Tiểu luận vật liệu đại cương

Tiểu luận vật liệu đại cương

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC  TIỂU LUẬN MÔN HỌC : VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG GVHD : T.S NGUYỄN HỌC THẮNG Tp.Hồ Chí Minh, Tháng 11 Năm 2016 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC  TIỂU LUẬN MÔN HỌC: VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG Tp.Hồ Chí Minh, Tháng 11 Năm 2016 Mục lục Trang Trang Danh mục hình Trang Thủy tinh chịu nhiệt chịu hóa Nói chung tất loại thủy tinh phải có độ chịu nhiệt chịu hóa định với số loại sản phẩm tính chất Thủy tinh chịu nhiệt chịu hóa chủ yếu dùng để sản xuất dụng cụ hóa học nên cótên thủy tinh làm dụng cụ hóa học Trước thủy tinh làm dụng cụ hóa học B2O3 nên khó nấu hệ số giãn nở nhiệt lớn Đến kỉ 20 người ta cho thêm B2O3 vào cải thiện nhiều tính chất Thủy tinh Borosilicat có ưu điểm chịu nhiệt tốt ( thủy tinh gọi bền nhiệt có hệ số giãn nở nhiệt α≤ 50.10-7 ) chịu kiềm Mặc khác qui trình công nghệ, chế độ nấu loại thủy tinh khó khăn, đồng thời lượng Borax sử dụng tương đối lớn nên giá thành sản phẩm tương đối cao Trong năm 30 kỉ 20, thủy tinh thạch anh thủy tinh có hàm lượng SiO2 cao xuất cải thiện nhiều tính thủy tinh làm dụng cụ hóa học qui trình công nghệ sản xuất loại thủy tinh phức tạp, giá thành sản phẩm cao nên chúng dùng trường hợp cần yêu cầu kĩ thuật cao Ngoài thủy tinh alumoborosilicat loại thủy tinh làm dụng cụ hóa học tương đối tốt 1.1 Thủy tinh dùng phòng thí nghiệm Dùng làm dụng cụ thí nghiệm dụng cụ chứa đựng nhiều loại hóa chất khác nên thủy tinh có yêu cầu bản: -Có độ chịu hóa cao, chịu tác dụng nhiều loại hóa chất khác -Có độ chịu nhiệt cao -Có khả kết tinh bé gia công nhiệt Để đáp ứng yêu cầu phải dùng loại thủy tinh borosilicat, alumoborosilicat hay thủy tinh thuộc hệ nhiều cấu tử phức tạp Ngoài ôxyt thường dùng Al2O3, B2O3, BaO người ta dùng thêm ZnO, ZrO Thủy tinh dùng phòng thí nghiệm có hàm lượng kiềm tương đối nên có độ chịu hóa cao( đặc biệt nước), chịu nhiệt lớn Với dụng cụ đun nấu í sau: Loại bình nhỏ thành mỏng thường dùng thủy tinh có hệ số giãn nở nhiệt α≤ 50.10 -7 Độ chịu dao động nhiệt đến 2000C Loại thành dày, dày đến 1cm chịu đến 50 0C Độ bền nước, bền axit phải đạt cấp bền kiềm phải cấp Mặc khác, hình dạng bình ảnh hưởng nhiều đến dộ bền nhiệt: Kém bền loại cốc có mỏ, loại đốt nóng hay làm lạnh đột ngột dễ bị vỡ góc đáy bình nơi chịu ứng suất uốn lớn Để khắc phục điều người ta dùng bình tam giác bền Loại bình hình cầu có độ bền nhiệt tốt 1.2 Tấm lọc thủy tinh Là có nhiều lỗ làm từ bột thủy tinh có độ chịu hóa cao thiêu kết lại Sau thành hình, hàn vào phiễu thủy tinh Tác dụng: Dùng dể lọc sấy khô kết tủa Trang Chế tạo: Nghiền mảnh thủy tinh có độ chịu hóa cao máy nghiền bi với bi thủy tinh loại Phân loại cỡ hạt rây (đường kính lỗ lọc tùy thuộc vào kích thước hạt bột thủy tinh) Ví dụ: Để có lọc với đường kính lõ 100µm phải dùng bột cỡ 0,15-0,2mm Loại có lỗ 25µm phải dùng bột loại 0,05mm Sau rây chọn cỡ hạt thích hợp cho bột vào khuôn có kích thước tương đương với lọc cho vào lò điện đốt nóng đến nhiệt độ gần với nhiệt độ mềm thủy tinh (thiêu kết) 1.3 Thủy tinh ampun Dùng để bảo quản loại thuốc Nếu dùng thủy tinh thông thường chứa thuốc, kiềm dễ bị phá hoại tính thuốc, chí làm cho thuốc kết tủa Do tất loại thuốc tiêm da phải chứa dụng cụ làm từ thủy tinh trung tính Thủy tinh có đặc điểm không kiềm tiếp xúc với thuốc Mặc khác thủy tinh ampun không chứa kim loại nặng PbO, Sb 2O3,As2O3 nhiều Al2O3, B2O3 Sau sản xuất ống để gia công thành ampun phải kiểm tra lại tính chất thủy tinh: -Xác định độ bền nước cách cho dung dịch phênolphtalêin vào ampun giữ 2giờ 1200C Dung dịch giữ độ suốt lúc đầu đạt -Cho thuốc vào ampun giữ thời gian xem thuốc có bị biến chất, bị kết tủa không Nếu thay đổi đạt 1.4 Thủy tinh làm nhiệt kế Nhiệt kế từ thủy tinh Galile Galilei làm vào cuối kỉ 16 Nhiệt kế từ thủy tinh thông thường đo đến nhiệt độ 400 0C Loại thủy tinh borosilicat dùng đo đến 5100C Loại cao SiO2 ( 96%SiO2) đo đến 14000C Thủy tinh làm nhiệt kế phải đạt yêu cầusau: -Không bị kết tinh gia công nhiệt -Phải loại thủy tinh khó chảy -Có nhiệt độ mềm cao hệ số giãn nở nhiệt bé Thủy tinh nấu lò nồi loại thủy tinh kĩ thuật khác phải hấp ủ cẩn thận Muốn đọc nhiệt độ dễ nhiệt kế thường có trắng màu làm từ men đục hay màu 1.5 Thủy tinh thạch anh Nguyên liệu dùng để nấu thủy tinh thach anh loại thạch anh tinh khiết Do nguyên liệu công nghệ sản xuất khác nên có loại thạch anh: Thạch anh suốt loại bán suốt Loại bán suốt nấu từ cát thạch anh tinh khiết chứa nhiều bọt khí nhỏ nên ánh sáng vào bị tán xạ Thủy tinh thạch anh suốt nấu từ pha lê thiên nhiên thủy phân hay ôxy hóa SiCl lửa cao nhiệt Tính chất hóa lí thủy tinh thạch anh: a) Tính chất học: Thủy tinh thạch anh không suốt có mật độ 2,02- 2,08g/cm3 ứng với độ rỗng 5-7,5% Mật độ thạch anh suốt 2,2g/cm3 Thủy tinh thạch anh có Trang cường độ chịu nén chịu kéo chịu uốn tương đối nhỏ Thủy tinh thạch anh không 3000kg/cm2, 230kg/cm2, 450kg/cm2,còn thủy tinh thạch anh suốt 6000kg/cm2, 770kg/cm2, 1150kg/cm2 b) Tính chất nhiệt: Hệ số giãn nở nhiệt bé ( α= 5,4 10-7 200C ) nên có độ bền nhiệt cao Có thể đốt nóng đến 10000C làm lạnh đột ngột nước lạnh mà không bị nứt vỡ Nếu sử dụng lâu đốt nóng đến 1100-12000C, sử dụng thời gian ngắn đốt đến 14000C c) Tính chất hóa học: Thủy tinh thạch anh không hoạt động, không tác dụng với phần lớn hóa chất Đối với axit trừ HF H3PO4 hầu hết axit hữu hay vô có nồng độ nhiệt độ cao hay thấp ăn mòn thủy tinh thạch anh Nó vật liệu chịu axit tốt Đối với kiềm muối kiềm khả chịu đựng d) Tính chất điện: Thủy tinh thạch anh có cường độ điện môi lớn, độ tổn thất điện môi bé, độ dẫn điện bé nhiệt độ cao Nó chất điện môi hoàn thiện e) Tính chất quang học: Thủy tinh thạch anh cho qua tia tử ngoại tốt nên có giá trị lớn khoa học kỹ thuật Chiết suất nD= 1,4584, bé so với loại thủy tinh khác f) Độ nhớt:Thủy tinh thạch anh có độ nhớt cao Ngay 20000C không chảy nhớt thủy tinh thông thường 14800C Nhưng nâng nhiệt độ cao bị bay Khi có tạp chất tạp chất tăng lên độ nhớt thủy tinh thạch anh giảm Độ nhớt thủy tinh thạch anh không nhỏ thạch anh suốt Cách chế tạo thủy tinh thạch anh: Thủy tinh thạch anh có độ nhớt nấu thành hình đặc biệt cao Mặc khác nhiệt độ nóng chảy SiO2 17130C mà nhiệt độ bay 21000C chênh không nhiều nên phải dùng thiết bị phương pháp chế tạo đặc biệt Đó nguyên nhân làm cho công nghiệp thủy tinh thạch anh phát triển chậm, giá thành sản phẩm cao, việc sử dụng bị hạn chế a) Cách chế tạo thạch anh suốt: − Nguyên liệu : SiO2 thiên nhiên suốt tinh khiết Trước nấu phải qua bước: Chọn lựa miếng hoàn toàn rửa HCl, nước cất, sấy, đập, sàng − Nấu: Có nhiều phương pháp Thường nấu thủy tinh điều kiện chân không trước kết thúc trình nấu ta tăng áp lực bề mặt áp suất thường lớn Quá trình nấu thường tiến hành lò điện cảm ứng chân không Trước nấu ta hút không khí lò khoảng 10-15 phút đến áp lực tuyệt đối 0,5mmHg nối điện vào lò Sau nấu tăng thêm công suất 15-20% đồng thời cho thông không khí( tăng áp) lò 20-30 phút Phương pháp thứ dùng đèn xì Cho dòng khí mang hạt nguyên liệu cỡ 0,1-0,3mm qua lửa đèn xì, nguyên liệu rơi xuống chảy dần thành thủy tinh thạch anh suốt Khí đốt hỗn hợp hydro ôxy Ngoài người ta thủy phân hay ôxy hóa SiCl4 theo phản ứng sau: SiCl4 + 2H2O → SiO2 + 4HCl Trang SiCl4 + O2 → SiO2 + 2HCl b) Cách chế tạo thủy tinh thạch anh không suốt − Nguyên liệu : Cát thạch anh tinh khiết SiO2 > 99,5% , Al2O3 < 0,2%, Fe2O3 < 0,2%) − Cách nấu: Trong trình nấu có phản ứng phụ : SiO2 + 3C = SiC + 2CO SiO2 + 2C = Si + 2CO 2SiC + SiO2 = 3Si + 2CO Cho cát thạch anh vào vỏ sắt (1) Giữa lò có grafit (2) đầu cực grafit (3) Nối điện vào lò, nhiệt độ than lên đến 1800 0C Do tiết diện cực lớn grafit nên không nóng lên nhiều Lớp cát thạch anh nằm cạnh than chảy dần tác dụng đốt nóng dòng điện Sau nấu xong, mở nắp lò tháo cát chưa chảy đồng thời rút than khỏi lò cho thủy tinh chảy tạo hình Quá trình tạo hình 30 giây sau mở lò Do tiếp xúc với cacbon, thủy tinh vùng sát với than có màu CO làm cho than thủy tinh thạch anh có lớp trung gian nên sau rút than dễ dàng Trong trường hợp cần chế tạo khối thạch anh lớn ta dùng nhiều thanđặt song song Phương pháp có ưu điểm không cần nồi nấu đặc biệt không cần cách nhiệt đặc biệt lớp cát thạch anh chưa chảy bao quanh khối thạch anh nóng chảy làm nhiệm vụ − Phạm vi sử dụng: Thủy tinh thạch anh sử dụng nhiều lĩnh vực khác nhau: − Làm đèn chiếu tia tử ngoại, làm thiết bị dụng cụ phòng thí nghiệm, cửa quan sát thiết bị làm việc điều kiện áp suất lớn, nhiệt độ cao, độ chân không cao − Dùng chế tạo tháp cô đặc sản xuất axit, dụng cụ điều chế kim loại − Dùng làm ống bảo vệ pin nhiệt điện − Nhiều ứng dụng khác 1.6 Thủy tinh có hàm lượng SiO2 cao (Vycor) Trang Thủy tinh có hàm lượng SiO2 cao loại thủy tinh chứa từ 95% SiO trở lên Thủy tinh có số đặc tính thủy tinh thạch anh: Hệ số giãn nở nhiệt bé, nhiệt độ mềm cao, bền hóa…Kỹ thuật sản xuất thủy tinh có phần phức tạp so với loại thủy tinh thông thường so với qui trình sản xuất thủy tinh thạch anh đơn giản nên giá thành rẻ Do số tính thua thủy tinh thạch anh người ta dùng thay thủy tinh thạch anh Việc sản xuất thủy tinh cao SiO2 dựa vào đặc tính thủy tinh chứa bor với tỉ lệ thành phần thích hợp sau xử lí nhiệt nhiệt độ định phân làm pha có thành phần hoàn toàn khác nhau: Một pha chủ yếu SiO không hòa tan axit, pha chủ yếu B2O3 tan axit Cho thủy tinh phân thành pha vào axit để pha chứa B 2O3 hòa tan sau xử lí thủy tinh ban đầu biến thành thủy tinh có hàm lượng SiO2 cao với nhiều lỗ trống Cuối đem đốt nóng, thủy tinh có nhiều lỗ thiêu kết lại thành thủy tinh suốt chứa 95-98%SiO2 Cách sản xuất: Gồm bước: Phối liệu, nấu, thành hình, xử lí nhiệt, xử lí axit, thiêu kết − Phối liệu: Thường dùng thủy tinh thuộc hệ SiO2 – B2O3 – R2O , có thêm Al2O3 Ví dụ: Thành phần % ôxyt loại thủy tinh sau: Loại SiO2 B2O3 R2O 64-69 22-26 9,1-9,6 62-66 24,5-27,5 8,0-8,6 Al2O3 1-2 Hàm lượng SiO2 không thấp để sau xử lí axit lỗ thủy tinh không lớn Hàm lượng B2O3 cao xử lí nhiệt khó phân pha − Nấu thành hình: Nhiệt độ nấu thường vào khoảng 1350-14000C Không nên cao để tránh xâm thực nồi nấu Thời gian nấu sau làm lạnh đến 1100-12200C thành hình Vì sau xử lí axit thiêu kết sản phẩm co lại 20-30% nên sản phẩm thành hình phải lớn sản phẩm yêu cầu − Xử lí nhiệt: Cho sản phẩm thành hình vào lò hấp đốt nóng đến nhiệt độ định giữ nhiệt độ thời gian để có phân chia pha Nhiệt độ thời gian xử lí nhiệt tùy thuộc vào: Thành phần thủy tinh chứa bor nấu, chiều dày sản phẩm, tốc độ làm lạnh nhanh hay chậm thành hình Nếu nhiệt độ xử lí thấp, thời gian xử lí ngắn, độ nhớt thủy tinh lớn việc hình thành đơn vị cấu trúc BO khó khăn Nếu nhiệt độ xử lí nhiệt cao, thời gian xử lí dài, độ nhớt thủy tinh thấp B 2O3 hình thành hạt phân bố pha nhiều SiO khó khăn xử lí axit sau Sau xử lí nhiệt tượng phân chia pha thủy tinh có màu đục sữa − Xử lí axit: Dùng dung dịch HCl 3N H 2SO4 980C để xử lí Nồng độ axit không cao thấp Thời gian xử lí tùy thuộc vào chiều dày sản phẩm Sau xử lí axit xong phải rửa cho vào tủ sấy Trang − Thiêu kết: Sau sấy cho thủy tinh vào lò nung, nâng nhiệt độ đến 95011000C giữ vài phút làm lạnh nhanh Tính chất thủy tinh cao SiO2: Do hàm lượng SiO2 cao nên thủy tinh giàu SiO2 hẳn loại thủy tinh khác gần với thủy tinh thạch anh Có thể so sánh sau: Các tính Nhiệt độ mềm [0C] Chịu nóng lạnh đột ngột Hệ số giãn nở nhiệt Tỷ trọng [g/cm3] Hằng số điện môi Thủy tinh thạch anh 1650 Vycor 1500 950 900 5,8 10-7 2,21 3,80 7,5 10-7 2,18 3,80 (Do tạp chất sắt bị xử lí axit nên Vycor cho qua tốt tia tử ngoại) Sợi thủy tinh Vật liệu sợi thủy tinh phát triển mạnh sau chiến thứ sản xuất với số lượng lớn Thủy tinh thạch anh thủy tinh có hàm lượng SiO2 cao kéo thành sợi, có đường kính – 30 µm để làm vật liệu cách điện, cách nhiệt Sợi thủy tinh kết hợp với vật liệu nhựa để sản xuất vật liệu composite, ứng dụng nhiều sản phẩm dân dụng công nghiệp Sau đốt nóng làm nguội, tính sợi thủy tinh thay đổi khác Tùy theo nhiệt độ đốt nóng, độ bền kéo giảm xuống không ngừng Sự giảm độ bền không liên quan nhiều đến thành phần tốc độ làm nguội mà phụ thuộc chủ yếu vào thời gian đốt nóng Phân loại: - Theo thành phần sợi: sợi thủy tinh có kiềm, sợi thủy tinh có kiềm, sợi thủy tinh không kiềm – không bor, sợi thủy tinh đặc biệt - Theo đường kính sợi: sợi thô (d > 30µm), sợi sơ cấp (d > 20µm), sợi trung cấp (10-20µm), sợi cao cấp (3 – 9µm), thủy tinh (d < 3µm) - Theo phương pháp chế tạo: sợi dài liên tục, sợi ngắn (bông) Do có cấu trúc polymer, thủy tinh dễ kéo thành sợi tạo Thành phần sở nhiều loại thủy tinh sợi hệ SiO – Al2O3 – CaO – MgO với hàm lượng oxit kiềm thấp (