Báo cáo tổng quan về thủy tinh là một tiểu luận giúp người đọc có cái nhìn bao quát nhất về các vấn đề liên quan đến thủy tinh như lịch sử phát triển, cấu tạo hóa học, quy trình sản xuất, phân loại và ứng dụng của thủy tinh vào cuộc sống. Tiểu luân đòi hỏi người đọc có một kiến thức cơ bản về hóa để có thể hiểu rõ về vấn đề cấu tạo hóa học.
TRƯỜNG THPT CHUN LÊ Q ĐƠN C«ng nghiƯp Silicate 2016 2016 anhdo1999@outlook.com.vn ĐỖ HOÀNG ANH MỤC LỤC TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHIỆP THỦY TINH NHỮNG THUẬT NGỮ CƠ BẢN SILICON LÀ GÌ? SILICA LÀ GÌ? THỦY TINH LÀ GÌ? ỐNG THỔI THỦY TINH LÀ GÌ? SILICONE LÀ GÌ? SILICAGEN LÀ GÌ? 6 8 TỔNG QUAN LỊCH SỬ THỦY TINH CÁC TÍNH CHẤT CỦA THỦY TINH 11 THỦY TINH LÀ CHẤT RẮN VƠ ĐỊNH HÌNH 11 THỦY TINH TRONG SUỐT (CHO ÁNH SÁNG ĐI XUYÊN QUA) 14 THỦY TINH KHƠNG CĨ NHIỆT ĐỘ NĨNG CHẢY NHẤT ĐỊNH 17 MỘT SỐ THỦY TINH RẤT DỄ VỠ 18 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA THỦY TINH 20 MỘT SỐ THỦY TINH DẪN ĐIỆN Ở NHIỆT ĐỘ CAO 20 THỦY TINH DẺO CÓ THỂ THỔI ĐƯỢC 21 MỘT SỐ LOẠI THỦY TINH 23 THỦY TINH THƯỜNG 24 GƯƠNG PHẲNG: ĐỒ CHỨA THỦY TINH: 24 25 THỦY TINH KALI 25 DỤNG CỤ QUANG HỌC SƠN THỦY TINH 25 26 anhdo1999@outlook.com.vn PHA LÊ 26 THỦY TINH CHỊU NHIỆT 27 PYREX 27 THỦY TINH THẠCH ANH 27 SỢI QUANG 28 KÍNH CƯỜNG LỰC 29 THỦY TINH MÀU 31 Q TRÌNH SẢN XUẤT KÍNH PHẲNG 32 SỰ NẤU CHẢY CÁC VẬT LIỆU THÔ 34 TẠO BỀ MẶT PHẲNG CHO KÍNH 35 GIAI ĐOẠN NHIỆT LUYỆN 36 CƠNG NGHỆ CŨ CHẾ TẠO KÍNH PHẲNG 38 PHƯƠNG PHÁP CROWN PHƯƠNG PHÁP ỐNG XI LANH 38 40 TƯƠNG LAI CỦA NGÀNH CÔNG NGHIỆP THỦY TINH anhdo1999@outlook.com.vn 42 Tỉng quan vỊ c«ng nghiƯp thđy tinh Hãy thử tưởng tượng giới khơng có xuất thủy tinh Sẽ sáng thức dậy bạn khơng có gương để soi, xe tơ khơng có kính chắn gió, tivi khơng có hình tòa cao ốc khơng có cửa sổ…? Có hà sa số phát minh, thiết bị, vật dụng, sản phẩm đời sống có diện thủy tinh Chỉ riêng gia đình, ta kể đến mười vật dụng làm từ thủy tinh: từ cốc uống nước, bình hoa, gương treo tường đến hình điện thoại, hình tivi, mặt đồng hồ hay bóng đèn tuýp… Trong bối cảnh nhiều vấn đề môi trường xuất nay, xã hội đòi hòi phát minh, sản phẩm tiên tiến, tiết kiệm lượng, thân thiện với môi trường, sử dụng nhiên liệu giá thành rẻ Tất vấn đề giải dựa vào cải tiến công nghệ vật liệu, và, thủy tinh vật liệu đầy hứa hẹn đáp ứng nhu cầu Các nhà khoa học lao đầu vào đua khám phá chế tạo thủy tinh lúc nhiều hết Tiến sĩ John Mauro, chuyên gia tiếng lĩnh vực thủy tinh làm Corning Incorporated1, khẳng định rằng: "Đây thời gian vô tuyệt vời cho nghiên cứu thủy tinh" (Corning Incorporated) Ơng nói thêm bước tiến công nghệ loại vật liệu khác, kim loại, dần xuống Các nhà thiết kế tìm đủ cách để cải thiện sản phẩm thủy tinh kết nối với khách hàng theo phương thức (Corning Incorporated) Từ người sinh đến nay, nhà sử học gọi tên thời kì phát triển loài người dựa theo vật liệu phát làm thay đổi "Corning Incorporated công ty sản xuất lớp kính bảo vệ hình Gorilla Glass, vốn có điện thoại tiếng thị trường iPhone 4, Nokia N8 hay Samsung Galaxy S."( Thế Mạnh, 2014) anhdo1999@outlook.com.vn đời sống xã hội Thời kì đồ đá, Thời kì đồ đồng, Thời kì đồ sắt2… Ngày hơm nay, với nhiều ứng dụng rỗng rãi, thủy tinh dần khẳng định vị sánh ngang với đối thủ nặng cân khác sắt, thép đặc biệt nhựa Adam Savage3 nghĩ thật khơng ngoa nói thời đại sống hôm Thời kì đồ thủy tinh (Corning Incorporated, 2014), kỉ nguyên phát minh đột phá để đời loại vật liệu cấu tạo đơn giản vô hữu dụng - khơng khác ngồi thủy tinh Với tiềm to lớn mình, cộng thêm đời cơng ty kính Anh vào năm 1773 đánh dấu mốc quan trọng, ngành cơng nghiệp thủy tinh có bước chuyển quan trọng phát triển đến tận ngày hơm NHỮNG THUẬT NGỮ CƠ BẢN Silicon gì? Silicon (phát âm si-li-kən si-lə-kän), tiếng Việt gọi silic, nguyên tố hóa học đơn chất Silic có số hiệu nguyên tử 14 bảng tuần hồn hóa học nhà hóa học người Thụy Điển Jons Jacob Benzelius tìm vào năm 18234 Silic nguyên tố phổ biến thứ hai vỏ Trái Đất5 Silic tinh khiết có màu xám ánh kim đánh bóng Nó thường sử dụng chip máy tính, hình LCD6, pin mặt trời (Hyde, 2014) Silic chất bán dẫn quan trọng: nhiệt độ bình thường silicon chất cách điện nhiệt độ tăng độ dẫn điện tăng7 (Lê Xuân Trọng, 2014) Đây ba thời kì quan trọng lịch sử loài người đặt tên Christian J Thomsen Sở dĩ ông đặt tên ba thời kì ơng tìm thấy dụng cụ lao động làm từ vật liệu giống nằm độ sâu tầng địa chất Các dụng cụ làm từ đá ln tìm thấy tầng sâu nhất, dụng cụ làm từ đồng tầng kế tiếp, dụng cụ làm sắt ln có tầng Điều đồng nghĩa với việc sắt tìm thấy sau đồng giai đoạn sau phát triển giai đoạn trước (2011) Adam Savage chuên gia thiết kế công nghiệp hiệu ứng đặc biệt người Mỹ, dẫn chương trình Mythbuster tiếng Mặc dù Antoine Lavoisier Humphry Davy đồng thời tìm silic Jons Jacob Berzelius lại công nhận người tìm vào 1823 (Hyde, 2014) Silicon đứng sau oxy-nguyên tố phổ biến vỏ Trái Đất LCD viết tắt Liquid Crystal Display: hình tinh thể lỏng Silic có tính bán dẫn nhiệt độ thường, silic khơng có hạt tải điện tự (electron) kim loại, nhiệt độ tăng, electron bứt khỏi mạng tinh thể silic làm tăng số electron tự do, đồng thời tạo lỗ hổng mạng tinh thể Lúc này, mạng tinh thể silic hình thành hai hạt tải điện âm (electron) dương (phần lại mạng tinh thể) Do silic dẫn điện được.(Nguyễn Thế Khơi, 2014) anhdo1999@outlook.com.vn Hình Một số hình ảnh silic Silica gì? Từ Silica (đọc si-li-kə) bắt nguồn từ tiếng Latinh có nghĩa "đá lửa" (loại đá sử dụng làm cơng cụ từ thời xa xưa) Silica gọi silic đioxit (hay SiO2) hợp chất không màu, tồn tự nhiên dạng khống vật thạch anh8 Silica thành phần sa thạch9 uyển sang trình làm sạch, tức q trình này, bọt khí CO2 sinh lên mặt thủy tinh lỏng vào khơng khí (PPGIdeaScapes, 2010) Tạo bề mặt phẳng cho kính Đến cuối giai đoạn nấu chảy, nhiệt độ giảm xuống khoảng 12000C biến thủy tinh lỏng thành thủy tinh dẻo Tiếp theo, thủy tinh dẻo chảy theo đường dẫn vào bồn thiếc nối thơng với lò nung batch Tại có bánh xe quay liên tục có nhiệm vụ tạo bề mặt phẳng cho thủy tinh (xem Hình 19) Ngồi ra, thành phần khơng khí lò kiểm sốt để tránh oxi hóa (Glass for Europe, 2014) Hình 19 Bồn thiếc bánh xe Tốc độ quay bánh xe tốc độ dòng chảy thủy tinh dẻo định độ dày lớp kính anhdo1999@outlook.com.vn 35 Giai đoạn nhiệt luyện Đến giai đoạn này, "tấm kính lớn" (thành giai đoạn trên) chuyển lên băng chuyền gồm hàng trăm báng xe xếp thành hàng Quá trình thực lò kiểm sốt nhiệt độ gọi Lehr (còn gọi q trình annealing) Nhiệt độ giảm dần không thay đổi đột ngột làm vỡ kính Q trình nhiệt luyện q trình quan trọng định tuổi thọ kính Những kính không trải qua giai đoạn bị giảm độ bền, dễ vỡ chịu thay đổi nhiệt độ nhỏ, dễ nứt gãy Q trình tiến hành theo bước sau (còn gọi q trình tempered): 1/ Kính rửa sau làm nóng trở lại 2/ Để gia nhiệt cho kính, phải đưa lên nhiệt độ khoảng 5940C (nhiệt độ hóa mềm kính) 3/ Sau kính làm mát khơng khí lạnh Điều giúp tạo lực nén lực giãn lòng thủy tinh 4/ Kính tiếp tục đưa lên bánh xe lăn làm mát trước bị cắt Bằng cách này, bề mặt kính làm mát trong lòng kính nóng Bề mặt kính bị nén lòng kính bị dãn (xem Hình 14), kính chống lại nứt vỡ bề mặt bị nén, bị vỡ vỡ thành mạnh vụn nhỏ khơng có cạnh sắc lòng kính chịu lực dãn Phương pháp tempered giúp kính bền gấp lần phương pháp annealing (Harrar, 2014) anhdo1999@outlook.com.vn 36 Các giai đoạn chế tạo kính Đưa batch vào lò Nhiệt luyện Cắt kính hồn thành sản phẩm Trộn vật liệu thô Nấu chảy batch cullets Tạo kính phẳng bồn thiếc Hình 20 Sơ đồ giai đoạn sản xuất kính phẳng Đến cơng đoạn cuối - cắt kính, "tấm kính lớn" sau khỏi lò nhiệt luyện tiếp tục theo bánh xe đến máy cắt Một máy laser có nhiệm vụ rà sốt khắp bề mặt kính để kiểm tra xem độ dày kính có đủ tiêu chuẩn hay chưa Sau đó, máy cắt cắt bỏ hai rìa "tấm kính lớn" phần không đạt yêu cầu Chúng đập vỡ thành mẩu nhỏ biến thành cullets, chờ đợi tái chế (Europe, 2014) Các "tấm kính lớn" cắt thành kính nhỏ với kích thước tùy theo nhà sản xuất Hình 21 Máy cắt kính anhdo1999@outlook.com.vn 37 CƠNG NGHỆ CŨ CHẾ TẠO KÍNH PHẲNG PHƯƠNG PHÁP CROWN Hình 22 giai đoạn chế tạo thủy tinh phương pháp Crown Ở giai đoạn (a) (Hình 22), người thợ dùng ống thổi sắt nhúng vào thùng gỗ đựng sẵn thủy tinh nóng chảy xoay tròn ống thổi để thủy tinh lỏng bám lên Công việc thợ ước chừng khối lượng thủy tinh bám vào khoảng kg xoay ống thổi để tạo hình cục thủy tinh nóng chảy thành dạng lê Sau thổi vào đầu ống để thủy tinh lỏng phình lên bóng Ở giai đoạn b (Hình 22), cầu thủy tinh quay nhanh giãn rộng, tạo thành nấm Ở giai đoạn c (Hình 22), người thợ dùng gậy thổi thủy tinh khác khác có đầu hàn với mẩu kim loại nóng chạm vào đỉnh đầu "cây nấm thủy tinh" Sau ống sắt rút cách làm lạnh thủy tinh để lại lỗ hở (*) nơi tách Ở giai đoạn d (Hình 22), thủy tinh sau giai đoạn c đem đến lò nung nhiệt độ cao có miệng tròn phía trước người thợ đứng trước miệng anhdo1999@outlook.com.vn 38 (như Hình 23 Lò nung), đặt gậy thổi thủy tinh lên giá đỡ quay với tốc độ nhanh nhằm làm xuất lực li tâm27 Hình 23 Lò nung Lực cộng với nhiệt độ cao có tác dụng làm phình to lỗ hở (*) thủy tinh biến thành kình tròn phẳng có đường kính khoảng ft Tuy nhiên, điểm tiếp giảm với ống thổi thủy tinh lại hình thành cục lồi lên (như hình 21d) Sau người thợ giữ trạng thái quay ống thổi đưa khỏi lò nung Người thợ tiếp tục đưa thủy tinh đến lò luyện (quá trình annealing) Tại đây, sau làm mát dần dần, mẩu kim loại nguội ống thổi tách khỏi thủy tinh Tiếp theo người ta dùng dụng cụ cắt để cắt thủy tinh theo kích thước họ muốn (Marson) Hình 24 Người thợ xoay khối thủy tinh dẻo thành kính phẳng 27 Theo chuyên gia Jim McKelvey, ta tạo hình cho thủy tinh mềm việc lợi dụng trọng lực lực li tâm Trong phương pháp Crown, người thợ sử dụng lực li tâm anhdo1999@outlook.com.vn 39 ... HỌC CỦA THỦY TINH 20 MỘT SỐ THỦY TINH DẪN ĐIỆN Ở NHIỆT ĐỘ CAO 20 THỦY TINH DẺO CÓ THỂ THỔI ĐƯỢC 21 MỘT SỐ LOẠI THỦY TINH 23 THỦY TINH THƯỜNG 24 GƯƠNG PHẲNG: ĐỒ CHỨA THỦY TINH: 24 25 THỦY TINH KALI.. .thủy tinh vừa khai phá" (Corning Inc, 2014) "Thật hạnh phúc sống thời kì đồ thủy tinh" (Corning Incorporated, 2014) 2000 trước CN Bi thủy tinh Thủy tinh thay đổi sống 200 trước CN Thổi thủy tinh ... NGHIỆP THỦY TINH NHỮNG THUẬT NGỮ CƠ BẢN SILICON LÀ GÌ? SILICA LÀ GÌ? THỦY TINH LÀ GÌ? ỐNG THỔI THỦY TINH LÀ GÌ? SILICONE LÀ GÌ? SILICAGEN LÀ GÌ? 6 8 TỔNG QUAN LỊCH SỬ THỦY TINH CÁC TÍNH CHẤT CỦA THỦY