Vật liệu đại cương tìm hiểu về Thủy tinh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VÀ VẬT LIỆU

VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG

THỦY TINH
GVHD: TS. NGUYỄN HỌC THẮNG


: Nhóm 8
HỌ VÀ TÊN

MSSV

BÙI TRUNG NGUYÊN

2204162019

NGUYỄN ĐỨC CHUNG

2204162004

NHỮ VĂN NGỌC

2204162018

NGUYỄN VĨNH ÂN

2204162001

I. KHÁI NIỆM,
PHÂN LOẠI, TÍNH
CHẤT

NỘI
DUNG
II. SẢN XUẤT
THỦY TINH
(NGUYÊN LIỆU &
QUY TRÌNH SẢN
XUẤT)

III. NHIỆT
LUYỆN THỦY
TINH (Ủ VÀ TÔI)


I. KHÁI NIỆM
 Thủy tinh là chất vô cơ nóng chảy bị làm quá lạnh về
trạng thái rắn mà không kết tinh.
 Thủy tinh là polyme vô cơ, là chất vô định hình.

a) Tinh thể SiO2

b) Thủy tinh SiO2


THỦY TINH OXYT
Đó là thủy tinh đi từ các

oxyt: B2O3, SiO2, GeO2,
P2O5.
THỦY TINH ĐƠN
NGUYÊN TỬ
…có chứa một loại nguyên
tố hóa thuộc các nguyên tố
nhóm 5,6 trong bảng HTTH
như: S, Se, As và P

I. PHÂN
LOẠI (theo

THỦY TINH HALOGEN
Hai halogen có khả năng tạo
thủy tinh là BeF2 và ZnCl2. Trên
cơ sở BeF2 tạo được nhiều loại
thủy tinh Fluorit.

thành phần và đặc
tính)

THỦY TINH KHANCON
…đi từ các hợp chất của S, Se, Te.
Các sulfid: GeS2, As2S3
Các selenid: As2Se3 , GeSe2 , P2Se3
Các hệ: Ni – Ge – Se ; Mn – Ge – Se ;
Ni – Zn– Se; Ni – Ge – S ; Zn – Ge –
Se.

THỦY TINH HỖN HỢP

Đi từ hỗn hợp các chất có khả năng tạo thủy tinh:
+ Oxyt – Hal : PbO- ZnF2 –TeO2 ; ZnCl2- TeO2
+ Oxyt – Khancon : Sb2O3 – As2S3 ; As2S3 – As2O3–
MemOn ( MemOn : Sb2O3, PbO, CuO)
+ Hal – Khancon: As – S –Cl; As – S – Br; As – S –
I ; As – Te – I; As - S -Cl –Br –I


1. NHÓM CÁC TÍNH CHẤT ĐƠN GIẢN

I. TÍNH
CHẤT
CỦA
THỦY
TINH

Gồm những tính chất có quy luật biến đổi theo thành
phần hóa không phức tạp lắm và có thể tính toán
định lượng được. Như khối lượng riêng, chiết suất,
hệ số giãn nở nhiệt, hằng số điện môi, mô đun đàn
hồi, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, độ tán xạ trung
bình.

2. NHÓM CÁC TÍNH CHẤT PHỨC TẠP
Gồm các tính chất biến đổi nhạy hơn theo sự biến đổi
của thành phần hóa. Chúng phụ thuộc phức tạp vào
thành phần hóa và không tính toán định lượng được. Đó
là độ nhớt, sức căng bề mặt, độ bền hóa, độ dẫn điện, độ
dẫn nhiệt, tốc độ khuếch tán ion, độ tổn thất điện môi,
độ thấu quang, độ cứng, khả năng kết tinh. Độ bền cơ

học của thủy tinh được coi là thuộc một nhóm đặc biệt.


2.1 ĐỘ NHỚT
• Độ nhớt là đại lượng đặc trưng dùng đánh giá mức trượt tương
đối giữa hai lớp chất lỏng.
• Đặc điểm của hệ tạo thủy tinh là có độ nhớt rất lớn. Ở nhiệt độ
nấu cao nhất độ nhớt của thủy tinh lớn gấp 10.000 lần độ nhớt
của nước ở 200C.
• Trong thực tế sản xuất, sự biến đổi độ nhớt của thủy tinh theo
nhiệt độ có ý nghĩa rất quan trọng.
• Độ nhớt thay đổi bởi 2 yếu tố là nhiệt độ và thành phần hóa
của thủy tinh.

Sự chuyển động tương đối giữa các lớp chất lỏng


2.2 SỨC CĂNG BỀ MẶT
• Sức căng bề mặt là năng lượng cần thiết để tạo một đơn vị
bề mặt phân chia pha (dyn/cm; erg/cm2; j/m2).
• Sức căng bề mặt ảnh hưởng tới khả năng kết tinh, ảnh
hưởng đến sự tạo bọt và khử bọt khi nấu, quá trình tạo sợi
thủy tinh, sự liên kết xương – men gốm, ảnh hưởng đến sự
kết khối của pha lỏng,…..
• Sức căng bề mặt là vấn đề đặc biệt quan trọng trong tạo
hình thủy tinh không dùng khuôn.
• Thành phần hóa và nhiệt độ là 2 yếu tố ảnh hưởng nhất đến
sức căng bề mặt của thủy tinh.

2.3 ĐỘ BỀN HÓA
•
•
•
•
•
•

•

Độ bền hóa của thủy tinh là khả năng chịu đựng sự tác dụng của các tác nhân
hóa học như nước, axit , kiềm…
Mỗi loại thủy tinh có độ bền hóa tùy thuộc vào thành phần và điều kiện phá hủy.
Loại thủy tinh silicat có độ bền hóa tăng lên khi thay thế các cấu tử oxyt kiềm
bằng oxyt kiềm thổ hoặc khi đưa vào thủy tinh các oxyt hóa trị 3,4.
Các silicat Zn, Be, Cd có độ bền nước khá cao; silicat Mg và Sr kém bền hơn,
còn silicat Pb, Ba rất kém bền.
Silicat Zircon, các Alumosilicat và Borosilicate (với B 2O3 <12%) có độ bền nước
rất cao.
Các loại thủy tinh có hàm lượng kiềm thấp, kiềm thổ vừa phải thì có độ bền axit
khá cao. Thủy tinh chứa TiO2, ZrO2, Al2O3 đặc biệt bền axit.
Độ bền kiềm của thủy tinh rất khó nâng cao, nhất là khi môi trường kiềm có
nồng độ lớn. Các oxyt BaO, MgO, TiO2, PbO làm giảm độ bền kiềm. Oxyt
Al2O3, đặc biệt là ZrO2 làm tăng độ bền kiềm.
Nước có tác dụng đặc biệt mạnh ở nhiệt độ lớn hơn 1000C.


2.4 ĐỘ DẪN ĐIỆN
• Thủy tinh dẫn điện bằng các ion.
• Tính dẫn điện phụ thuộc vào thành phần hóa,

nhiệt độ và độ ẩm trên bề mặt.
• Ở nhiệt độ thấp thủy tinh không dẫn điện và
được sử dụng làm vật liệu cách điện.
• Ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ mềm thủy tinh trở
nên dẫn điện. Vì thế có thể nấu thủy tinh bằng
dòng điện.


2.5 ĐỘ DẪN NHIỆT
• Thủy tinh là loại vật liệu dẫn nhiệt tương đối
kém hơn so với các vật liệu khác.
• Sự dẫn nhiệt của thủy tinh chỉ do sự dao động
mạng lưới cấu trúc quyết định
• Ở vùng nhiệt độ thấp (T < 5000C), hệ số dẫn
nhiệt ít phụ thuộc vào nhiệt độ
• Ở vùng nhiệt độ cao ( T > 500 0C), hệ số dẫn
nhiệt tăng rất mạnh do xảy ra cơ chế truyền nhiệt
bằng bức xạ.


2.6 TÍNH CHẤT QUANG
Là vật liệu trong suốt nên thủy tinh dùng trong chiếu sáng và
làm các linh kiện quang học.
2.6.1 CHIẾT SUẤT VÀ ĐỘ TÁN SẮC:
• Chiết suất và độ tán sắc phụ thuộc vào thành phần hóa.
• Các kim loại nặng như Pb, Ba, Sb làm tăng chiết suất và
độ tán sắc.
• Thủy tinh tôi có chiết suất nhỏ hơn thủy tinh ủ có cùng
thành phần hóa.
• Người ta có thể dùng phương pháp gia công nhiệt để điều

chỉnh chiết suất và số Abbeovo của thủy tinh quang học
đến tiêu chuẩn yêu cầu.


2.6.2 SỰ PHẢN XẠ ÁNH SÁNG:
• Khi ánh sáng đi từ môi trường này sang môi trường khác, một phần ánh
sáng bị phản xạ ở trên bề mặt phân cách giữa 2 môi trường ngay cả khi
2 môi trường đều trong suốt
• Trong các hệ thống quang học phức tạp ( kính hiển vi, kính thiên văn…)
có chứa nhiều thấu kính, lăng kính, sự tổn thất do phản xạ có thể đến 7580% lượng ánh sáng tới.
• Để khắc phục hiện tượng này người ta tìm cách giảm hệ số phản xạ bằng
cách phủ lên các chi tiết quang học bằng thủy tinh một màng mỏng có
chiều dày bằng ¼λ của tia tới và có chiết suất bằng căn bậc 2 chiết suất của
thủy tinh. Ngược lại, muốn tăng hệ số phản xạ chỉ việc phủ lên bề mặt thủy
tinh lớp màng có chiết suất lớn hơn chiết suất của thủy tinh.


2.6.3 SỰ HẤP THỤ ÁNG SÁNG CỦA THỦY TINH
Thủy tinh hấp thụ ánh sáng có chọn lọc nên nó có những
màu sắc khác nhau.
Thực tế người ta thấy rằng:
⁕ Với tia tử ngoại: Thủy tinh thạch anh cho qua mạnh nhất. Thủy
tinh thường cho qua nhiều hay ít phụ thuộc vào lượng Fe 2O3.
Oxyt Fe2O3 có tác dụng hấp thụ tia tử ngoại tốt nếu kết hợp với
TiO2, CeO2, V2O5. Thủy tinh không màu chứa PbO, Sb2O3 hút tia
tử ngoại.
⁕ Với tia hồng ngoại: Thủy tinh thạch anh và thủy tinh chứa nhiều
FeO hấp thụ mạnh.
⁕ Với tia rơnghen X: Thủy tinh chứa các oxyt kim lọai nặng như
PbO hút tốt.

⁕ Trong kỹ thuật hạt nhân để hấp thụ neutron dùng thủy tinh chứa
CdO và B2O3.


2.6.4 HIỆN TƯỢNG LƯỠNG CHIẾT VÀ HIỆN TƯỢNG
HUỲNH QUANG:

• Bình thường thủy tinh là vật thể đẳng hướng quang học
nhưng khi có lực cơ học tác dụng hoặc khi trong nó có ứng
suất nội (do làm lạnh nhanh hay đốt nóng nhanh), thủy tinh
sẽ trở thành vật thể bất đẳng hướng và có tính lưỡng chiết.
Khi ứng suất được loại trừ thì tính lưỡng chiết cũng biến mất.
• Có nhiều loại thủy tinh khi chịu tác dụng của tia tử ngoại, tia
rơnghen hoặc các tia dặc biệt khác có thể phát ra ánh sáng.
Hiện tượng phát sáng này gọi là hiện tượng huỳnh quang của
thủy tinh.


I. KHÁI NIỆM,
PHÂN LOẠI, TÍNH
CHẤT

NỘI
DUNG
II. SẢN XUẤT
THỦY TINH
(NGUYÊN LIỆU &
QUY TRÌNH SẢN
XUẤT)

III. NHIỆT
LUYỆN THỦY
TINH (Ủ VÀ TÔI)


NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THỦY TINH
1. NL CUNG CẤP OXYT ACID
NHÓM NGUYÊN
LIỆU CHÍNH

2. NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
3. NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
THỔ

NGUYÊN
LIỆU

1.
2.
3.
4.
5.
NHÓM NGUYÊN
LIỆU PHỤ

CHẤT NHUỘM MÀU
CHẤT KHỬ MÀU
CHẤT KHỬ BỌT
CHẤT OXY HÓA - CHẤT KHỬ
CHẤT TĂNG NHANH QUÁ

TRÌNH NẤU
6. CHẤT GÂY ĐỤC
7. MẢNH THỦY TINH
8. NƯỚC


NGUYÊN LIỆU CHÍNH
NHÓM NGUYÊN
LIỆU

CUNG
CUNG
CẤP
CẤP
OXYT
OXYT
ACID
ACID

TÊN NL

VAI TRÒ

NGUỒN CUNG CẤP

SiO
SiO22

Là khung cơ bản của thủy
tinh công nghiệp thông

thường. Cung cấp cho thủy
tinh độ bền cơ, bền nhiệt và
bền hóa.

Cát thạch anh, quartzite, pha lê
thiên nhiên, các dạng vô định
hình như Opan (SiO22.nH22O),
Diatomite.

B 2O3
B 2O3

Al2O3
Al2O3

Cung cấp cho thủy tinh độ bền Từ acid boric: H3BO3 :
Cung
cho bền
thủyhóa.
tinh độ bền
cơ, bềncấp
nhiệt,
cơ,
bền nhiệt,
Ở nhiệt
độ caobền
B2hóa.
O làm giảm
Ở nhiệt độ cao B2O33 làm giảm
sức căng bề mặt và độ nhớt

sức
độ nhớt
thuậncăng
lợi bề
chomặt
quávàtrình
khử Từ borax Na2B4O7.10 H2O
thuận
lợităng
cho nhanh
quá trình
khử (hàn the)
bọt, làm
quá trình
bọt,
nấu. làm tăng nhanh quá trình
nấu.
Oxyt nhôm kỹ thuật (Al2O3 >
Tăng chất lượng thủy tinh
Oxyt
Tăng chất lượng thủy tinh
99%).nhôm kỹ thuật (Al2O3 >
Hydroxide nhôm Al2O3.3H2O
99%).
Hydroxide
nhôm
Al2O3.3H
(65.3% Al2O
H2O).
2O

3 và 34.7%
(65.3%
34.7% H2O).
Tốt nhấtAl
là2O
tràng
3 và thạch.
Tốt nhất là tràng thạch.


Pha lê

Diatomite

SiO2

Opan

Quartzite


B2O3
Borax
(hàn the)

Tràng
thạch

Al2O3

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THỦY TINH
1. NL CUNG CẤP OXYT ACID
NHÓM NGUYÊN
LIỆU CHÍNH

2. NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
3. NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
THỔ

NGUYÊN
LIỆU

1.
2.
3.
4.
5.
NHÓM NGUYÊN
LIỆU PHỤ

CHẤT NHUỘM MÀU
CHẤT KHỬ MÀU
CHẤT KHỬ BỌT
CHẤT OXY HÓA - CHẤT KHỬ
CHẤT TĂNG NHANH QUÁ
TRÌNH NẤU
6. CHẤT GÂY ĐỤC
7. MẢNH THỦY TINH
8. NƯỚC

NGUYÊN LIỆU CHÍNH
NHÓM
NGUYÊN LIỆU

TÊN NL

Na2O

CUNG
CẤP
OXYT
KIỀM

K2O

Li2O

VAI TRÒ

Hạ thấp nhiệt độ nấu, tăng tốc
độ hòa tan các hạt cát, tăng tốc
độ khử bọt do hạ thấp độ nhớt
của thủy tinh.
Tác dụng của K2O giống như
Na2O nhưng tốt hơn.
K2O làm giảm khả năng kết
tinh của thủy tinh, làm cho thủy
tinh ánh hơn và sắc thái đẹp

hơn.
Muối Liti làm tăng nhanh quá
trình nấu, tạo pha lỏng sớm và
hạ nhiệt độ nấu thủy tinh.

NGUỒN CUNG CẤP
Cacbonat Natri Na2CO3
(Soda) (chủ yếu)
Sulfate Natri Na2SO4
Nguyên liệu cung cấp K2O
chủ yếu là Potas khan
(K2CO3) chứa 68.2% K2O và
31.8% CO2. Potas đắt gấp 3
lần soda.
Li2O cho vào phối liệu dưới
dạng cacbonat Li2CO3 (nóng
chảy ở 618oC) hoặc các
khoáng thiên nhiên chủ yếu là
Lepidolit
(LiF.KF.Al2O3.3SiO2) và
Spodumen
(Li2O.Al2O3.4SiO2).


Lepidolit

Li2O

Spodumen

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THỦY TINH
1. NL CUNG CẤP OXYT ACID
NHÓM NGUYÊN
LIỆU CHÍNH

2. NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
3. NL CUNG CẤP OXYT KIỀM
THỔ

NGUYÊN
LIỆU

1.
2.
3.
4.
5.
NHÓM NGUYÊN
LIỆU PHỤ

CHẤT NHUỘM MÀU
CHẤT KHỬ MÀU
CHẤT KHỬ BỌT
CHẤT OXY HÓA - CHẤT KHỬ
CHẤT TĂNG NHANH QUÁ
TRÌNH NẤU
6. CHẤT GÂY ĐỤC
7. MẢNH THỦY TINH
8. NƯỚC

NGUYÊN LIỆU CHÍNH
NHÓM
NGUYÊN LIỆU

TÊN NL

CaO

CUNG
CẤP
OXYT
KIỀM
THỔ

MgO

BaO

VAI TRÒ

NGUỒN CUNG CẤP

Giúp giảm nhiệt độ nấu, làm cứng CaO đưa vào thủy tinh dưới
thủy tinh kiềm và khử bọt thêm dễ dạng đá vôi hoặc đá phấn
dàng, làm cho thủy tinh chịu được (CaCO3)
tác dụng hóa học, tăng độ bóng của
thủy tinh.

Giúp phối liệu nóng chảy dễ hơn, Thường sử dụng dolomite
giảm khả năng kết tinh, giảm CaCO3.MgCO3
Magnesite (MgCO3) làm
nhiệt độ nấu, hấp ủ dễ hơn.
nguyên liệu cung cấp MgO.
Tuy nhiên, so với Dolomite,
magnesite là nguyên liệu
hiếm và đắt tiền hơn.

Tăng độ tán sắc ánh sáng, tăng Từ BaCO3 tồn tại dưới dạng
chiết suất, tăng trọng lượng khoáng Viterit
BaSO4 rất ít được sử dụng vì
riêng, rút ngắn quá trình nấu
nó rất khó phân hủy
Ba(NO3)2