Nghiên cứu công nghệ sản xuất thủy tinh pyrex làm dụng cụ thí nghiệm và dụng cụ lò vi sóng

Các loại thủy tinh có nguồn gốc tự nhiên, gọi là các loại đá vỏ chai, đã được sử dụng từ thời kỳ đồ đá. Chúng được tạo ra trong tự nhiên từ các nham thạch (magma) núi lửa. Người nguyên thủy dùng đá vỏ chai để làm các con dao cực sắc. Việc sản xuất thủy tinh lần đầu tiên hiện còn lưu được chứng tích là ở Ai Cập khoảng năm 2000 trước công nguyên, khi đó thủy tinh được sử dụng như là men màu cho nghề gốm và các mặt hàng khác. Trong thế kỷ 1 trước công nguyên kỹ thuật thổi thủy tinh đã phát triển và những thứ trước kia là hiếm và có giá trị đã trở thành bình thường. Trong thời kỳ đế chế La Mã rất nhiều loại hình thủy tinh đã được tạo ra, chủ yếu là các loại bình và chai lọ. Thủy tinh khi đó có màu xanh lá cây vì tạp chất sắt có trong cát được sử dụng để sản xuất nó. Thủy tinh ngày nay nói chung có màu hơi ánh xanh lá cây, sinh ra cũng bởi các tạp chất như vậy.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾ

KHOA HOÁ HỌC

BÀI TIỂU LUẬN

thủy tinh pyrex làm dụng cụ thí nghiệm

và dụng cụ lò vi sóng

Giảng viên hướng dẫn : Trần Ngọc Tuyền Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thị Diệu My Chuyên ngành : Hóa Học Phân Tích Lớp : Hoá K36

Huế, 2015

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 3

I – Cơ sở lý thuyết chung 3

I.1 Những đặc tính kỹ thuật của thủy tinh pyrex 3

I.2 Những tính chất cơ bản của thủy tinh pyrex cần quan tâm 3

II- Nguyên liệu dùng cho sản xuất thủy tinh 4

II.1 Nguyên liệu chính 4

II.2 Nguyên liệu phụ 5

III - Các phương pháp tạo hình thủy tinh 6

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM 7

I - Nghiên cứu nguyên liệu: 7

I.1 Nguyên liệu cung cấp SiO 2 7

I.2 Nguyên liệu cung cấp Al 2 O 3 8

I.3 Nguyên liệu cung cấp B 2 O 3 8

I.4 Nguyên liệu cung cấp K 2 O; Na 2 O 8

I.5 Nguyên liệu tăng cường quá trình nấu, khử bọt, khử màu 9

CHƯƠNG III: TRIỂN KHAI SẢN XUẤT THỬ 9

I Lựa chọn sản phẩm: 9

1 Dụng cụ thí nghiệm: 9

2 Dụng cụ lò vi sóng : 10

II Thực hiện chế thử sản phẩm 10

II.1 Thực hiện chế thử đợt 1 11

II.2 Thực hiện chế thử đợt 2 12

II.3 Thực hiện chế thử đợt 3 13

III Thực hiện dùng thử sản phẩm chế thử của đề tài 14

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

PHẦN MỞ ĐẦU

TỔNG QUAN VỀ THỦY TINH PYREX

Các loại thủy tinh có nguồn gốc tự nhiên, gọi là các loại đá vỏ chai, đã được sử dụng từ thời kỳ đồ đá Chúng được tạo ra trong tự nhiên từ các nham thạch (magma) núi lửa Người nguyên thủy dùng đá vỏ chai để làm các con dao cực sắc

Việc sản xuất thủy tinh lần đầu tiên hiện còn lưu được chứng tích là ở

Ai Cập khoảng năm 2000 trước công nguyên, khi đó thủy tinh được sử dụng như là men màu cho nghề gốm và các mặt hàng khác Trong thế kỷ 1 trước công nguyên kỹ thuật thổi thủy tinh đã phát triển và những thứ trước kia là hiếm và có giá trị đã trở thành bình thường Trong thời kỳ đế chế La Mã rất nhiều loại hình thủy tinh đã được tạo ra, chủ yếu là các loại bình và chai lọ Thủy tinh khi đó có màu xanh lá cây vì tạp chất sắt có trong cát được sử dụng để sản xuất nó Thủy tinh ngày nay nói chung có màu hơi ánh xanh lá cây, sinh ra cũng bởi các tạp chất như vậy

Rất nhiều đồ dùng trong gia đình làm từ thủy tinh Cốc, chén, bát, đĩa, chai, lọ v.v có thể được làm từ thủy tinh, cũng như bóng đèn, gương, ống thu hình của màn hình máy tính và ti vi, cửa sổ Trong phòng thí nghiệm để làm các thí nghiệm trong hóa học, sinh học, vật lý và nhiều lĩnh vực khác, người ta sử dụng bình thót cổ, ống thử, lăng kính và nhiều dụng cụ thiết bị khác được làm từ thủy tinh Đối với các ứng dụng này, thủy tinh hệ borosilicat thường được sử dụng vì sức bền và hệ số giãn nở nhiệt thấp, tạo cho nó sự chống lại tốt hơn đối với các sốc nhiệt và cho phép đo đạc chính xác hơn khi làm nóng và làm nguội các thiết bị Đối với phần lớn các ứng dụng có yêu cầu cao, thủy tinh thạch anh được sử dụng, mặc dù rất khó sản xuất loại thủy tinh này Phần lớn thủy tinh bền hóa, bền nhiệt được sản xuất hàng loạt bằng các công nghệ khác nhau, nhưng đa phần các phòng thí nghiệm lớn cần rất nhiều các loại đồ thủy tinh khác nhau Thủy tinh pyrex được nghiên cứu và sản xuất từ những năm đầu của thế kỷ 20 mà nổi tiếng nhất là của hãng Corning Thủy tinh pyrex: là loại thủy tinh borosilicat; khó chảy, có độ bền cơ học và độ bền nhiệt cao Nhiệt độ biến mềm thủy tinh pyrex khoảng 800 oC, hệ số giãn nở nhiệt khoảng (4 – 5) 10-6 Loại thủy

tinh này thường dùng chế tạo các dụng cụ phòng thí nghiệm Các sản phẩm dung trong gia dụng thì có tô, khay, thố dùng để nướng, hấp

Đến cuối thế kỷ 20 thủy tinh “pyrex” được các nước Pháp, Mỹ, Đức,

… nghiên cứu sản xuất với các chỉ tiêu kỹ thuật như của hang Corning nên

từ “pyrex” đã trở thành thương hiệu và tên riêng của loại thủy tinh b ền hóa bền cơ, bền nhiệt này Đặc điểm chủ yếu của nó là chúng có cùng tính chất

và lắp ghép được với nhau (tương tự nhơ thủy tinh thạch anh) Ở Việt Nam thủy tinh bền hóa bền nhiệt đã được sản xuất ở các nơi như thủy tinh y t ế (Phả Lại), thủy tinh Hà Nội nhưng chưa phải là loại thủy tinh “Pyrex” Vì vậy, các sản phẩm thủy tinh chất lượng cao dùng trong phòng thí nghiệm, các sản phẩm dùng cho lò vi sóng chúng ta vẫn đều phải nhập khẩu

Mong muốn tìm hiểu kĩ hơn về quy trình sản xuất thủy tinh pyrex em

đã chon đề tài: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thủy tinh

pyrex làm dụng cụ thí nghiệm và dụng cụ lò vi sóng”

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

I – Cơ sở lý thuyết chung

I.1 Những đặc tính kỹ thuật của thủy tinh pyrex

Thủy tinh pyrex là loại thủy tinh được sử dụng chủ yếu làm dụng cụ đun nấu trong phòng thí nghiệm và các sản phẩm dùng cho lò vi sóng nên yêu cầu kỹ thuật chính cần phải đáp ứng là:

- Thủy tinh phải bền nhiệt (có hệ số giãn nở nhiệt thấp)

- Thủy tinh phải bền cơ

- Thủy tinh phải đồng nhất

Trên cơ sở những yêu cầu kỹ thuật của thủy tinh pyrex, qua tham khảo các tài liệu chuyên ngành và các paten của nước ngoài cho thấy đó là loại thủy tinh thuộc hệ borosilicate

I.2 Những tính chất cơ bản của thủy tinh pyrex cần quan tâm

a) Tính chất nhiệt

Trong quá trình sử dụng, các sản phẩm thủy tinh pyrex luôn chịu sự tác động của môi trường nhiệt độ cao của bếp đun hay lò vi song Vì vậy, yêu cầu thủy tinh phải có độ bền nhiệt cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp Các phương pháp xác định hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh:

- Phương pháp tính toán theo qui tắc cộng:

α thủy tinh = α1 P1 + α2 P2 + α3 P3 + …

trong đó: P1; P2; P3; …… Là hàm lượng % các ôxyt có trong thủy tinh

α1 ; α1 ; α1 ; … các hệ số tương ứng với các ôxyt

- Phương pháp tính toán theo công thức của A.Appen

α 10 -7 = Σ ai αi /Σ ai

trong đó: ai là hàm lượng ôxyt theo phần phân tử có trong thủy tinh

αi là hệ số ứng với các ôxyt tương ứng có trong thủy tinh

- Phương pháp dùng dụng cụ đo hệ số giãn nở nhiệt bằng thạch anh của O.K.Btvinkin và N.V Solomin hoặc thiết bị đo hệ số giãn nở nhiệt Horizontal Dilatometer (L76/1400 của Đức)

b) Tính chất cơ học

Khi ở trạng thái làm việc các dụng cụ thí nghiệm và dụng cụ sử dụng trong lò vi sóng ngoài việc phải chịu sự tác động của môi trường nhiệt độ cao (> 100oC) còn phải chịu tác động của các dung dịch thức ăn dạng lỏng nên yêu cấu thủy tinh phải có độ bền cơ cao

II- Nguyên liệu dùng cho sản xuất thủy tinh

Qua tham khảo các tài liệu chuyên ngành trong nước và nước ngoài v ề thủy tinh pyrex cho thấy đây là một loại thủy tinh bền hóa bền nhiệt thuộc

hệ thủy tinh borosilicate Vì vậy, nguyên liệu sử dụng để sản xuất thủy tinh pyrex bao gồm:

II.1 Nguyên liệu chính

1) Nguyên liệu cung cấp SiO2

- Thành phần hóa học chính để tạo ra thủy tinh là SiO2

- SiO2 làm cho thủy tinh có độ bền cơ học cao, dộ bền hóa và bền nhiệt tốt

- Khi tăng hàm lượng SiO2 trong thành phần thủy tinh thì các tính chất

cơ lý hóa của thủy tinh đều tăng, nhưng đồng thời cũng làm tăng nhiệt độ nấu thủy tinh

- Các nguyên liệu cung cấp SiO2 thường sử dụng trong sản xuất thủy tinh là cát thạch anh, trường thạch, cao lanh sạch… Ngoài ra cũng có thể sử dụng thạch anh nghiền mịn, pha lê thiên nhiên để cung cấp SiO2 cho thủy tinh

Yêu cầu kỹ thuật của cát thạch anh dùng để sản xuất thủy tinh:

+ Hàm lượng SiO2 > 99 %

+ Tổng tạp chất có hại ( Fe2O3; Cr2O3; TiO2) < 0,1 %

+ Kích thước hạt < 0,2 mm

2) Nguyên liệu cung cấp B2O3

Khi đưa B2O3 vào thủy tinh sẽ giảm được hệ số giãn nở nhiệt, tăng độ bền nhiệt của thủy tinh Khi thay một phần SiO2 bằng B2O3 tốc độ nấu thủy tinh sẽ tăng lên, việc khử bọt được thuận lợi hơn, khuynh hướng k ết tinh sẽ giảm Nếu thay Na2O bằng B2O3 dưới 0,5 % thì quá trình nấu thủy tinh sẽ được rút ngắn

Nguyên liệu cung cấp B2O3 cho thủy tinh bao gồm: Axit boric (H3BO3 ) cung cấp cho thủy tinh đến 56,45 % B2O3; còn Borax (Na2B4O7.10 H2O) cung cấp cho thủy tinh 36,65 % B2O3 và 16,2 % Na2O

3) Nguyên liệu cung cấp Al2O3

Khi trong thủy tinh có chứa Al2O3 sẽ giảm được hệ số giãn nở nhiệt, tăng được độ bền hóa, bền cơ, độ chịu nhiệt và độ rắn của thủy tinh

Tuy nhiên, nếu hàm lượng Al2O3 lớn thì tốc độ nấu thủy tinh sẽ chậm lại đặc biệt ở giai đoạn nhiệt độ thấp Quá trình khử bọt của thủy tinh cũng chậm lại do Al2O3 làm tăng độ nhớt của thủy tinh

Để đưa Al2O3 vào thủy tinh người ta thường sử dụng trường thạch, cao lanh hoặc đất sét Đôi khi người ta còn sử dụng Al(OH)3 hoặc Al2O3 kỹ thuật siêu mịn

4) Nguyên liệu cung cấp BaO

Khi sử dụng BaO thay cho Na2O thì độ bền hóa học và bền cơ của thủy tinh sẽ tăng lên Thủy tinh có BaO sẽ bóng đẹp hơn, với hàm lượng BaO < 1% quá trình nấu sẽ được rút ngắn Nếu hàm lượng BaO > 5% thì sẽ ăn mòn gạch chịu lửa và khó khử bọt Để cung cấp BaO cho thủy tinh thường sử dụng BaCO3; BaSO4; BaNO3

5) Nguyên liệu cung cấp Na2O

Người ta có thể đưa Na2O vào thủy tinh từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như: Sôđa ( cacbonat natri Na2CO3); sunfat natri (Na2SO4),… Khi đưa Na2O vào thủy tinh sẽ giảm được nhiệt độ nấu thủy tinh, tăng cường các phản ứng hóa học trong quá trình nấu, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khử bọt và đồng nhất hóa khối thủy tinh Vì Na2O làm giảm độ nhớt của thủy tinh khá nhiều đặc biệt ở giai đoạn nhiệt độ cao

6) Nguyên liệu cung cấp K2O

Khi thủy tinh có K2O sẽ giảm được khả năng kết tinh của thủy tinh, giảm nhiệt độ nấu thủy tinh Tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo hình bằng phương pháp ép dập, đồng thời K2O làm cho thủy tinh có sắc thái đẹp hơn

Nguyên liệu cung cấp K2O cho thủy tinh có thể sử dụng là cacbonat kali (K2CO3); hoặc nitorat kali (KNO3) Nhưng thông thường người ta hay dung cacbonat kali (K2CO3) hơn do khi dùng chung với cacbonat natri (Na2CO3)

sẽ tạo nên một điểm ơtecti làm giảm nhiệt độ nấu của thủy tinh khá nhiều

II.2 Nguyên liệu phụ

1) Chất khử bọt

Trong sản xuất thủy tinh thường phải sử dụng chất khử bọt Chất khử bọt là một loại hợp chất khi ở nhiệt độ cao chúng phân hủy tạo ra các bọt khí lớn để kéo các bọt khí nhỏ trong thủy tinh lên bề mặt hoặc liên kết các bọt nhỏ do nguyên liệu phân hủy hay do nguyên liệu đưa vào thành các bọt lớn dễ nổi lên bề mặt rồi thoát ra ngoài Chất khử bọt hay sử dụng là các muối nitorat (KNO3; NaNO3, ) ;

2) Chất khử màu

Thủy tinh có màu xấu khi không dung chất nhuộm màu và màu ấy thường được gây ra bởi các tạp chất, đặc biệt là sắt lẫn vào trong nguyên liệu, trong quá trình gia công chuẩn bị và vận chuyển phối liệu Để có thủy

tinh trong suốt không màu ta phải hạn chế đến mức tối thiểu lượng hợp chất sắt hoặc phải khử màu

Có 2 phương pháp khử màu: khử màu hóa học và khử màu vật lý Nguyên tắc của khử màu hóa học là chuyển toàn bộ sắt thành oxyt sắt hóa trị 3 (Fe2O3), chuyển sắt về phức không màu, chuyển thành hợp chất dễ bay hơi, Ví dụ: Khi đưa vào thủy tinh chứa sắt hợp chất fluor thì dưới những điều kiện thuận lợi như môi trường oxy hóa và lượng kiềm cao, các fluor sản sinh 1 hiệu ứng tương đương với sự giảm ½ lượng sắt Người ta cho rằng, một phần FeF3 bay hơi, 1 phần F- chiếm lĩnh vị trí của oxy trong [FeO4] (có lẽ không cần phải thây thế chỗ tất cả oxy của nhóm FeO4 bằng F-) làm thay đổi độ hấp thụ ánh sang của thủy tinh

Chất khử màu hóa học hay dung là các chất oxy hóa mạnh như nitrat, CeO2 …các hợp chất fluor

Khử màu vật lý, thực chất là đưa vào thủy tinh chất nhuộm màu khác có khả năng tạo ra màu phụ với màu do sắt gây ra Kết quả của việc nhuộm màu kép đó làm cho thủy tinh trở nên không màu nhưng độ thấu quang của thủy tinh bị giảm đi

Chất khử màu vật lý hay dùng là selen, NiO, CoO và các nguyên tố hiếm Phương pháp này có kết quả cao khi lượng sắt trong thủy tinh nhỏ (<0,08%)

Ngoài ra ta thường hay gặp các chất vừa có khả năng khử màu hóa học vừa có khả năng khử màu vật lý như MnO2, CeO2 Hai oxyt này ở nhiệt độ cao trong thủy tinh nóng chảy sẽ phân hủy và giải phóng oxy, oxy sẽ oxy hóa sắt 2 thành sắt 3 Màu tím của Mn3+ phụ với màu vàng của Fe3+

3) Chất nhuộm màu

Do nhu cầu sử dụng người ta có thể yêu cầu phải có các loại thủy tinh màu nhằm ngăn cản sự tác động của ánh sáng khi đựng hóa chất, hay khi trang trí nghệ thuật, … Khi sản xuất thủy tinh màu người ta phải sử dụng các chất nhuộm màu Có hai loại chất nhuộm màu đó là : Chất nhuộm màu phân tử như: Mn2O3; CoO; NiO; Cr2O3; … Chất nhuộm màu phân tán keo như: Vàng (Au); Bạc (Ag); Đồng (Cu); Selen (Se); …

Khi sản xuất thủy tinh chịu nhiệt, thủy tinh đặc biệt, thủy tinh bền hóa,

lọ đựng hóa chất, dụng cụ phòng thí nghiệm, … người ta luôn sử dụng hệ thủy tinh borosilicate

III - Các phương pháp tạo hình thủy tinh

Trong công nghệ sản xuất thủy tinh thường có nhiều phương pháp tạo hình sản phẩm thủy tinh khác nhau như: phương pháp thổi thủ công, phương

pháp tạo hình trên máy thổi tự động, phương pháp cán, kéo thủy tinh, phương pháp ép dập thủy tinh, vv….Tùy thuộc vào hình dạng sản phẩm, kích thước sản phẩm mà lựa chọn phương pháp tạo hình phù hợp

Đối với các sản phẩm thủy tinh sử dụng làm bao bì có hình tròn (chai lọ các loại dùng đựng rượu, đựng thuốc, hóa chất,…), dung tích < 2 lít thường

sử dụng phương pháp thổi tự động trên máy

Đối với các sản phẩm bao bì có dung tích lớn ( khoảng 5 – 50 lít) và các sản phẩm có hình dạng đặc biệt thì phải dùng phương pháp thổi thủ công k ết hợp với sự hỗ trợ của thiết bị cơ khí

Đối với sản phẩm thủy tinh là kính xây dựng các loại, kính trang trí có thể dùng phương pháp cán nóng trên khuôn kim loại, hoặc kéo bằng thuyền, hay kéo nổi trên bề mặt kim loại,…

Đối với các sản phẩm thủy tinh sử dụng trong ngành y tế (như ống đựng thuốc kháng sinh, ống đựng nước cất,…) thường dùng phương pháp kéo tuýp

Đối với các sản phẩm dùng trong kính quang học, sản phẩm thủy tinh cách điện, sản phẩm thủy tinh có thành dày người ta thường sử dụng phương pháp ép

CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM

I - Nghiên cứu nguyên liệu:

Các loại nguyên liệu sử dụng cho nghiên cứu trong phòng thí nghiệm như sau:

thủy tinh (DHBK Hà Nội)

Thủy tinh 8330 của Mỹ

Bảng 1: Thành phần hóa của một số loại thủy tinh pyrex tham khảo để nghiên

cứu

(Đơn vị: % trọng lượng)

I.1 Nguyên liệu cung cấp SiO 2

1 Fused quart

- Là một loại mảnh thủy tinh, có màu trắng (nhập khẩu từ Trung Quốc)

- Cỡ hạt 1 – 3 mm

- Hàm lượng SiO2 = 99,8 %

- Các tạp chất Fe2O3 không có

2 Thạch anh Yên Bái

- Dạng bột mịn, màu trắng đục

- Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm)

- Hàm lượng SiO2 = 98,4 %

- Tạp chất Fe2O3 = 0,16 %; TiO2 = 0,02 %

3 Thạch anh Ấn Độ:

- Dạng bột mịn, màu trắng đục

- Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm)

- Hàm lượng SiO2 = 99,01 %

- Tạp chất Fe2O3 = 0,03 %; TiO2 = 0,01 %

I.2 Nguyên liệu cung cấp Al 2 O 3

1 Trường thạch men Yên Bái

- Dạng bột mịn, màu trắng đục

- Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm)

- Hàm lượng SiO2 = 68,58 %; Al2O3 = 18,33 %; Na2O + K2O = 11,53 %

- Tạp chất Fe2O3 = 0,14 %

2 Trường thạch Ấn Độ

- Dạng bột mịn, màu trắng đục

- Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm)

- Hàm lượng SiO2 = 65,01 %; Al2O3 = 18 % ; Na2O + K2O = 15,58 %

- Tạp chất Fe2O3 = 0,12 %

I.3 Nguyên liệu cung cấp B 2 O 3

1 Axit Boric H3BO3

- Dạng bột trắng, tơi xốp

- Hàm lượng H3BO3 > 99 %

- Xuất sứ từ Anh

2 Borax (Na2B4O7.10 H2O)

- Dạng bột, tơi xốp, màu trắng

- Hàm lượng Na2B4O7.10 H2O > 99 %

- Xuất sứ từ Anh

I.4 Nguyên liệu cung cấp K 2 O; Na 2 O

1 Các bonnat kali (K2CO3)