bài giảng công nghệ sản xuất thủy tinh

11
TH Y TINHỦ
2
TRẠNG THÁI THỦY TINH:
VẬT CHẤT
KHÍ LỎNG RẮN
KHÍ
THƯỜNG
KHÍ
ION HÓA
(PLASMA)
LỎNG
THƯỜNG
LỎNG
KẾT TINH
RẮN
TINH THỂ
RẮN
VĐH


Th
Th
ủ
ủ
y tinh l
y tinh l
à
à
v
v

ậ
ậ
t th
t th
ể
ể
r
r
ắ
ắ
n
n
v
v
ô
ô
c
c
ơ
ơ
v
v
ô
ô


nh hđị
nh hđị
ì
ì

nh
nh
3
TRẠNG THÁI THỦY TINH
Th y tinh là s n ph m ủ ả ẩ
Th y tinh là s n ph m ủ ả ẩ
vô c nóng ch y ơ ả
vô c nóng ch y ơ ả
c làm đượ
c làm đượ
quá
quá
l nh ạ
l nh ạ
n tr ng thái r n mà đế ạ ắ
n tr ng thái r n mà đế ạ ắ
không k t tinhế
không k t tinhế
4
Các đặc điểm


1- Coù tính ñaúng höôùng
1- Coù tính ñaúng höôùng

2- Kh
2- Kh
ông có nhi t nóng ch y xác nhệ độ ả đị
ông có nhi t nóng ch y xác nhệ độ ả đị


3- C
3- C
ó th nóng ch y và óng r n thu n ể ả đ ắ ậ
ó th nóng ch y và óng r n thu n ể ả đ ắ ậ
ngh chị
ngh chị


4- D tr n ng l ng c a v t th ự ữ ă ượ ủ ậ ể ở
4- D tr n ng l ng c a v t th ự ữ ă ượ ủ ậ ể ở
tr ng thái th y tinh cao h n tr ng thái ạ ủ ơ ạ
tr ng thái th y tinh cao h n tr ng thái ạ ủ ơ ạ
tinh th .ể
tinh th .ể
5
PHÂN LOẠI CÁC THỦY TINH VƠ CƠ
1.
1.
THU TINH N NGUN T :Ỷ ĐƠ Ử
THU TINH N NGUN T :Ỷ ĐƠ Ử



Là thủy tinh chỉ chứa có một nguyên tố hóa
Là thủy tinh chỉ chứa có một nguyên tố hóa
học.
học.

Các nguyên tố tạo thủy tinh nằm trong nhóm V
Các nguyên tố tạo thủy tinh nằm trong nhóm V

và VI của bảng tuần hoàn.
và VI của bảng tuần hoàn.

Người ta đã tạo được thủy tinh lưu huỳnh, thủy
Người ta đã tạo được thủy tinh lưu huỳnh, thủy
tinh selen, thủy tinh asen, thủy tinh photpho.
tinh selen, thủy tinh asen, thủy tinh photpho.
6
2. TH Y TINH OXIT:Ủ
2. TH Y TINH OXIT:Ủ
Nh
Nh
i u oxit là c u t ch y u trong thành ph n th y ề ấ ử ủ ế ầ ủ
i u oxit là c u t ch y u trong thành ph n th y ề ấ ử ủ ế ầ ủ
tinh: B
tinh: B
2
2
O
O
3
3
, SiO
, SiO
2
2
, GeO
, GeO
2
2

, P
, P
2
2
O
O
5
5
Nhiều oxit chỉ có thể tạo thành thủy tinh trong điều
Nhiều oxit chỉ có thể tạo thành thủy tinh trong điều
kiện làm lạnh thật nhanh, các mẫu thật nhỏ
kiện làm lạnh thật nhanh, các mẫu thật nhỏ
(As
(As
2
2
O
O
3
3
, Sb
, Sb
2
2
O
O
3
3
, TeO
, TeO

2
2
, V
, V
2
2
O
O
5
5
)
)
có những oxit liên hợp với những cấu tử khac (Al
có những oxit liên hợp với những cấu tử khac (Al
2
2
O
O
3
3
,
,
Ga
Ga
2
2
O
O
3
3

, Bi
, Bi
2
2
O
O
3
3
, TiO
, TiO
2
2
, MoO
, MoO
3
3
, WO
, WO
3
3
).
).
Thực tế, có nhiều thủy tinh chứa
Thực tế, có nhiều thủy tinh chứa
đồng thời hai hoặc
đồng thời hai hoặc
ba oxit tạo thủy tinh.
ba oxit tạo thủy tinh.
7

3-
3-
Thủy tinh Halogen
Thủy tinh Halogen


G m: BeFồ
G m: BeFồ
2
2
và ZnCl
và ZnCl
2
2


4-
4-
Thủy tinh Khancon
Thủy tinh Khancon
:
:


Các thủy tinh tạo ra trên cơ sở các hệ As-S,
Các thủy tinh tạo ra trên cơ sở các hệ As-S,
As-Se, P-Se, và Ge-Se.
As-Se, P-Se, và Ge-Se.

5-
5-
Thủy tinh hỗn hợp
Thủy tinh hỗn hợp
Loại thủy tinh được tổng hợp từ hỗn hợp các hợp
Loại thủy tinh được tổng hợp từ hỗn hợp các hợp
chất có khả năng tạo thủy tinh có dạng khác
chất có khả năng tạo thủy tinh có dạng khác
nhau, ví dụ: thủy tinh oxit- halogen; oxit-
nhau, ví dụ: thủy tinh oxit- halogen; oxit-
khancon; khancon- halogen….
khancon; khancon- halogen….
Các loại thủy tinh
8
9
CẤU TRÚC CỦA THỦY TINH
C
C
ó 4 thuy t chính:ế
ó 4 thuy t chính:ế
1-Thuy t c u trúc vi tinh c a Lêbê épế ấ ủ đ
1-Thuy t c u trúc vi tinh c a Lêbê épế ấ ủ đ
2-Thuy t c u trúc nhóm ế ấ
2-Thuy t c u trúc nhóm ế ấ
3- Thuy t c u trúc polymerế ấ
3- Thuy t c u trúc polymerế ấ
4-Thuy t c u trúc liên t c, V H c a ế ấ ụ Đ ủ
4-Thuy t c u trúc liên t c, V H c a ế ấ ụ Đ ủ
Zachariasen

Zachariasen
10
Gi thuy t c a Lêbê ép ả ế ủ đ
Gi thuy t c a Lêbê ép ả ế ủ đ
“
“
Thủy tinh silicat là tập hợp của các tinh thể có
Thủy tinh silicat là tập hợp của các tinh thể có
độ phân tán cao (vi tinh thể) trong đó chủ yếu là
độ phân tán cao (vi tinh thể) trong đó chủ yếu là
các vi tinh thể thạch anh”.
các vi tinh thể thạch anh”.
Gi thuy t c u trúc nhóm:ả ế ấ
Gi thuy t c u trúc nhóm:ả ế ấ
Thủy tinh không
Thủy tinh không
phải là một hệ hoàn toàn đồng nhất
phải là một hệ hoàn toàn đồng nhất
.
.
M
M
à g m nh ng h vi d th v i nhau.ồ ữ ệ ị ể ớ
à g m nh ng h vi d th v i nhau.ồ ữ ệ ị ể ớ
11
Giả thuyết cấu trúc polymer

Thủy tinh là polymer vô cơ.
Thủy tinh là polymer vô cơ.


Tương tự các polyme, hai nhóm tính chất :
Tương tự các polyme, hai nhóm tính chất :
-
-
Nhóm t/c phụ thuộc mạch polymer
Nhóm t/c phụ thuộc mạch polymer
: độ dài và độ bền vững
: độ dài và độ bền vững
của cấu trúc sợi, tính lưỡng chiết, không có điểm nóng
của cấu trúc sợi, tính lưỡng chiết, không có điểm nóng
chảy cố đònh, khi chảy tạo hỗn hợp lỏng có độ nhớt
chảy cố đònh, khi chảy tạo hỗn hợp lỏng có độ nhớt
cao
cao
-
-
Nhóm t/c phụ thuộc ion biến tính
Nhóm t/c phụ thuộc ion biến tính
: tính dẫn điện, độ bền
: tính dẫn điện, độ bền
hóa và độ bền cơ
hóa và độ bền cơ
Các yếu tố ảnh hưởng

Oxit t o th y tinh: SiOạ ủ
Oxit t o th y tinh: SiOạ ủ
2
2
, B
, B

2
2
O
O
3
3
, GeO
, GeO
2
2
, P
, P
2
2
O
O
5
5
.
.

Có giá tr âm i n trung bình.ị độ đ ệ
Có giá tr âm i n trung bình.ị độ đ ệ

Các ox
Các ox
i
i
t có bán kính cation nh (s ph i trí ỏ ố ố
t có bán kính cation nh (s ph i trí ỏ ố ố

nh ) t o th y tinhỏ ạ ủ
nh ) t o th y tinhỏ ạ ủ

Các ox
Các ox
i
i
t có bán kính cation l n, hóa tr nh ớ ị ỏ
t có bán kính cation l n, hóa tr nh ớ ị ỏ
(MgO, CaO,… Li
(MgO, CaO,… Li
2
2
O, Na
O, Na
2
2
O,…)
O,…)
không t o th y ạ ủ
không t o th y ạ ủ
tinh
tinh
13
ĐỘ NHỚT VÀ QUÁ TRÌNH TẠO
THỦY TINH (tt):
14
Lực tương tác và vai trò trong cấu
trúc của các ion trong thủy tinh
15

©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning
™
is a trademark used herein under license.
Hình: ảnh hưởng của Na
2
O đến mạng lưới thủy tinh silica.
Na
+
là ion biến tính
16
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning
™
is a trademark used herein under license.
Figure 14.11 The
Si0
2
-Na
2
0 phase
diagram.
Additions of soda
(Na
2
0) to silica
dramatically
reduce the
melting
temperature of
silica, by forming
eutectics.

17
Thuy t c u trúc liên t c, V H (Continuous ế ấ ụ Đ
Thuy t c u trúc liên t c, V H (Continuous ế ấ ụ Đ
Random Network Theory) c a Zachariasen:ủ
Random Network Theory) c a Zachariasen:ủ
Th y tinh có c u trúc m ng ng u nhiên liên t củ ấ ạ ẫ ụ
Th y tinh có c u trúc m ng ng u nhiên liên t củ ấ ạ ẫ ụ


18
Thủy tinh và tinh thể có cùng các đơn vị cấu trúc
(building blocks) (các đa diện liên kết) nhưng có
kiểu sắp xếp khác nhau: thủy tinh có sự phân bố rộng
hơn các góc liên kết.
Zachariasen
Zachariasen
thấy rằng các
thấy rằng các
nguyên tắc và các kiểu của
nguyên tắc và các kiểu của
hoá học tinh thể cũng áp
hoá học tinh thể cũng áp
dụng được cho thủy tinh.
dụng được cho thủy tinh.
NHIỆT ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH
TẠO THỦY TINH

Quá trình x y ra khi làm l nh ch t l ngả ạ ấ ỏ
Quá trình x y ra khi làm l nh ch t l ngả ạ ấ ỏ


S k t tinh và s t o thành th y tinhự ế ự ạ ủ
S k t tinh và s t o thành th y tinhự ế ự ạ ủ
20
Quy trình cơ bản
Nguyên liệu thô (chính, phụ)
Nguyên liệu thô (chính, phụ)
Gia công nguyên liệu
Gia công nguyên liệu
Cân
Cân
Phối liệu
Phối liệu
Cân nhập liệu vào lò
Cân nhập liệu vào lò
Nấu
Nấu
Tạo hình
Tạo hình
Xử lý nhiệt
Xử lý nhiệt
Kiểm tra
Kiểm tra
Thành phẩm
Thành phẩm
21
I. NGUYEÂN LIEÄU
VAØ PHOÁI LIEÄU
22
PHÂN NHÓM NGUYÊN LIỆU
•

Nhóm nguyên liệu chính
Nhóm nguyên liệu chính
là những thành phần
là những thành phần
cơ bản để tạo ra các loại thủy tinh.
cơ bản để tạo ra các loại thủy tinh.
•


Nhóm nguyên liệu phụ
Nhóm nguyên liệu phụ
gồm các hợp chất hóa
gồm các hợp chất hóa
học được sử dụng để c i thi n tính cong ngh ả ệ ệ
học được sử dụng để c i thi n tính cong ngh ả ệ ệ
nh khử bọt, khử màu, nhuộm màu, làm đục ư
nh khử bọt, khử màu, nhuộm màu, làm đục ư
thủy tinh hoặc rút ngắn quá trình nấu…
thủy tinh hoặc rút ngắn quá trình nấu…
•


23
NHÓM NGUYÊN LIỆU CHÍNH

1-
1-
Nguyên liệu cung cấp oxit axit
Nguyên liệu cung cấp oxit axit


a- Nguyên liệu cung cấp SiO
a- Nguyên liệu cung cấp SiO
2
2
(Cát thạch anh)
(Cát thạch anh)


SiO
SiO
2
2
là thành phần chủ yếu của đa số các
là thành phần chủ yếu của đa số các
thủy tinh công nghiệp (55 –75%). SiO
thủy tinh công nghiệp (55 –75%). SiO
2
2
là oxit
là oxit
tạo thủy tinh.
tạo thủy tinh.
b- Nguyên liệu cung cấp oxit Bor
b- Nguyên liệu cung cấp oxit Bor

B
B
2
2
O
O
3
3
là oxit có khả năng tạo thủy tinh.
là oxit có khả năng tạo thủy tinh.


* Axit boric H
* Axit boric H
3
3
BO
BO
3
3


* Borax: Na
* Borax: Na
2
2
B
B

4
4
O
O
7
7
.10H
.10H
2
2
O
O


* Asarit: 2MgO.B
* Asarit: 2MgO.B
2
2
O
O
3
3
.H
.H
2
2
O
O
24
NHÓM NGUYÊN LIỆU CHÍNH

c- Nguyên liệu cung cấp Al
c- Nguyên liệu cung cấp Al
2
2
O
O
3
3
Tràng thạch, pecmatic, cao lanh, nhephelin…
Oxit nhôm kỹ thuật (>99% Al
2
O
3
) hoặc hydro oxit .


P
P
2
2
O
O
5
5
(làm đục thủy tinh và làm thủy tinh photphat),
(làm đục thủy tinh và làm thủy tinh photphat),

TiO
TiO
2
2
(làm tăng tính chất điện và chiết suất…),
(làm tăng tính chất điện và chiết suất…),
ZrO
ZrO
2
2
(làm tăng độ bền hóa, tăng chiết suất, giảm hệ số
(làm tăng độ bền hóa, tăng chiết suất, giảm hệ số
dãn nở nhiệt, tăng nhiệt độ chảy mềm…),
dãn nở nhiệt, tăng nhiệt độ chảy mềm…),
GeO
GeO
2
2
(tăng độ thấu quang, để chế tạo một số loại thủy tinh
(tăng độ thấu quang, để chế tạo một số loại thủy tinh
cao cấp đặc biệt)
cao cấp đặc biệt)
TeO
TeO
2
2
(tăng khả năng cho quang phổ hồng ngoại…).
(tăng khả năng cho quang phổ hồng ngoại…).
25
NHÓM NGUYÊN LIỆU CHÍNH

2-
2-
Nguyên liệu cung cấp oxit kiềm
Nguyên liệu cung cấp oxit kiềm


a- Nguyên liệu cung cấp oxit natri Na
a- Nguyên liệu cung cấp oxit natri Na
2
2
O
O
* Sôđa: Na
* Sôđa: Na
2
2
CO
CO
3
3


* Sunfat natri Na
* Sunfat natri Na
2
2

SO
SO
4
4
Nấu thủy tinh từ phối liệu chứa sôđa đơn giản hơn và kinh
Nấu thủy tinh từ phối liệu chứa sôđa đơn giản hơn và kinh
tế hơn.
tế hơn.
b- Nguyên liệu cung cấp oxit kali K
2
O


* Potat K
* Potat K
2
2
CO
CO
3
3
(hút ẩm rất mạnh)
(hút ẩm rất mạnh)


* Hỗn hợp sôđa potat
* Hỗn hợp sôđa potat
c- Nguyên liệu cung cấp oxit Liti: Li
c- Nguyên liệu cung cấp oxit Liti: Li
2

2
O
O
Li
Li
2
2
CO
CO
3
3
hoặc các khoáng thiên nhiên (Spumen
hoặc các khoáng thiên nhiên (Spumen
Li
Li
2
2
O.Al
O.Al
2
2
O
O
3
3
.4SiO
.4SiO
2
2
)

)