
Baillih:
∑
=
=
+++
+++
=
n
i
i

i
n
n
n
f
a
f
a
f
a
f
a
aaa
d
1
2
2
1
1
21
20
100


a
i
% khối lượng của ôxyt i ; f
i
hệ số Baillih của ôxyt i
MeO f MeO f

SiO
2
2,24 ZnO 5,94
B
2
O
3
1,90 PbO 10,30
Al
2
O
3
2,75 Na
2
O 3,20
CaO 4,30 K
2
O 3,20
MgO 3,25 As
2
O
3
3,30
BaO 7,20 Sb
2
O
3
5,00
Các hệ số Baillih
Ví dụ:

1. Nếu thủy tinh có thành phần % như sau: SiO
2

73,5 ; CaO 10 ; Na
2
O 16,5 dùng công thức và bảng số
Baillih ta có thể tính mật độ thủy tinh trên:
452,2
27,40
100
2,3
5,16
3,4
10
24,2
5,73
100
20
==
++
=
d
Ví dụ
2: Xác định hệ số giãn nở nhiệt của thủy
tinh theo English và Turner:
∑
=
=+++=
n
i

iinn
papapapa
1
2211

α
a
i
% khối lượng của ôxyt i ; p
i
hệ số tương ứng
MeO P
i
.10
7
MeO P
i
.10
7
SiO
2
0,05 ZnO 0,70
B
2
O
3
0,66 PbO 1,06
Al
2
O

3
1,14 Na
2
O 4,16
CaO 1,63 K
2
O 3,9
MgO 0,45 BaO 1,4
Các hệ số của English và Turner để tính hệ số giãn
nở nhiệt
Ví dụ: Tính hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh có thành
phần % như sau: SiO
2
73,5 ; CaO 10 ; Na
2
O 16,5.
7 7 7 7
73,5.0,05.10 10.1,63.10 16,5.4,16.10 88,615.10
α
− − − −
= + + =
1. Độ nhớt.
Khả năng tạo hình của khối thủy tinh ở trạng thái
dẻo có liên quan trước hết với sự thay đổi độ
nhớt theo nhiệt độ.
Việc đầu tiên là phải tạo cho khối thủy tinh có
nhiệt độ thích hợp để tạo thành phôi. Phôi
phải có độ nhớt thích hợp để thực hiện giai
đoạn đầu tiên là giai đoạn tạo hình.
Sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ

Ý nghĩa các điểm nhớt đặc trưng
1) Điểm nấu chảy và tinh luyện( Metling point):
lgη=2 hay η=10
2
p . Điểm để so sánh các loại thủy tinh
với nhau . Ứng với nhiệt độ nấu thủy tinh cao nhất.
2) Điểm bắt đầu làm việc(Working point): lgη=3
hay η=10
3
p .Ứng với nhiệt độ mà ở đó thủy tinh giữ
được hình dáng của mình trong thời gian rất ngắn. Thủy
tinh trên đầu ống thổi khi tạo hình có độ nhớt η = 10
3
–
10
4
p.
3) Điểm nổi (Einsink punkt): lgη=4 hay η=10
4
p.
Dietzel đã xác định điểm nhiệt độ ứng với η=10
4
p bằng
phương pháp nổi.Thủy tinh có η=10
4
p khi một thanh
hợp kim Pt-Rh (80:20) dài 20cm, nặng 0,74g, đường
kính 0,05cm chìm đứng trong nó 2cm trong thời gian
72,8 giây ( nếu thanh hợp kim dài 24,1 cm và nặng
0,902g thì mất 60 giây).

4) Điểm chảy ( Flow point): lgη=5 hay η=
10
5
p .Cho biết một cách định hướng khoảng
nhiệt độ của thủy tinh trên máy kéo Danner
hoặc kéo đứng.
5) Điểm mềm( Softening point ) hay còn gọi
là điểm Littleton: lgη=7,65 hay η=10
7,65
p. Ứng
với nhiệt độ mà tại đó sợi thủy tinh dài 23,5 cm,
đường kính 0,55 -0,77mm treo trong lò chuẩn có
tốc độ nung nóng không đổi tự kéo dài bằng
chính trọng lượng của mình 1mm/phút.
6) Điểm làm lạnh trên( Annealing point):
lgη=13 hay η= 10
13
p. Ứng với nhiệt độ mà tại
đó ứng suất mất hoàn toàn trong 15 phút.
7) Điểm làm lạnh dưới ( Strain point): ):
lgη=14,5 hay η= 10
14,5
p. Ứng với nhiệt độ mà tại
đó ứng suất giảm còn 10% sau 15 giờ. Dưới
nhiệt độ này không thể loại trừ ứng suất trong
thủy tinh .
8) Điểm chuyển hóa(Transformation
temperature) Tg : Được xác định bằng phương
pháp dilatomet thạch anh và ứng với phần lớn
các loại thủy tinh ở độ nhớt η= 10

13,1
p.
9) Nhiệt độ biến dạng (Deformation
temperature) còn gọi là điểm mềm dilatomet T
B
:
Là nhiệt độ mà tại đó sản phẩm bắt đầu biến
dạng bằng chính trọng lượng của mình. Ứng với
độ nhớt η= 10
11,2
Sự biến đổi độ nhớt theo thành phần hóa của
thủy tinh
Chia các ôxyt ảnh huởng đến độ nhớt khi thêm
vào thủy tinh thành các nhóm như sau:
Nhóm 1: Gồm SiO
2
, Al
2
O
3
, ZrO
2
làm tăng độ nhớt
của thủy tinh ở mọi nhiệt độ .
Nhóm 2: Gồm Li
2
O, Na
2
O, K
2

O, PbO làm giảm độ
nhớt của thủy tinh ở mọi nhiệt độ
Nhóm 3: Ảnh hưởng đến độ nhớt phức tạp hệ A
2
O-
BO-SiO
2
+ Ở nhiệt độ cao và cùng một nhiệt độ các ôxyt
kiềm thổ làm tăng độ nhớt theo thứ tự MgO>CaO>BaO.
+ Ở nhiệt độ thấp mà lượng BO ít chúng làm tăng
độ nhớt theo thứ tự ngược lại BaO>CaO>MgO.
+ Cũng ở nhiệt độ thấp nhưng hàm lượng BO
nhiều chúng làm tăng độ nhớt theo thứ tự CaO>MgO
>BaO.
Đối với thủy tinh công nghiệp có chứa SiO
2
, Al
2
O
3

( đến 5%) , CaO đến 17%, MgO đến 5% cùng với CaO,
Na
2
O đến 17%, Fe
2
O
3
đến 5% có thể đánh giá được
ảnh hưởng của từng cấu tử đến độ nhớt theo sự thay

đổi nhiệt độ ứng với cùng một độ nhớt khi thay 1% ôxyt
này bằng 1% ôxyt khác.
Xem trong bảng Sự thay đổi nhiệt độ cần thiết để
giữ độ nhớt cố định.
Thứ tự
thay thế
Giới
hạn
thay
thế(
%
khối
lượng
)
Sự thay đổi tính bằng
0
C đối với lgη
3 4 5 6,5 7 8 9 10 11 12 13
SiO
2
-Al
2
O
3
0-5 +6 +6 +6 +4,5 +4,4 +4,3 +4,0 +3,0 +3,5 +3,5 +3,5
SiO
2
-Na
2
O 10-17 -25 -16 -15 -12,5 -11,5 -9,5 -9,5 -9,5 -9 -8,5 -8

SiO
2
-CaO 6-17 -16 -10 -6 - - - - - - - -
Na
2
O-Al
2
O
3
0-5 +29 +24 +22 +16,5 +15,5 +14,5 +13,5 +18 +12,5 +12 +11,5
Na
2
O-CaO 6-16 +7 +7 +7 +11,5 +11,5 +11,5 +11,5 +11,8 +11,5 +11,5 +11,5
CaO-Al
2
O
3
0-5 +21 +16 +13 - - - - - - -
Na
2
O-K
2
O 0-5 +11 +8 +7 - - - - - - -
SiO
2
-Fe
2
O
3
0-5 -9 -7 -5 -3,5 -2,5 -1,5 - 0,5 - -

SiO
2
-MgO 0-5 -6 -3,5 -2 -0,5 - - - - - -
M.V .Ôkhôtin đã nghiên cứu và đưa ra phương
pháp tính toán độ nhớt của thủy tinh silicat chứa từ 12-
16% Na
2
O; từ 5-12% CaO ; từ 2-5% MgO; và Al
2
O
3
như
sau:
Nếu ký hiệu hàm lượng Na
2
O là X;
tổng( CaO+3%MgO) là Y;
lượng Al
2
O
3
là Z;
lượng SiO
2
sẽ là [100-(X+Y+Z)].
Nhiệt độ T tương ứng với độ nhớt từ 10
3
– 10
13
p

có thể tính bằng công thức và từ đó xây dựng đường
cong nhớt .
T = a X + b Y + c Z + d
Trong đó a, b, c, d là các hằng số. Khi hàm lượng
MgO lớn hơn hay nhỏ hơn 3% sẽ hiệu chính nhiệt độ
Lgη [p]
a b
c d
3 -22,87 -16,1 6,5 1700,4
4 -17,49 -9,95 5,9 1381,4
5 -15,37 -6,25 5 1194,2
6,5 -12,19 -2,19 4,58 980,72
7 -10,36 -1,18 4,35 910.96
8 -8,71 0,47 4,24 815,89
9 -2,05 2,3 3,6 762,5
10 -8,61 2,64 3,56 720,3
11 -7,9 3,34 3,39 683,8
12 -7,43 3,2 3,52 663,4
13 -6,14 3,15 3,78 654,5
Hằng số để tính độ nhớt
Lgη Số hiệu
chỉnh
Lgη Số hiệu
chỉnh
Lgη Số hiệu
chỉnh
3 9 7 2,6 11 -2
4 6 8 1,4 12 -3
5 5 9 0 13 -4
6,5 3,5 10 -1

Hiệu chỉnh nhiệt độ khi thay 1% CaO bằng 1% MgO
Ví dụ: 1. Tính toán và thiết lập đường cong nhớt của
thủy tinh có thành phần % như sau:
SiO
2
72 ; Al
2
O
3
1,9 ; Fe
2
O
3
0,1 ; CaO 6,7 ; MgO 4,1 ;
Na
2
O 14,9 ; SO
3
0,3.
Trước tiên ta cần tính các giá trị nhiệt độ tương
ứng với các giá trị lgη theo công thức:
T = a X + b Y + c Z + d
Giải:
Trường hợp này ta phải hiệu chỉnh với hàm lượng:
MgO = 4,1-3=1,1[%]
Khi lgη = 3
T
3
= -22,87 . 14,9 -16,1 .(6,7+3) + 6,5 . 1,9 + 1700,1 + 1,1 . 9
= 1226

0
C
Khi lgη = 4
T
4
= -17,49 . 14,9 – 9,95.(6,7+3) + 5,9 . 1,9 + 1381,4 + 1,1 . 6
= 1042,26
0
C
Khi lgη = 5
T
5
= -15,37 . 14,9 -6,25.(6,7+3) + 5 . 1,9 + 1194,27 + 1,1 .5
=919
0
C
Khi lgη = 7
T
7
= -10,36 . 14,9 -1,18 . (6,7+3) + 4,35. 1,9 +910,96 +1,1 . 2,6
= 757
0
C
Khi lgη = 9
T
9
= -2,05 . 14,9 -2,3 (6,7+3) + 3,6 . 1,9 + 762,5 + 0
= 760,75
0
C

Khi lgη = 13
T
13
= -6,14 . 14,9 + 3,15 ( 6,7 + 3) + 3,78 . 1,9 + 654,5 – 4. 1,1
= 596.35
0
C
Từ các số liệu đã tính được xây dựng đường cong nhớt .
Thành
phần
SiO
2
B
2
O
3
Al
2
O
3
Na
2
O K
2
O CaO BaO MgO Tổng
% 60.8 1.5 0.8 13.5 7.0 6.6 6.2 3.6 100
Ví dụ 2: Tính toán và thiết lập đường cong nhớt của
thủy tinh có thành phần % như sau:
Tính nhiệt độ T ứng với độ nhớt = 10

3
là:
T = -22.87 x 13.5 + (-16.1) x (6.6 + 3) + 6.5 x 0.8 +
1700.4 + 0.6 x 9 +11 = 1248.235
0
C
Độ nhớt N.s/m
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
Nhiệt độ
o
C
1267.865 1066.085 940.775 800.895 764.812 707.049
Độ nhớt N.s/m
2
10
9
10
10

10
11
11
12
10
13
Nhiệt độ
o
C
654.035 626.817 596.336 568.701 546.004
o
C
lgη
Biểu đồ độ nhớt
Vậy nhiệt độ nấu của
thủy tinh ứng với độ nhớt
10
2
p là 1450
0
C.
nhiệt độ tạo hình ứng
với độ nhớt 10
5.3
p là 900
0
C.
Hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh theo English
và Turner:
∑

=
=+++=
n
i
iinn
papapapa
1
2211

α
Trong đó: a
i
là % khối lượng oxyt thứ i.
p
i
là hệ số tương ứng.
MeO SiO
2
B
2
O
3
CaO ZnO Na
2
O
K
2
O MgO BaO PbO Al
2
O

3
p
i
.10
7
0.05 0.66 1.63 0.7 4.16 3.9 0.45 1.4 1.06 0.14
7
108.66*10
α
−
=
Mật độ thuỷ tinh được xác định theo theo công thức của Baillih:
∑
=
i
i
f
a
d
100
MeO SiO
2
B
2
O
3
Al
2
O
3

Na
2
O K
2
O CaO BaO MgO
a
i
% 60.8 1.5 0.8 13.5 5 6.6 6.2 3.6
f
i
2.24 1.9 2.75 3.2 3.2 4.3 7.2 3.25
a
i
/f
i
27.14 0.79 0.29 4.22 1.56 1.53 0.86 1.1
3
100
2.6( / )
27.14 0.79 0.29 4.22 1.56 1.53 0.86 1.1
d kg m
= =
+ + + + + + +