bài giảng về thủy tinh

CHƯƠNG IV. THỦY TINH
4.1 ÐỊNH NGHĨA: có rất nhiều định nghĩa về thủy tinh
* Thủy tinh là chất rắn vô định hình, trong đó không có trật tự xa và không có
sự lặp lại tuần hoàn trong cách sắp xếp các nguyên tử.
* Thủy tinh là một sản phẩm vô cơ nóng chảy được làm nguội đến trạng thái
rắn mà không qua giai đoạn kết tinh (theo ASTM).
* Thủy tinh là những vật thể vô định hình, có thể thu nhận được bằng cách làm
nguội chất nấu chảy không phụ thuộc vào thành phần hóa và vùng nhiệt độ đóng rắn,
có đặc trưng bằng sự tăng các tính chất cơ học của vật thể rắn khi tăng từ từ độ nhớt;
Quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang thủy tinh là một quá trình thuận nghịch (theo
Hội đồng về từ ngữ thuộc Viện Hàn lâm khoa học Liên Xô cũ).
4.2 TRẠNG THÁI THỦY TINH:
1.Tính đẳng hướng: giá trị của các tính chất không phụ thuộc vào hướng đo.
Đặc trưng này xác nhận cấu trúc khác biệt của thủy tinh so với các vật liệu khác.
2. Trạng thái thủy tinh của chất bao giờ cũng chứa một nội năng lớn hơn nội
năng của chất đó ở trạng thái tinh thể.
3. Quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái thủy tinh (rắn) diễn ra
trong một khoảng nhiệt độ khá rộng. Khi chuyển từ trạng thái nóng chảy sang rắn,
trong các tinh thể có sự tăng nhanh độ nhớt tại nhiệt độ kết tinh và có bước chuyển
nhảy vọt sang trạng thái rắn. Ngược lại các khối thủy tinh nóng chảy khi hạ nhiệt độ
thì độ nhớt ngày càng tăng và cuối cùng trở thành một khối rắn cơ học.
4. Các tính chất vật lý của thủy tinh khi chuyển từ trạng thái nóng chảy (lỏng)
đến rắn thay đổi liên tục.
92
Để minh họa, khảo sát sự phụ thuộc thể tích riêng vào nhiệt độ:

-ab: nhiệt độ thấp, tính chất thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ.
-bc: dạng cong → sự phụ thuộc không tuyến tính vào nhiệt độ.
-cd: nhiệt độ cao, tính chất thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ.
t
g

: nhiệt độ biến mềm. Khi T
thủy tinh
< t
g
: thủy tinh cứng và giòn.
t
f
: nhiệt độ chảy lỏng.
Các loại thủy tinh kỹ thuật thông thường có t
g
≈ 420
÷
560
0
C, t
f
≈ 680
÷
700
0
C.
Đối với thủy tinh, vùng nằm giữa t
g
và t
f
rất có ý nghĩa và được gọi là vùng
thủy tinh hay vùng bất thường. Trong vùng nhiệt độ này thủy tinh tồn tại dưới dạng
dẻo. Mỗi loại thủy tinh có một vùng t
g
– t

f
khác nhau, dao động từ vài chục đến vài
trăm độ.
4.3 CẤU TRÚC CỦA THỦY TINH:
Theo bản chất hóa, thì tính chất và cấu trúc của thủy tinh rất đa dạng. Có rất
nhiều thuyết khác nhau nói về cấu trúc của thủy tinh, nhưng “thuyết cấu trúc tinh thể”
của A.A.Lebedev và “thuyết cấu trúc vô định hình liên tục” của Zakhariasen là được
chấp nhận rộng rãi nhất.
4.3.1 Giả thuyết Zachariasen – Worren:
a
b
c
d
93
t
0
C
t
f
t
g
Thể tích riêng
Hình 4.1. Đồ thị sự phụ thuộc thể tích riêng vào nhiệt độ
Các nguyên tử ở trạng thái thủy tinh hay tinh thể đều tạo thành từ những mạng
3 chiều liên tục. Nhưng trong thủy tinh các nguyên tử sắp xếp không đối xứng và
không tuần hoàn (không lặp lại cấu trúc) nên nội năng cao hơn.
Worren phát triển thêm khi đưa ra khái niệm về cấu trúc của các loại thủy tinh
hai và ba cấu tử.
Theo đó, cấu trúc khung cũng với đơn vị cơ bản là SiO
4

4-
nhưng không theo
một đối xứng nào cả. Các ion Na
+
, Ca
2+
nằm ở khoảng giữa những tứ diện này một
cách ngẫu nhiên. Tóm lại những khác biệt giữa cấu trúc thủy tinh và tinh thể như sau:
-Trong tinh thể khung [SiO
4
] được xây dựng theo quy luật đối xứng chặt chẽ,
còn trong thủy tinh thì không.
-Trong tinh thể, các ion kim loại sẽ chiếm vị trí xác định trong mạng, còn trong
thủy tinh chúng phân bố ngẫu nhiên.
-Trong tinh thể ngoại trừ pha tinh thể có thành phần thay đổi, các cấu tử ban
đầu có thành phần mol tỉ lệ với nhau theo những số đơn giản; còn trong thủy tinh các
oxit có thể hòa hợp với nhau theo bất kỳ tỉ lệ nào.
94

Tinh thể Thủy tinh Cấu trúc thủy tinh natri
silicat
Hình 4.2. Mạng lưới cấu trúc
4.3.2 Thuyết cấu trúc tinh thể:
Năm 1921 ông đưa ra giả thiết rằng thủy tinh silicat là hợp thể của các tinh thể
có độ phân tán lớn, trong đó đa số là tinh thể thạch anh.
Sự biến đổi tính chất bất thường của thủy tinh xảy ra ở khoảng 450-600
0
C có
liên quan đên sự biến đổi của thạch anh từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác
(dạng

α
sang dạng
β
). Ðây là đặc trưng vốn có cho thủy tinh có thành phần bất kỳ và
có liên hệ với sự bắt đầu hóa mềm của thủy tinh.
Các thí nghiệm đầu tiên đưa ra và bảo vệ quan điểm về cấu tạo tinh thể của
thủy tinh đã không được chấp nhận, nhưng sau này khi có sự kết hợp của tia rơnghen
và các phương pháp phân tích khác đã nhận được các luận cứ thực nghiệm mới của
giả thuyết tinh thể.
Thủy tinh silicat có cấu trúc vi tinh thể, tức tạo thành từ vô số tinh thể nhỏ đến
nỗi chúng gần như có tính đồng nhất quang học và chỉ thể hiện bản chất tinh thể trong
rất ít trường hợp. Giả thuyết xuất phát từ việc nghiên cứu sự thay đổi chỉ số khúc xạ
của thủy tinh theo nhiệt độ. Nhiệt độ tăng, n (chỉ số khúc xạ) tăng mang dấu (-).
95
Lý thuyết vi tinh thể: thủy tinh là tập hợp các vi cấu trúc có các nguyên tử được
sắp xếp trật tự. Phần trung tâm của vi tinh thể được đặc trưng bởi sự phân bố có trật tự
các nguyên tử, còn vùng ngoại vi là sự chuyển tiếp từ vi cấu trúc này sang vi cấu trúc
khác. Giữa các vi tinh thể không có bề mặt phân cách pha.
Cả hai giả thuyết phản ánh hai mặt khác của cùng một vấn đề và không
giả thuyết nào giải thích thỏa đáng cấu trúc của thủy tinh.
* Có thể coi thủy tinh là 1 chất rắn vô định hình, tức là có những điểm sau:
1. Tính chất cơ học hoàn toàn đặc trưng cho chất rắn.
-Thủy tinh có trạng thái đàn hồi Hook: khi kéo, độ giãn nở tỉ lệ thuận với lực
kéo.
-Có tính giòn dễ vỡ.
Độ giãn nở
2. Cấu trúc đặc trưng cho chất lỏng: không có trật tự xa, nhưng có trật tự gần.
4.4 TÍNH CHẤT CỦA THỦY TINH:
4.4.1 Tính chất của thủy tinh ở trạng thái nóng chảy:
4.4.1.1 Ðộ nhớt:

Trong chuyển động của một số lớp chất lỏng tương đối với lớp khác xuất hiện
một lực tác động chống lại (f):

dx
dv
sf
η
=
96
Lực kéo σ (ứng suất)
Trong đó: s: diện tích tiếp xúc giữa hai lớp, m
2
η
: độ nhớt của chất lỏng, N.s/m
2
dx
dv
: gradient của vận tốc, s
-1
Khi s=1,
dx
dv
=1, thì f=
η
. Hay nói cách khác, độ nhớt là lực cản giữa hai lớp
song song tiếp xúc với nhau qua một diện tích s=1 ở gradient
dx
dv
=1.
Ở các giai đoạn khác nhau của quá trình nấu và gia công thủy tinh thì độ nhớt

của hỗn hợp thủy tinh cần giữ trong một giới hạn cho trong bảng sau:
Bảng 4.1 Các nhiệt độ đặc trưng của thủy tinh và các giá trị độ nhớt tương ứng
của nó
Các giai đoạn
Nhiệt độ thủy tinh,
0
C Ðộ nhớt,
N.s/m
2
Cao Thấp
Thông
thường
Làm trong 1550 1000 1200 – 1400 10
Bắt đầu gia công 1350 850 1000 – 1100 10
2
Biến dạng 900 650 700 – 800 4.10
7
Thiêu kết 750 450 550 – 650 10
8
Ủ 650 400 580 – 600 10
12
Ðộ nhớt là một trong những tính chất công nghệ có ảnh hưởng quyết định đến
vận tốc quá trình nấu và tạo hình hỗn hợp thủy tinh. Ðộ nhớt của hỗn hợp thủy tinh ở
nhiệt độ nấu chảy chúng càng bé thì quá trình nấu thủy tinh càng nhanh.
Thủy tinh nấu chảy có độ nhớt thấp sẽ thúc đẩy sự trao đổi vật chất trong quá
trình tạo thành silicat và thủy tinh, do tăng tốc độ của quá trình khuếch tán sự tách khí
trong hỗn hợp, khí vượt nhanh lên bề mặt để thoát ra ngoài, rút ngắn quá trình làm
đồng nhất phối liệu nấu chảy.
Thành phần thủy tinh có ảnh hưởng đến độ nhớt của chúng ở nhiệt độ cho
trước, tốc độ biến đổi của chúng khi nhiệt độ thay đổi. Ảnh hưởng các oxit trong

thành phần của thủy tinh đến độ nhớt được xếp theo thứ tự sau:
97
Al
2
O
3
> SiO
2
> MgO > CaO > K
2
O > Na
2
O
Trong thí nghiệm, đo độ giãn nở bằng một thanh thủy tinh, với điều kiện vật
không chịu nén:
δ = 3η.
dt
d
ε
Trong đó: δ: ứng suất
dt
d
ε
: tốc độ thay đổi chiều dài.
Để tính toán thực tế người ta sử dụng:
Lgη = A +
o
TT
B
−

Với A, B, T
o
: là hằng số, có thể tính qua 3 điểm đo (η,T).
4.4.1.2 Khả năng kết tinh:
Khả năng kết tinh của thủy tinh là xu hướng của chúng tới sự tinh thể hóa.
Chúng ta cần quan tâm đến khả năng kết tinh (là khoảng nhiệt độ mà trong đó nó có
thể kết tinh) cũng như tốc độ tinh thể hóa để chọn chế độ nấu và gia công thích hợp.
Ðối với thủy tinh thông thường thì việc kết tinh trong khối thủy tinh là điều không
mong muốn.
Khả năng kết tinh của một hỗn hợp thủy tinh có thành phần hóa bất kỳ được
đặc trưng bởi khoảng nhiệt độ kết tinh. Cao hơn nhiệt độ này tinh thể không thể tạo
thành do hiện tượng dư thừa năng lượng bên trong ngăn cản sự hình thành mạng lưới
tinh thể, còn khi thấp hơn khoảng nhiệt độ này thì độ nhớt của hỗn hợp cao làm cho
khả năng khuếch tán các phần tử tham gia tạo thành mạng lưới tinh thể thấp. Thành
phần hóa của hỗn hợp thủy tinh sẽ quyết định sự hình thành pha tinh thể và giới hạn
khoảng nhiệt độ kết tinh.
Các dấu hiệu đầu tiên của quá trình kết tinh xuất hiện trên mặt tiếp xúc giữa các
pha (thông thường nhất là trên bề mặt, trong các lỗ rỗng khí, miền tiếp xúc với các tạp
chất,…).
98
4.4.1.3 Sức căng bề mặt:
Công cần thiết để thực hiện việc tăng bề mặt của chất lỏng lên một đơn vị gọi là
sức căng bề mặt của chất lỏng (N/m hay J/m
2
).
Sức căng bề mặt của hỗn hợp thủy tinh ảnh hưởng đến quá trình nấu chảy và
tạo hình. Ở giai đoạn đầu của quá trình nấu thủy tinh thì sức căng bề mặt không cần
lớn lắm (bởi vì sức căng bề mặt quá lớn sẽ làm quá trình tách khí và trao đổi vât chất
trong pha lỏng giảm). Còn ở cuối giai đoạn làm trong hỗn hợp thủy tinh thì sức căng
bề mặt tăng sẽ thúc đẩy quá trình hòa tan các bọt khí nhỏ vào hỗn hợp thủy tinh.

Trong quá trình tạo hình (kính phẳng theo phương pháp kéo thẳng đứng) sức căng bề
mặt giúp vượt qua lực trọng trường. Ðặc biệt sức căng bề mặt đóng vai trò quyết định
khi gia công kính phẳng theo phương pháp float.
Thủy tinh nóng chảy có sức căng bề mặt cao gấp 3-4 lần sức căng bế mặt của
nước. Sức căng bề mặt của thủy tinh công nghiệp khoảng 0,22-0,38 N/m.
Phụ thuộc vào:
+ Thành phần môi trường khí
+ Thành phần thủy tinh
+ Nhiệt độ
Khi cho vào phụ gia như Al
2
O
3
, CaO, MgO thì sức căng bề mặt tăng; còn khi
cho K
2
O, sunfat, flirit, oxit asen,… sẽ làm giảm sức căng bề mặt.
Ở nhiệt độ cao, sức căng bề mặt của hỗn hợp thủy tinh ít phụ thuộc vào nhiệt
độ. Khi tăng nhiệt độ lên cứ 100
0
C thì sức căng bề mặt giảm 1-2%, còn ở khoảng
nhiệt độ gia công thủy tinh thì khi tăng nhiệt độ lên cứ 100
0
C, sức căng bề mặt của
chúng giảm 10%.
4.4.1.4 Tỷ trọng:
Tỷ trọng của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy giảm khi nhiệt độ tăng.
4.4.1.5 Nhiệt dung riêng:
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy có thể xác định theo công
thức:

99
C
t
= C
0
(1 + 0,00039t)
Trong đó:
C
t
: nhiệt dung riêng trung bình của thủy tinh giữa nhiệt độ 0 – t
0
C, kJ/kg.
0
C
C
0
: nhiệt dung riêng của thủy tinh cùng thành phần ở nhiệt độ 0 – 20
0
C,
kJ/kg.
0
C
t: nhiệt độ của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy,
0
C
4.4.1.6 Ðộ dẫn điện:
Nhiệt độ của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy tăng làm độ dẫn điện của chúng tăng
lên.
Ðộ dẫn điện của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy phụ thuộc vào thành phần hóa
của chúng. Các oxit kiềm làm tăng độ dẫn điện của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy.

4.4.2 Các tính chất của thủy tinh ở trạng thái rắn:
4.4.2.1 Tính chất cơ:
1. Tỷ trọng:
Ðây là một đại lượng vật lý quan trọng, nó có ảnh hưởng đến tính chất quang,
tính chất nhiệt và các tính chất khác của thủy tinh. Ðược xác định bằng khối lượng
riêng và thể tích riêng.
Khối lượng riêng của thủy tinh có thể xác định theo công thức:
n
n
x
a
x
a
x
a
Y
+++
=

100
2
2
1
1
Trong đó: a
1
, a
2
, …,a
n

là hàm lượng phần trăm theo khối lượng của các oxit
riêng biệt trong thủy tinh; x
1
, x
2
, …., x
n
là các hằng số khối lượng riêng của các oxit
riêng biệt trong thủy tinh.
Khối lượng riêng của thủy tinh phụ thuộc vào:
+ Thành phần hóa
+ Trạng thái của thủy tinh: khối lượng riêng ở trạng thái nấu chảy nhỏ hơn so
với trạng thái rắn, thủy tinh ủ kém có khối lượng riêng nhỏ hơn so với ủ tốt,…
Bảng 4.2. Khối lượng riêng của một số loại thủy tinh
100
Loại thủy tinh
Khối lượng riêng
(g/cm
3
)
TT silicat kiềm - kiềm
thổ
2,48-2,6 trung
bình
Boro silicat
2,24-2,41
thấp
Silicat chì
2,85-3,12
cao

Alumo silicat
2,47-2,65 trung
bình
Đặc biệt, thủy tinh silic có tỷ trọng nhỏ nhất ρ = 2,2 g/cm
3
.
Ảnh hưởng của các oxit đến tỷ trọng của thủy tinh:
CaO > MgO > Na
2
O > Al
2
O
3
> SiO
2
Sự chênh lệch giữa giá trị khối lượng riêng theo tính toán và theo thực nghiệm
đối với thủy tinh công nghiệp trong khoảng 1,5-10%.
Vì tỷ trọng dễ đo và đo rất chính xác nên thường được dùng làm đại lượng để
kiểm tra sự ổn định về thành phần hóa học trong sản xuất thủy tinh và nó thay đổi
theo nhiệt độ.
2. Modun đàn hồi:
Tính đàn hồi của vật liệu là khả năng của chúng có thể tự trở lại hình dạng ban
đầu của mình sau khi đã trải qua sự biến dạng đàn hồi. Tính đàn hồi được đo bằng
modun đàn hồi hay hệ số đàn hồi.
Tính đàn hồi của thủy tinh cũng có ý nghĩa to lớn, vì qua đó ta có thể dự đoán
được các tính chất nhiệt, cơ của thủy tinh cũng như cũng có thể dự đoán được chế độ
gia nhiệt, tôi và ủ chúng.
Khi tăng thành phần B
2
O

3
, Al
2
O
3
, CaO thay cho SiO
2
hay tăng nhiệt độ thì
modun đàn hồi sẽ tăng.
Thông thường modun đàn hồi được xác định phụ thuộc vào độ cong võng của
thanh thủy tinh theo công thức:
101
3
3
4
.
abF
lP
E =
, kg/mm
2
Trong đó: P: lực tác dụng lên vị trí giữa thanh được đặt trên hai gối
l: khoảng cách giữa hai gối
F: độ cong võng của thanh
b: chiều rộng của thanh thiết diện hình chữ nhật
a: chiều cao của thiết diện thanh
3. Ðộ bền nén, kéo, uốn:
Thông qua tính chất này có thể xác định được lĩnh vực sử dụng của thủy tinh.
Ðộ bền kéo và uốn của thủy tinh thấp hơn so với độ bền nén từ 10-15 lần. Ðộ
bền của thủy tinh bé nhất ở 200

0
C. Cường độ của thủy tinh giảm mạnh khi thử tải
trong nước
Sự tác động xấu lên cường độ uốn của thủy tinh là các ứng suất dư tồn tại do:
+ Quá trình ủ kém
+ Tạp chất
+ Các vết gợn sóng xuất hiện gần bề mặt của thủy tinh
+ Trạng thái của thủy tinh
Khi biết thành phần hóa có thể sử dụng quy tắc cộng tính để tính cường độ kéo,
nén.
Có nhiều giải pháp để gia tăng cường độ cho thủy tinh:
+ Sửa các khuyết tật lớp bề mặt của thủy tinh.
+ Gia cường hóa học lớp bề mặt
4. Ðộ cứng:
* Ðộ cứng khi ép: được xác định bằng cách ép hình chóp kim cương lên bề mặt
thủy tinh:
2
.854,1
D
P
H =
P: lực tác dụng lên hình chóp của lăng trụ kim cương đè lên bề mặt thủy tinh
102
D: đường chéo nhận được trên vết đè của hình chóp kim cương lên bề mặt thủy
tinh
* Độ cứng xước bề mặt: theo Mohs H = 6. Tất cả các loại thủy tinh đều có thể
cứa lên nhau  có ý nghĩa cho quá trình cắt thủy tinh.
* Độ cứng khi mài: rất khác nhau giữa các loại thủy tinh. Xác định bằng lượng
thủy tinh mất đi khi mài dưới một điều kiện xác định. Thủy tinh chì và kiềm độ cứng
khi mài nhỏ. Thủy tinh trung tính boro silicat có độ cứng khi mài lớn.

5. Ðộ giòn:
Ðộ giòn là tính chất của vật liệu bị phá hủy tức thời khi có tác động của lực va
đập:
R
VR
D
n
t
.
=
∑
= ).( hPR
Trong đó:
R
n
: cường độ nén của thủy tinh
V: thể tích mẫu
R: tổng các lần rơi va đập của bi thép cần sử dụng để đập vỡ mẫu
P: khối lượng quả bi
h: chiều cao rơi
Cường độ va đập tính theo công thức:
V
hP
W
∑
=
).(
Cường độ va đập của thủy tinh sau khi tôi cao hơn 5-7 lần so với trước khi tôi.
Nếu ủ lâu dài, thủy tinh cho cường độ va đập cao hơn 2-2,5 lần bình thường.
Ðộ giòn của thủy tinh phụ thuộc vào hình dạng, kích thước mẫu thử và phương

pháp gia nhiệt chúng.
Khi cho vào thủy tinh các oxit B
2
O
3
, Al
2
O
3
, MgO thì sẽ làm cho cường độ va
đập tăng, độ giòn giảm.
4.4.2.2 Tính chất nhiệt:
103
1. Nhiệt dung riêng:
Là lượng nhiệt cần thiết để đốt nóng một đơn vị khối lượng thủy tinh lên 1
0
C.
Khi cho vào thủy tinh các oxit kim loại nặng như PbO, BaO,…thì nhiệt dung
riêng của thủy tinh giảm, ngược lại cho thêm Li
2
O, BeO, MgO,…nhiệt dung riêng sẽ
tăng lên.
Ảnh hưởng của các oxit đến nhiệt dung riêng của thủy tinh:
Na
2
O > MgO > Al
2
O
3
> SiO

2
> K
2
O > CaO
Nhiệt dung riêng của thủy tinh tăng khi nhiệt độ tăng cho đến một giới hạn
nhiệt độ Tg thì nhiệt dung riêng tăng không đáng kể, còn trong khoảng biến đổi cấu
trúc bên trong thì nhiệt dung riêng tăng nhanh.
Có thể tính nhiệt dung riêng của thủy tinh theo công thức:
100

100
.
100
.
2
2
1
1
n
ntt
P
C
P
C
P
CC +++=
Trong đó: P
1
, P
2

,…,P
n
là hàm lượng theo khối lượng các oxit trong thủy tinh
C
1
, C
2
,…, C
n
các hệ số tính toán (tra bảng)
2. Ðộ dẫn nhiệt:
Ðược đặc trưng bằng hệ số dẫn nhiệt. Hệ số dẫn nhiệt là lượng nhiệt trong một
đơn vị thời gian đi qua hai bề mặt đối diện nhau của 1cm
3
thủy tinh khi hiệu nhiệt độ
giữa các bề mặt là 1
0
C.
Các oxit ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của thủy tinh:
MgO > Na
2
O

> CaO > Al
2
O
3
> SiO
2
Ðộ dẫn nhiệt của thủy tinh phụ thuộc vào nhiệt độ, bề dày mẫu,….Có thể tính

theo nguyên tắc cộng tính.
3. Hệ số giãn nở nhiệt:
Có thể đo bằng dilatometer hoặc tính bằng công thức APPEN.
Hệ số giãn nở nhiệt thường được cung cấp cho khoảng nhiệt độ 20
0
C
÷
400
0
C.
104
Đo:
)TT(1
l
l
o
o
−+=
α
: vẽ đồ thị → đường thẳng. Có thể xác định hệ số giãn nở
nhiệt theo nguyên tắc cộng tính.
Độ giãn nở nhiệt cao, thủy tinh thay đổi thể tích nhiều khi tăng nhiệt độ → dễ
vỡ khi nhiệt độ thay đổi đột ngột.
Bảng 4.3. Hệ số giãn nở nhiệt của một số loại thủy tinh
Loại thủy tinh
Hệ số giãn nở nhiệt (.10
-
7
.K
-1

)
TT silicat kiềm - kiềm
thổ
90-105
Boro silicat 32-50
Silicat chì 85-100
Alumo silicat 40-60
Thủy tinh boro silicat có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ nhất
→
bền khi thay đổi nhiệt
độ. Dùng để làm dụng cụ thủy tinh trong phòng thí nghiệm và các thiết bị kỹ thuật.
Ngoại lệ: thủy tinh hàn: α
20-400
≈ 130.10
-7
.K
-1
độ dãn nở nhiệt lớn.
thủy tinh silic: α
20-400
≈ 6.10
-7
.K
-1
→ làm kính viễn vọng vũ trụ.
Các oxit ảnh hưởng đến hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh:
K
2
O > Na
2

O > CaO > MgO > SiO
2
> Al
2
O
3
> B
2
O
3
4.4.2.3 Tính chất quang:
1. Hệ số khúc xạ:
Hệ số khúc xạ n của thủy tinh trong không khí khi tia sáng truyền vào:
φ
1
n=
2
1
sin
sin
ϕ
ϕ

φ
2

Hệ số khúc xạ phụ thuộc vào:
105
+ Tần số
ν

(khi trong khoảng bước sóng không có sự hấp thu đặc biệt thì
n giảm khi tần số tăng, còn trong vùng bước sóng có sự hấp thụ mạnh thì n tăng khi
ν

tăng).
+ Bước sóng λ của ánh sáng
+ Nhiệt độ của thủy tinh (hệ số khúc xạ tăng khi tăng nhiệt độ tăng và
gần với vùng nhiệt độ hóa mềm chúng có sự thay đổi đột biến có mối quan hệ với các
biến đổi cấu trúc trong thủy tinh).
+ Thành phần hóa học của thủy tinh (cho phép tạo ra nhiều loại thủy tinh
với các hằng số quang học đa năng).
Theo phương pháp L.I.Demkina. Hệ số khúc xạ có thể được tính vớ độ chính
xác đến 0,001 theo công thức:
n
n
n
n
n
S
P
S
P
S
P
S
P
n
S
P
n

S
P
n
n
+++
+++
=


2
2
1
1
2
2
2
1
1
1

2. Sự phản xạ:
Một phần tia sáng chiếu vào bề mặt thủy tinh bị phản xạ. Theo luật phản xạ,
góc tia tới bằng góc tia phản xạ.
Ví dụ: thủy tinh tấm phản xạ nhiều lần.
I
R1
I
R2
I
R3

I
R4
I
R5
106
I
T1
I
T2
I
T3
I
T4
I
o
* P
1
, P
2
,…, P
n
: hàm lượng các oxit trong thủy tinh, %khối
lượng.
* S
1
, S
2
,…, S
n
: các hệ số dùng để chuyển đổi hàm lượng các

oxit từ đơn vị khối lượng sang phần thể tích.
* n
1
, n
2
,…., n
n
: các hệ số dùng để tính hệ số khúc xạ, tương
ứng với từng oxit.
Độ phản xạ: R
λ
=
o
I
I
R
λ
λ
= cường độ phổ phản xạ/cường độ phổ đến.
I
λR
= I
λR1
+ I
λR2
+…
Độ phản xạ của một vật có độ dày giới hạn và độ xuyên qua giới hạn luôn lớn
hơn độ phản xạ nhiều lần.
Ứng dụng: tăng độ phản xạ của thủy tinh bằng cách xử lí bề mặt.
3. Sự hấp thu:

Ánh sáng chiếu tới một phần bị hấp thu sẽ làm nóng thủy tinh, nhất là các tia
hồng ngoại.
4.4.2.4 Tính bền hóa:
1. Độ bền axit:
Sự tấn công của axit vào thủy tinh trong điều kiện lý tưởng là sự trao đổi ion
dương trên bề mặt.
Thủy tinh silicat rất bền với axit (trừ HF → khắc thủy tinh).
Trường hợp có các ion kiềm trong thủy tinh thì quá trình trao đổi hầu như chỉ
xảy ra với các ion kiềm vì chúng phân tán nhanh hơn kiềm thổ 10 lần.
Bảng 4.4. Bảng xếp loại độ bền axit của một số loại thủy tinh
Độ bền axit của các loại thủy
tinh
Xếp loại
Thủy tinh silicat kiềm_kiềm thổ: 2 hoặc 3
Borosilicat 1
Silicat chì 3
Alumosilicat 3

Độ bền axit tăng dần theo thời gian, vì với sự tấn công tiếp tục của axit, lớp bề
mặt ít dần ion kiềm do tạo lớp film.
Sự tấn công của axit hầu như không thuộc loại và nồng độ.
107
Thủy tinh silicat bị hòa tan rất nhanh trong HF:
SiO
2
+ 6HF → H
2
SiF
6
+ 2H

2
O
2. Độ bền kiềm:
Sự tấn công của dung dịch kiềm dựa trên phản ứng giữa các ion OH
-
và mạng
lưới SiO
2
tạo silicat kiềm và axit silic.
Độ hòa tan thủy tinh trong dung dịch kiềm tỉ lệ với thời gian (không tạo lớp
film bảo vệ như trong dung dịch axit).
Tốc độ hòa tan tăng khi pH tăng.
Bảng 4.5. Bảng xếp loại độ bền kiềm và độ bền nước của một số loại thủy
tinh
Xếp loại theo độ bền
kiềm
Xếp loại theo độ bền
nước
TT silicat kiềm_kiềm
thổ
2 5
Boro silicat 2 1
Silicat chì 3 3 - 4
Alumo silicat 3 1

3. Độ bền nước:
Sự tấn công của nước vào thủy tinh dựa trên sự trao đổi ion dương giữa Na
+
với
H

+
, qua đó H
+
trong nước giảm, nồng độ ion kiềm tăng, nước trở nên kiềm tính. Như
vậy quá trình tấn công hóa học của nước giai đoạn đầu giống axit, sau đó khi sự ăn
mòn tiến triển, trở nên giống quá trình tấn công của dung dịch kiềm, với điều kiện
môi trường nước không đổi → thủy tinh càng bền quá trình tấn công của nước càng
giống tấn công của dung dịch kiềm.
4.4.2.5 Tính chất điện:
1. Ðộ thấm dẫn điện:
108
Ðộ dẫn điện của thủy tinh ở nhiệt độ thường không đáng kể, vì vậy có thể sử
dụng nó làm vật liệu cách điện. Khi tăng nhiệt độ thì độ dẫn điện của thủy tinh tăng
lên. Dòng điện trong thủy tinh truyền chủ yếu là nhờ các ion kiềm chuyển động, vì
vậy trong thành phần của thủy tinh nếu tăng hàm lượng các oxit kiềm thì sẽ làm tăng
độ dẫn điện của nó lên, đồng thời nếu giảm hàm lượng các oxit hóa trị ba, bốn như
SiO
2
, ZnO, B
2
O
3
, Al
2
O
3
thì độ dẫn điện giảm xuống.
Độ dẫn điện còn ảnh hưởng bởi quá trình sản xuất thủy tinh (ủ, khử bọt, đo
qua thực tế).
2. Ðộ dẫn điện bề mặt:

Chỉ xuất hiện khi các kết cấu thủy tinh tiếp xúc với ẩm ở môi trường theo bề
mặt.
3. Ðộ bền điện môi:
Là khả năng chịu được tác động của thủy tinh đối với điện thế cao mà không bị
phá hủy hay giảm tính chất điện môi của mình.
Ðộ bền điện môi được đặc trưng bởi tỉ số của hiệu điện thế đánh thủng mẫu thử
với chiều dày mẫu thử (đơn vị là kV/cm).
Khi tăng hàm lượng SiO
2
trong thủy tinh, độ bền điện môi của nó tăng, còn khi
tăng hàm lượng các oxit kiềm thì độ bền điện môi giảm.
4.5 NGUYÊN LIỆU TRONG SẢN XUẤT THỦY TINH:
4.5.1 Nhóm nguyên liệu chính:
Các nguyên liệu tạo thành thủy tinh được đưa vào phối liệu chủ yếu là:
+ Cát cung cấp SiO
2
+ Ðá vôi, dolomit cung cấp CaO và MgO
+ Pecmatit, fenspat cung cấp Al
2
O
3
và một phần Na
2
O, K
2
O, SiO
2
.
+ Oxit nhôm kỹ thuật cung cấp Al
2

O
3
+ Sođa canxi cung cấp Na
2
O
109
+ Kali cacbonat, kali hydroxit cung cấp K
2
O
+ Borax, axit boric,… cung cấp B
2
O
3
+ Minium chì cung cấp PbO,……
4.5.1.1 Nguyên liệu cung cấp oxit axit:
1. Oxit silic – SiO
2
(M=60,09; khối lượng riêng 2,65 g/cm
3
):
SiO
2
là thành phần chủ yếu của đa số các thủy tinh công nghiệp. Trong thiên
nhiên thường gặp SiO
2
dưới các dạng thạch anh (quartz), pha lê thiên nhiên, tôpadơ và
các dạng vô định hình như opan, trepen, diatomit. Để nấu thủy tinh người ta thường
sử dụng các loại cát thạch anh, quartzit…
SiO
2

là oxit tạo thủy tinh. Do đó nhờ sự liên kết của các tứ diện [SiO
4
] với
nhau mà khung thủy tinh cơ bản được hình thành. SiO
2
là thành phần có tác dụng làm
tăng độ bền hóa, bền cơ, bền nhiệt của thủy tinh lên rất nhiều nhưng mặt khác người
ta cũng nhận thấy thủy tinh chứa càng nhiều SiO
2
thì càng khó nấu.
SiO
2
ở dạng thủy tinh có tên là thủy tinh thạch anh. Đây là loại thủy tinh quý,
rất bền vững trước tác dụng của xung nhiệt, bền hóa, bền cơ và có nhiều tính chất quý
khác. Thủy tinh thạch anh rất khó nấu và khó tạo hình vì nhiệt độ nấu rất cao, độ nhớt
của thủy tinh thạch anh rất lớn và ở nhiệt độ cao thạch anh bay hơi nhiều. Cát thạch
anh thường dùng để nấu các loại thủy tinh công nghiệp.
Thủy tinh công nghiệp thường chứa từ 55 – 75% SiO
2
. Lẫn trong cát thường có
các hạt khoáng lạ hoặc các màng hợp chất hữu cơ hay vô cơ khác hoặc các tạp chất có
dạng dung dịch rắn.
Các tạp chất có chứa Al
2
O
3
, CaO, MgO, K
2
O, Na
2

O không phải là tạp chất có
hại vì các oxit kể trên cũng có mặt trong thành phần thủy tinh công nghiệp. Chỉ cần
chú ý đến hàm lượng cụ thể của từng oxit đó để điều chỉnh khi tính đơn phối liệu.
Các tạp chất chứa các oxit là chất nhuộm màu, chất làm giảm độ thấu quang
của thủy tinh đều là các tạp chất có hại. Oxit có hại phổ biến nhất là Fe
2
O
3
, ngoài ra
các oxit khác như TiO
2
, Cr
2
O
3
, MnO
2
, V
2
O
5
cũng thuộc vào loại oxit có hại (nên chú ý
110
rằng trong nhiều trường hợp người ta sử dụng các oxit này để nhuộm màu hoặc điều
chỉnh một vài tính chất nào đấy của thủy tinh).
Yêu cầu cơ bản đối với thành phần hóa của cát là hàm lượng SiO
2
phải rất cao
còn hàm lượng tạp chất, đặc biệt là tạp chất oxit sắt phải rất nhỏ.
Oxit sắt Fe

2
O
3
làm cho thủy tinh có màu vàng, còn FeO làm cho thủy tinh có
màu xanh. Theo tiêu chuẩn của Viện hàn lâm khoa học Liên Xô lượng oxit sắt cho
phép trong cát
Loại sản phẩm Hàm lượng Fe
2
O
3
, %
TT quang học và pha lê 0,012
TT hóa học, y tế 0,2
Kính cửa 0,1
TT làm bát đĩa 0,025
TT làm chai đục 0,3
TT làm chai mầu lục xẫm Không hạn định
Oxit titan TiO
2
có trong cát khoảng 0,01 – 0,2% và làm thủy tinh có màu vàng
khi có cả Fe
2
O
3
.
Oxit Crom Cr
2
O
3
rất hiếm thấy trong thành phần của cát, nhưng oxit này có khả

năng gây màu rất mạnh (hơn cả oxit sắt) ngay cả với hàm lượng rất nhỏ , nó làm cho
thủy tinh chuyển sang màu xanh. Ðối với thủy tinh quang học không được chứa lớn
hơn 0,001% oxit crom.
Oxit V
2
O
5
cho thủy tinh có màu ánh xanh.
Kích thước hạt cát và thành phần hạt có ảnh hưởng rất nhiều đến tốc độ nấu và
sự hình thành khuyết tật của thủy tinh. Cát thạch anh tự nhiên có kích thước hạt từ 0,1
đến 2 mm. Các hạt cát lớn (đường kính 0,8 – 2 mm) rất khó nấu hoặc nấu không được
hoàn toàn và đó là nguyên nhân gây ra khuyết tật cho thủy tinh. Cát nhỏ nấu dễ và
nhanh do đó người ta thường dùng loại cát mịn nhưng phải có cỡ hạt đồng đều. Cỡ
hạt cát không đồng đều sẽ gây ra vân, sa thạch, …vì quá trình hòa tan các hạt cát
111
không được đồng đều. Cát nhỏ có nhược điểm là dễ bay bụi và hay lẫn các tạp chất
chứa sắt. Đó là điều cần chú ý trong việc lựa chọn và sử dụng tạp cát như thế nào cho
thích hợp.
Ngoài ra cũng nên chú ý đến hình dáng hạt cát. Loại hạt trơn, tròn thường khó
nấu hơn những hạt có góc cạnh.
Ở Việt Nam có nhiều nơi có cát thạch anh như Cát Bà, Phả Lại, Quảng Bình,
Đà Nẵng…
Cát của nước ta chất lượng tốt, trữ lượng lớn, đó là nguồn nguyên liệu rất quý.
Bên cạnh đó còn có quactsit và một số nham thạch giàu SiO
2
khác nữa có thể sử dụng
để sản xuất thủy tinh các loại.
2. Oxit bor - B
2
O

3
(M= 69,64; khối lượng riêng 1,84 g/cm
3
)
B
2
O
3
là oxit có khả năng tạo thủy tinh. B
2
O
3
thường được đưa vào theo oxit
boric, borax hoặc các khoáng chứa bor khác.
a. Axit boric H
3
BO
3
:
Trong H
3
BO
3
có 56,45% B
2
O
3
và 43,55% H
2
O. H

3
BO
3
có dạng vảy ánh hoặc
dạng tinh thể bé không màu, dễ bay hơi và dễ tan trong nước. Axit boric mất nước trở
thành anhydric boric B
2
O
3
.
b. Borax (hàn the): Na
2
B
4
O
7
.10H
2
O
Chứa 36,65% B
2
O
3
, 16,2% Na
2
O và 47,15H
2
O.
Dễ tan trong nước, Borax cung cấp cho thủy tinh đồng thời hai oxit B
2

O
3
và
Na
2
O.
c. Asarit 2MgO.B
2
O
3
.H
2
O
Chứa từ 19,07 – 40,88% B
2
O
3
, 3,5 – 44,60% MgO và 0,18 – 3,78% R
2
O. Asarit
là nguyên liệu rất rẻ so với axit boric và borax.
Đôi khi người ta còn sử dụng cả Borat canxi CaO.B
2
O
3
.2H
2
O để cung cấp B
2
O

3
cho thủy tinh.
112
Đưa B
2
O
3
vào thủy tinh thay thế Na
2
O sẽ làm hệ số dãn nở nhiệt của thủy tinh
giảm đi, độ bền nhiệt và bền hóa tăng lên. Khi thay SiO
2
bằng B
2
O
3
khuynh hướng kết
tinh của thủy tinh giảm đi, tốc độ nấu tăng lên và thủy tinh được khử bọt tốt hơn.
Những đặc điểm trên làm cho B
2
O
3
trở thành thành phần rất quan trọng của các thủy
tinh kỹ thuật, thủy tinh quang học và một số loại thủy tinh đặc biệt. Ngoài ra B
2
O
3
cũng được đưa vào làm chất rút ngắn quá trình nấu.
3. Oxit nhôm - Al
2

O
3
(M=101,94; khối lượng riêng 3,85 g/cm
3
):
Để sản xuất thủy tinh alumosilicat cao cấp, thủy tinh alumo boro silicat và các
sản phẩm thủy tinh khác có hàm lượng Al
2
O
3
lớn hơn 5%, người ta dùng các nguyên
liệu oxit nhôm kỹ thuật (>99% Al
2
O
3
) hoặc hydrôxyt nhôm Al
2
O
3
.3H
2
O (65,3% và
34,7% nước hydrat). Để sản xuất thủy tinh kỹ thuật, kính cửa và các loại khác, Al
2
O
3
được đưa vào dưới dạng các nguyên liệu thiên nhiên: tràng thạch, pecmatit, cao lanh,
nophelin…
Al
2

O
3
làm giảm khuynh hướng kết tinh của thủy tinh là tăng độ bền cơ học, độ
bền hóa học và độ bền nhiệt, làm giảm hệ số giãn nở của thủy tinh. Thêm Al
2
O
3
vào
thành phần thủy tinh natri canxi tốc độ nấu chậm lại (đặc biệt là ở nhiệt độ thấp), tốc
độ khử bọt cũng giảm đi đồng thời độ nhớt của thủy tinh tăng lên và thủy tinh đóng
rắn nhanh hơn.
Gần đây người ta còn đưa vào thủy tinh các oxyt axit khác như P
2
O
5
(làm đục
thủy tinh và làm thủy tinh photphat); TiO
2
(làm tăng tính chất điện và chiết suất…);
ZrO
2
(làm tăng độ bền hóa, tăng chiết suất, giảm hệ số dãn nở nhiệt, tăng nhiệt độ
chảy mềm…); GeO
2
(tăng độ thấu quang, để chế tạo một số loại thủy tinh cao cấp đặc
biệt); TeO
2
(tăng khả năng cho qua quang phổ hồng ngoại…),
4.5.1.2 Nguyên liệu cung cấp oxit kiềm:
1. Natri oxit – Na

2
O (M=62, khối lượng riêng 2,27 g/cm
3
):
Cùng với SiO
2
, Na
2
O là thành phần quan trọng nhất của thủy tinh công nghiệp:
đưa Na
2
O vào thì hầu hết các tính chất của thủy tinh như tính chất cơ học, tính chất
113
hóa học, tính chất điện…đều giảm đi. Tuy vậy tác dụng quan trọng của Na
2
O là ở chỗ
nó giải quyết được nhiều khó khăn có tính chất công nghiệp như hạ thấp nhiệt độ nấu,
tăng tốc độ hòa tan các hạt cát, tốc độ khử bọt đó hạ thấp nhiệt độ của thủy tinh,…
Nguyên liệu chủ yếu cung cấp Na
2
O cho thủy tinh là soda và sunfat natri.
a. Sođa Na
2
CO
3
:
Có hai loại, sođa kết tinh Na
2
CO
3

.10H
2
O và sođa khan Na
2
CO
3
. Khi đốt nóng
sođa khan phân hủy thành Na
2
O và khí CO
2
tương ứng với tỷ lệ 58,55 và 41,5%.
Trong thực tế người ta thường dùng sođa khan để nấu thủy tinh. Sođa rất dễ hút ẩm,
phải bảo quản ở nơi kín, thoáng gió.
Ngoài sođa nhân tạo, người ta còn dùng sođa thiên nhiên khai thác từ các hồ
chứa sôđa. So với sođa nhân tạo, sođa thiên nhiên chứa nhiều tạp chất hơn (Na
2
SO
4
–
3%, cặn không tan – 6%; mất khi nung – 8%).
b. Sunfat natri Na
2
SO
4
:
Na
2
SO
4

được sử dụng chủ yếu ở dạng khan. Trong thành phần của nó chứa
43,7% Na
2
O và 56,3% SO
3
.
Cũng như sođa, sunfat natri cũng có hai dạng tự nhiên và nhân tạo. Sunfat natri
thiên nhiên thường gặp là khoáng Mirabilit (Na
2
SO
4
.10H
2
O và khoáng ít gặp hơn là
Tenacdit Na
2
SO
4
). Sunfat nhân tạo là sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất hóa
chất. Các nhà máy thủy tinh cần dùng chủ yếu là sunfat natri này. Sunfat natri rất dễ
hút ẩm và vón cục.
Khi dùng Na
2
SO
4
để nấu thủy tinh cần phải dùng cacbon làm chất khử để tạo
điều kiện phân hủy sunfat natri thành dạng sunfua dễ phản ứng hơn. Cacbon được đưa
vào dưới dạng than cốc, than gỗ, antraxit, vỏ bào, mạt cưa…Theo lý thuyết để khử
sunfat natri cần 4,22% cacbon; trong thực tế phải cho vào khoảng 6 – 7% trọng lượng
sunfat.

So sánh việc sử dụng sođa và sunfat natri để cung cấp Na
2
O cho thủy tinh ta
thấy: nấu thủy tinh từ phối liệu chứa sođa đơn giản hơn và kinh tế hơn, trước hết
114
lượng Na
2
O do sođa cung cấp lớn hơn với sunfat. Để đưa vào thủy tinh cùng một
lượng Na
2
O như nhau chỉ cần dùng một lượng sođa nhỏ hơn 25% so với lượng sunfat
cần thiết. Điều này rõ ràng là có tác dụng làm giảm chi phí sản xuất như chi phí vận
chuyển, bảo quản và gia công nghuyên liệu. thứ hai, dùng sođa không cần đến chất
khử như dùng sunfat. Khi dùng sunfat lượng chất khử đưa vào đòi hỏi phải được định
lượng rất chính xác. Nếu thừa chất khử, thủy tinh sẽ dễ bị nhuộm màu vàng nâu, còn
thiếu chất khử sẽ xuất hiện lớp sunfat nóng chảy phân hủy vật liệu chịu lửa xây lò.
Thứ ba, phản ứng giữa SiO
2
và Na
2
SO
4
xảy ra ở nhiệt độ cao hơn, do vậy lò nấu
chóng hỏng hơn và tốn nhiều nhiên liệu hơn. Vì thế hầu như người ta chỉ dùng sođa
để nấu thủy tinh, còn sunfat chỉ được dùng với lượng nhỏ (dưới 5%) để tạo điều kiện
khử bọt dễ dàng. Chỉ trong những điều kiện đặc biệt nào đấy, một số nhà máy thủy
tinh mới dùng sunfat natri làm nguyên liệu cung cấp Na
2
O cho thủy tinh.
2. Oxit kali- K

2
O (M=94,2; khối lượng riêng 2,32 g/cm
3
):
a. Potash K
2
CO
3
:
Trong các nhà máy thủy tinh thường dùng potash khan K
2
CO
3
chứa 58,2% K
2
O
và 31,8% CO
2
. Potash hút ẩm rất mạnh vì vậy phải bảo quản ở nơi khô và thoáng.
Trước khi dùng phải xác định lại hàm ẩm của potash.
b. Hỗn hợp soda potash:
Là sản phẩm phụ của quá trình gia công tinh quặng nefelin, trong đó có chứa
khoảng 5 – 6,2% K
2
O. Tổng hàm lượng K
2
CO
3
và Na
2

CO
3
không nhỏ hơn 93,5%,
Fe
2
O
3
không lớn hơn 0,02%, cặn không tan không lớn hơn 0,2%.
Oxit kali làm giảm khuynh hướng kết tinh của thủy tinh, làm cho thủy tinh ánh
hơn và có sắc thái đẹp hơn. K
2
O được dùng trong sản xuất các loại bình đựng cao cấp,
pha lê, thủy tinh màu, thủy tinh quang học, thủy tinh hóa học và thủy tinh kỹ thuật.
3. Oxyt liti - Li
2
O (M=29,9):
Li
2
O cho vào phối liệu dưới dạng cacbonat Li
2
CO
3
hoặc các khoáng thiên
nhiên, chủ yếu là Lepidolit LiF.KF.Al
2
O
3
.3SiO
2
và Spodumen Li

2
O.Al
2
O
3
.4SiO
2
.
115
Li
2
O được sử dụng trong việc sản xuất một số loại thủy tinh mờ đặc biệt, thủy
tinh kỹ thuật ánh sáng và trong việc chế tạo các sản phẩm Xitan.
Trong thực tế, để đưa oxyt kiềm vào thủy tinh nhiều nơi còn dùng các loại đá
và khoáng chứa kiềm như nefelin trachit…
4.5.1.3 Nguyên liệu cung cấp oxit kiềm thổ:
1. Oxit canxi – CaO (M=56,08; khối lượng riêng 3,2 – 3,4 g/cm
3
):
CaO được đưa vào thủy tinh chủ yếu là từ nguyên liệu đá vôi hoặc đá phấn. Hai
loại nguyên liệu này có thành phần như nhau nhưng trong có một số tính chất và dáng
bên ngoài khác nhau do trong tự nhiên chúng được hình thành từ các điều kiện khác
nhau.
Đá vôi cứng và có nhiều màu sắc khác nhau. Đá phấn mềm hơn, có màu trắng.
các tạp chất sắt titan,…Làm cho đá phấn cũng có nhiều sắc thái khác nhau. Đá vôi, đá
phấn dùng nấu chảy thủy tinh phải có thành phần hóa học cố định và có lượng tạo
chất tối thiểu. khi lựa chọn đá vôi hay đá phấn cũng cần để ý đến lượng oxit sắt trong
thành phần của chúng. Theo quy định đá vôi và đá phấn dùng để nấu các loại thủy
tinh làm bình đựng cao cấp chỉ được phép chứa 0,03% Fe
2

O
3
; với thủy tinh kỹ thuật
0,25; với thủy tinh kính cửa 0,2%.
CaO là một trong những thành phần cơ bản của thủy tinh. Nó giúp cho quá
trình nấu và khử bọt thêm dễ và làm cho thủy tinh chịu đựng được tác dụng hòa học.
2. Oxit manhê - MgO (M=40,32):
Để có MgO các nhà máy thủy tinh thường sử dụng dolomit CaCO
3
.MgCO
3
(ở
dạng tinh khiết chứa 54,3% CaCO
3
; 45,7% MgCO
3
). Chất lượng dolomit và khả năng
sử dụng nó để nấu thủy tinh do hàm lượng MgO quyết định. Theo điều kiện kỹ thuật,
dolomit loại một phải có hàm lượng MgO lớn hơn 19% Cao lớn hơn 30%, tổng FeO +
Fe
2
O
3
không quá 0,15%, lượng cặn không tan không quá 2%.
Ngoài ra cũng có thể dùng manhêzit MaCO
3
, oxyt manhêxit MgO hoặc đá vôi
dolomit hóa để cung cấp MgO cho thủy tinh.
116