bài giảng công nghệ sản xuất thủy tinh

 Các nguyên tố tạo thủy tinh nằm trong nhóm V và VI của bảng tuần hoàn.. 5- Thủy tinh hỗn hợp Loại thủy tinh được tổng hợp từ hỗn hợp các hợp chất có khả năng tạo thủy tinh có dạng kh

11

TRẠNG THÁI THỦY TINH:

LỎNG THƯỜNG

LỎNG KẾT TINH

RẮN TINH THỂ

RẮN VĐH

Thủy tinh là vật thể rắn

vô cơ vô đị đị nh h nh h ình

Các đặc điểm

1- Có tính đẳng hướng

 2- Khơng cĩ nhi t ơng cĩ nhi t ệ độ ệ độ nĩng ch y xác nh nĩng ch y xác nh ả ả đị đị

 3- Cĩ th nĩng ch y và ĩng r n thu n ĩ th nĩng ch y và ĩng r n thu n ể ể ả ả đ đ ắ ắ ậ ậ

ngh ch ị

ngh ch ị

4- D tr n ng l 4- D tr n ng l ự ữ ă ự ữ ă ượ ượ ng c a v t th ng c a v t th ủ ủ ậ ậ ể ở 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

PHÂN LOẠI CÁC THỦY TINH VƠ CƠ

1. THU TINH THU TINH Ỷ Ỷ ĐƠ ĐƠ N NGUYÊN T : N NGUYÊN T : Ử Ử

 Là thủy tinh chỉ chứa có một nguyên tố hóa

học.

 Các nguyên tố tạo thủy tinh nằm trong nhóm V

và VI của bảng tuần hoàn.

 Người ta đã tạo được thủy tinh lưu huỳnh, thủy

tinh selen, thủy tinh asen, thủy tinh photpho

2 TH Y TINH OXIT: Ủ

2 TH Y TINH OXIT: Ủ

Nhi u oxit là c u t ch y u trong thành ph n th y i u oxit là c u t ch y u trong thành ph n th y ề ề ấ ử ấ ử ủ ế ủ ế ầ ầ ủ ủ

tinh: B2O3, SiO2, GeO2, P2O5

Nhiều oxit chỉ có thể tạo thành thủy tinh trong điều kiện làm lạnh thật nhanh, các mẫu thật nhỏ

(As2O3, Sb2O3, TeO2, V2O5)

có những oxit liên hợp với những cấu tử khac (Al2O3,

Ga2O3, Bi2O3, TiO2, MoO3, WO3)

Thực tế, có nhiều thủy tinh chứa đồng thời hai hoặc

ba oxit tạo thủy tinh.

3- Thủy tinh Halogen

G m: BeF G m: BeF ồ ồ 2 và ZnCl2

4- Thủy tinh Khancon:

Các thủy tinh tạo ra trên cơ sở các hệ As-S,

As-Se, P-Se, và Ge-Se.

5- Thủy tinh hỗn hợp

Loại thủy tinh được tổng hợp từ hỗn hợp các hợp

chất có khả năng tạo thủy tinh có dạng khác

nhau, ví dụ: thủy tinh oxit- halogen; oxit-

khancon; khancon- halogen….

Các loại thủy tinh

CẤU TRÚC CỦA THỦY TINH

Có 4 thuy t chính: ó 4 thuy t chính: ế ế

1-Thuy t c u trúc vi tinh c a Lêbê ép ế ấ ủ đ

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 độ phân tán cao (vi tinh thể) trong đó chủ yếu là các vi tinh thể thạch anh”.

Gi thuy t c u trúc nhĩm: ả ế ấ

Gi thuy t c u trúc nhĩm: ả ế ấ Thủy tinh không phải là một hệ hoàn toàn đồng nhất

Mà g m nh ng h vi d th v i nhau à g m nh ng h vi d th v i nhau. ồ ồ ữ ữ ệ ệ ị ị ể ớ ể ớ

Giả thuyết cấu trúc polymer

 Thủy tinh là polymer vô cơ

 Tương tự các polyme, hai nhóm tính chất :

- Nhóm t/c phụ thuộc mạch polymer : độ dài và độ bền vững của cấu trúc sợi, tính lưỡng chiết, không có điểm nóng chảy cố định, khi chảy tạo hỗn hợp lỏng có độ nhớt

cao

- Nhóm t/c phụ thuộc ion biến tính : tính dẫn điện, độ bền hóa và độ bền cơ

Các yếu tố ảnh hưởng

 Oxit t o th y tinh: SiO Oxit t o th y tinh: SiO ạ ạ ủ ủ 2, B2O3, GeO2, P2O5.

 Có giá tr Có giá tr ị độ ị độ âm i n trung bình âm i n trung bình đ ệ đ ệ

 Các oxit có bán kính cation nh (s ph i trí t có bán kính cation nh (s ph i trí ỏ ố ỏ ố ố ố

nh ) t o th y tinh ỏ ạ ủ

nh ) t o th y tinh ỏ ạ ủ

 Các oxit có bán kính cation l n, hóa tr nh t có bán kính cation l n, hóa tr nh ớ ớ ị ị ỏ ỏ

(MgO, CaO,… Li2O, Na2O,…) không t o th y không t o th y ạ ạ ủ ủ tinh

ĐỘ NHỚT VÀ QUÁ TRÌNH TẠO

THỦY TINH (tt):

Lực tương tác và vai trò trong cấu

trúc của các ion trong thủy tinh

™

Hình: ảnh hưởng của Na 2 O đến mạng lưới thủy tinh silica.

Na + là ion biến tính

Additions of soda (Na 2 0) to silica dramatically reduce the melting temperature of silica, by forming eutectics.

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 c ủ ấ ạ ẫ ụ

Th y tinh có c u trúc m ng ng u nhiên liên t c ủ ấ ạ ẫ ụ

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 thấy rằng các nguyên tắc và các kiểu của hoá học tinh thể cũng áp 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 ng Quá trình x y ra khi làm l nh ch t l ng ả ả ạ ạ ấ ỏ ấ ỏ

 S k t tinh và s t o thành th y tinh S k t tinh và s t o thành th y tinh ự ế ự ế ự ạ ự ạ ủ ủ

Quy trình cơ bản

Nguyên liệu thô (chính, phụ)

Gia công nguyên liệu

CânPhối liệuCân nhập liệu vào lò

NấuTạo hình Xử lý nhiệtKiểm traThành phẩm

VÀ PHỐI LIỆU

PHÂN NHÓM NGUYÊN LIỆU

• Nhóm nguyên liệu chính Nhóm nguyên liệu chính là những thành phần

cơ bản để tạo ra các loại thủy tinh.

• Nhóm nguyên liệu phụ Nhóm nguyên liệu phụ gồm các hợp chất hóa

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

thủy tinh hoặc rút ngắn quá trình nấu…

NHÓM NGUYÊN LIỆU CHÍNH

tạo thủy tinh

b- Nguyên liệu cung cấp oxit Bor

NHÓM NGUYÊN LIỆU CHÍNH

c- Nguyên liệu cung cấp Al 2 O 3

Tràng thạch, pecmatic, cao lanh, nhephelin…

Oxit nhôm kỹ thuật (>99% Al 2 O 3 ) hoặc hydro oxit

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 quang phổ hồng ngoại…)

NHÓM NGUYÊN LIỆU CHÍNH

2- Nguyên liệu cung cấp oxit kiềm

a- Nguyên liệu cung cấp oxit natri Na 2 O

* Sôđa: Na2CO3

* Sunfat natri Na2SO4

Nấu thủy tinh từ phối liệu chứa sôđa đơn giản hơn và kinh tế hơn

b- Nguyên liệu cung cấp oxit kali K 2 O

* Potat K2CO3 (hút ẩm rất mạnh)

* Hỗn hợp sôđa potat

c- Nguyên liệu cung cấp oxit Liti: Li 2 O

Li2CO3 hoặc các khoáng thiên nhiên (Spođumen Li2O.Al2O3.4SiO2)

NGUYÊN LIỆU CUNG C P Ấ

a- Nguyên liệu cung cấp oxit canxi CaO

* đá vôi hoặc đá phấn

b- Nguyên liệu cung cấp MgO

manhêzi MgO

–0,5% BaO

NHÓM NGUYÊN LIỆU CHÍNH

* Oxit chì PbO

khử bọt

oxit

ZnO còn dùng làm chất gây đục.

NHÓM NGUYÊN LIỆU PHỤ

1- Chất nhuộm màu

a- Các chất nhuộm màu phân tử

Thường là các hợp chất của mangan (tím), coban (xanh), crom

(lục vàng), niken (khói, tím đỏ), sắt (Fe 2 O 3 làm cho thủy tinh có màu từ vàng đến hung, FeO làm cho thủy tinh có màu lục xanh,

Fe 3 O 4 nhuộm thủy tinh thành màu lục), đồng (hóa trị 2: xanh lam), các nguyên tố hiếm.

b- Chất nhuộm màu keo khuyếch tán:

Các chất nhuộm màu keo khuyếch tán thường dùng là hợp chất selen, vàng, bạc đồng và các sunfat selenic.

2- Chất khử màu

(Fe 2+ có khả năng gây màu mạnh hơn Fe 3+ đến mười lần)

*Phương pháp khử màu hóa học (được dùng khi tổng hàm lượng FeO +Fe 2 O 3 không vượt quá 0,06%) chuyển toàn bộ sắt thành oxit sắt ba

*phương pháp khử màu vật lyù (0,08%) thực chất lại là đưa vào thủy tinh một chất nhuộm màu khác, có khả năng tạo ra màu phụ với màu do sắt gây ra

NHÓM NGUYÊN LIỆU PHỤ

3- Chất oxy hóa và chất khử

Các chất oxy hóa thường dùng là các muối nitrat, hợp chất asenic, peoxit mangan và các chất khác Những Chất khử cacbon (mạt cưa, than đá, than cốc…) tactrat kaliaxit và hợp chất thiếc

4- Chất gây đục

Thủy tinh đục (không trong suốt) có được nhờ việc đưa vào phối liệu các hợp chất fluo, photpho, hoặc đôi khi là hợp chất antimoan hoặc hợp chất thiếc

5- Chất khử bọt

Các chất khử bọt thường dùng là nitrat, trioxit asenic và antimoan Đioxit ceri, sunfat natri, các muối fluo và amoni…

6- Chất rút ngắn quá trình nấu

Đó là các hợp chất fluo, muối amoni, clorua natri, oxit bor, oxit bari, các nitric

GIA CÔNG NGUYÊN LIỆU

1- Gia công cát

Thường bao gồm các công việc làm giàu, sấy và sàng Những loại cát có hàm lượng oxit sắt dưới mức cho phép thì không cần phải làm giàu.

a- Làm giàu cát

* Phương pháp rửa

* Phương pháp xát

* Phương pháp tuyển nổi: \

* Phương pháp tuyển nổi và xát liên hợp

* Phương pháp phân ly điện từ

* Phương pháp hóa học

b- Sấy cát (khi độ ẩm lớn hơn 4,5%)

c- Sàng cát ( 81 lỗ trên 1 cm2)

GIA CÔNG NGUYÊN LIỆU

đôlômit, tràng thạch).

đập –sấy –nghiền mịn –sàng phân ly –khử từ.

đến 40 –50%, vì thế phải sấy rồi mới nghiền và sàng được.

5- Gia công mảnh thủy tinh

PHỐI LIỆU

liệu đã chuẩn bị và được cân chính xác theo đơn đãû cho.

chính xác khi cân, chất lượng và thời gian trộn,

phương pháp vận chuyển và bảo quản phối liệu là các yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp đến độ đồng nhất của phối liệu

II NAÁU THUÛY TINH

CÁC GIAI ĐOẠN CƠ BẢN CỦA

QUÁ TRÌNH NẤU THỦY TINH

• Quá trình n u th y tinh có th chia ra làm n m giai đo n Quá trình n u th y tinh có th chia ra làm n m giai đo n ấ ấ ủ ủ ể ể ă ă ạ ạ

khác nhau: t o silicat, t o th y tinh, kh b t, đ ng nh t ạ ạ ủ ử ọ ồ ấ

V i ph i li u ba c u t (silic oxit, đá vôi và sô đa) có th mô t ớ ố ệ ấ ử ể ả

V i ph i li u ba c u t (silic oxit, đá vôi và sô đa) có th mô t ớ ố ệ ấ ử ể ả

trình t t o silicat theo các giai đo n nh sau: ự ạ ạ ư

• - T o cacbonat kép CaNa - T o cacbonat kép CaNa ạ ạ 2(CO3)2 380oC <600oC

CaNa2(CO3)2 + 2SiO2 = Na2SiO3 + CaSiO3 600 –830oC

• - T o silicat CaO + SiO - T o silicat CaO + SiO ạ ạ 2 =>CaSiO3 1010 1010 ở ở oC

Giai đoạn tạo silicat

Phản ứng trong phối liệu sunfat

• Sau khi t o silicat trong h n h p nóng ch y m i t o Sau khi t o silicat trong h n h p nóng ch y m i t o ạ ạ ỗ ỗ ợ ợ ả ả ớ ạ ớ ạ

thành còn nhi u h t cát ch a tan h t V i các th y tinh ề ạ ư ế ớ ủ

công nghi p thông th ng l ng cát còn l i kho ng ệ ườ ượ ạ ả

25% Giai đo n t o th y tinh chính là giai đo n hòa tan các ạ ạ ủ ạ

• T c đ t o th y tinh ph thu c vào tính ch t c a h t cát, tính ch t T c đ t o th y tinh ph thu c vào tính ch t c a h t cát, tính ch t ố ộ ạố ộ ạ ủủ ụụ ộộ ấ ủấ ủ ạạ ấấ

c a h n h p nóng ch y và ph thu c c vào các đi u ki n bên ngoài ủ ỗ ợ ả ụ ộ ả ề ệ

c a h n h p nóng ch y và ph thu c c vào các đi u ki n bên ngoài ủ ỗ ợ ả ụ ộ ả ề ệ

c ng nh t c đ trao đ i dung môi xung quanh ch t hòa tan.ũ ư ố ộ ổ ấ

c ng nh t c đ trao đ i dung môi xung quanh ch t hòa tan.ũ ư ố ộ ổ ấ

2- Giai đoạn tạo thủy tinh

• Trong giai đo n t o silicat và c trong giai đo n t o th y tinh có r t nhi u s n Trong giai đo n t o silicat và c trong giai đo n t o th y tinh có r t nhi u s n ạ ạ ạ ạ ả ả ạ ạ ạ ạ ủ ủ ấ ấ ề ề ả ả

ph m khí hình thành Ph n l n các khí đó đi vào không gian lò, ph n còn l i n m ẩ ầ ớ ầ ạ ằ

ph m khí hình thành Ph n l n các khí đó đi vào không gian lò, ph n còn l i n m ẩ ầ ớ ầ ạ ằ

trong th y tinh d ng khí hòa tan ho c d ng b t nhìn th y đ c ủ ở ạ ặ ở ạ ọ ấ ượ

trong th y tinh d ng khí hòa tan ho c d ng b t nhìn th y đ c ủ ở ạ ặ ở ạ ọ ấ ượ

• Ngoài khí c a ph i li u còn có c khí t môi tr ng lò đi vào th y tinh Quá trình Ngoài khí c a ph i li u còn có c khí t môi tr ng lò đi vào th y tinh Quá trình ủ ủ ố ệ ố ệ ả ả ừ ừ ườ ườ ủ ủ này ph thu c vào thành ph n ph i li u và th y tinh, vào nhi t đ c a kh i th y ụ ộ ầ ố ệ ủ ệ ộ ủ ố ủ

này ph thu c vào thành ph n ph i li u và th y tinh, vào nhi t đ c a kh i th y ụ ộ ầ ố ệ ủ ệ ộ ủ ố ủ

tinh l ng và vào áp l c c ng nh thành ph n môi tr ng khí trên b m t th y tinh ỏ ự ũ ư ầ ườ ề ặ ủ

tinh l ng và vào áp l c c ng nh thành ph n môi tr ng khí trên b m t th y tinh ỏ ự ũ ư ầ ườ ề ặ ủ

• Trong giai đo n kh b t s trao đ i khí s x y ra r t ph c t p và th ng Trong giai đo n kh b t s trao đ i khí s x y ra r t ph c t p và th ng ạ ạ ử ọ ự ử ọ ự ổ ổ ẽ ả ẽ ả ấ ấ ứ ạ ứ ạ ườ ườ bao g m nhi u quá trình thu n ngh ch nh : quá trình chuy n v n khí t th y ồ ề ậ ị ư ể ậ ừ ủ

bao g m nhi u quá trình thu n ngh ch nh : quá trình chuy n v n khí t th y ồ ề ậ ị ư ể ậ ừ ủ

tinh vào b t và ra môi tr ng lò; quá trình chuy n v n khí t b t ra môi tr ng lò ọ ườ ể ậ ừ ọ ườ

tinh vào b t và ra môi tr ng lò; quá trình chuy n v n khí t b t ra môi tr ng lò ọ ườ ể ậ ừ ọ ườ

và tan l i vào th y tinh; quá trình khu ch tán khí t môi tr ng lò vào kh i th y ạ ủ ế ừ ườ ố ủ

và tan l i vào th y tinh; quá trình khu ch tán khí t môi tr ng lò vào kh i th y ạ ủ ế ừ ườ ố ủ

tinh.

• C c u c a giai đo n kh b t chính là vi c thi t l p cân b ng c a các quá trình C c u c a giai đo n kh b t chính là vi c thi t l p cân b ng c a các quá trình ơ ấ ơ ấ ủ ủ ạ ạ ử ọ ử ọ ệ ệ ế ậ ế ậ ằ ằ ủ ủ thu n ngh ch đó Nhân t quy t d nh chi u h ng c a quá trình là áp su t h i riêng ậ ị ố ế ị ề ướ ủ ấ ơ

thu n ngh ch đó Nhân t quy t d nh chi u h ng c a quá trình là áp su t h i riêng ậ ị ố ế ị ề ướ ủ ấ ơ

ph n c a các s n ph m khí tham gia vào vi c t o thành và kh b t ầ ủ ả ẩ ệ ạ ử ọ

ph n c a các s n ph m khí tham gia vào vi c t o thành và kh b t ầ ủ ả ẩ ệ ạ ử ọ

3- Giai đoạn khử bọt

• Sau quá trình t o silicat và t o th y tinh, kh i th y tinh nóng ch y Sau quá trình t o silicat và t o th y tinh, kh i th y tinh nóng ch y ạạ ạạ ủủ ốố ủủ ảả

đ c hình thành Do nhi u nguyên nhân khác nhau nh kích th c các ượ ề ư ướ

đ c hình thành Do nhi u nguyên nhân khác nhau nh kích th c các ượ ề ư ướ

h t ph i li u không đ ng đ u, các lo i nguyên li u không phân b ạ ố ệ ồ ề ạ ệ ố

h t ph i li u không đ ng đ u, các lo i nguyên li u không phân b ạ ố ệ ồ ề ạ ệ ố

th t đ ng đ u trong ph i li u, do s bay h i và ph n ng không ậ ồ ề ố ệ ự ơ ả ứ

th t đ ng đ u trong ph i li u, do s bay h i và ph n ng không ậ ồ ề ố ệ ự ơ ả ứ

đ ng đ u…mà kh i th y tinh l ng đó ch a th t đ ng nh t v m t ồ ề ố ủ ỏ ư ậ ồ ấ ề ặ

đ ng đ u…mà kh i th y tinh l ng đó ch a th t đ ng nh t v m t ồ ề ố ủ ỏ ư ậ ồ ấ ề ặ

thành ph n hóa h c S không đ ng nh t đó bi u hi n ch có ầ ọ ự ồ ấ ể ệ ở ỗ

thành ph n hóa h c S không đ ng nh t đó bi u hi n ch có ầ ọ ự ồ ấ ể ệ ở ỗ

nh ng vùng th y tinh có thành ph n khác nhau và đi u đó d n đ n m t ữ ủ ầ ề ẩ ế ộ

nh ng vùng th y tinh có thành ph n khác nhau và đi u đó d n đ n m t ữ ủ ầ ề ẩ ế ộ

d ng khuy t đi m c a các s n ph m th y tinh g i là vân Vì th , đ ạ ế ể ủ ả ẩ ủ ọ ế ể

d ng khuy t đi m c a các s n ph m th y tinh g i là vân Vì th , đ ạ ế ể ủ ả ẩ ủ ọ ế ể

có kh i th y tinh t t c n ph i ti n hành đ ng nh t hoá t c là làm ố ủ ố ầ ả ế ồ ấ ứ

có kh i th y tinh t t c n ph i ti n hành đ ng nh t hoá t c là làm ố ủ ố ầ ả ế ồ ấ ứ

đ ng đ u thành ph n hóa h c c a toàn kh i th y tinh.ồ ề ầ ọ ủ ố ủ

đ ng đ u thành ph n hóa h c c a toàn kh i th y tinh.ồ ề ầ ọ ủ ố ủ

• S đ ng nh t hóa đ c ti n hành nh s khu ch tán phân t T c đ S đ ng nh t hóa đ c ti n hành nh s khu ch tán phân t T c đ ự ồự ồ ấấ ượượ ếế ờ ựờ ự ếế ử ố ộử ố ộkhu ch tán ph thu c ch y u vào đ nh t c a th y tinh Ð nh t ế ụ ộ ủ ế ộ ớ ủ ủ ộ ớ

khu ch tán ph thu c ch y u vào đ nh t c a th y tinh Ð nh t ế ụ ộ ủ ế ộ ớ ủ ủ ộ ớ

càng nh , t c đ khu ch tán càng l n M t khác nh quá trình kh b t ỏ ố ộ ế ớ ặ ờ ử ọ

càng nh , t c đ khu ch tán càng l n M t khác nh quá trình kh b t ỏ ố ộ ế ớ ặ ờ ử ọ

mà quá trình đ ng nh t hóa x y ra thu n l i h n.ồ ấ ả ậ ợ ơ

mà quá trình đ ng nh t hóa x y ra thu n l i h n.ồ ấ ả ậ ợ ơ

4- Giai đoạn đồng nhất hóa