4.4.1 Tính chất của thủy tinh ở trạng thái nóng chảy:
4.4.1.1 Ðộ nhớt:
Trong chuyển động của một số lớp chất lỏng tương đối với lớp khác xuất hiện một lực tác động chống lại (f): dx dv s f =η. .
Trong đó: s: diện tích tiếp xúc giữa hai lớp, m2 η: độ nhớt của chất lỏng, N.s/m2
dx dv : gradient của vận tốc, s-1 Khi s=1, dx dv
=1, thì f=η. Hay nói cách khác, độ nhớt là lực cản giữa hai lớp song song tiếp xúc với nhau qua một diện tích s=1 ở gradient
dx dv
=1.
Ở các giai đoạn khác nhau của quá trình nấu và gia công thủy tinh thì độ nhớt của hỗn hợp thủy tinh cần giữ trong một giới hạn cho trong bảng sau:
Bảng 4.1 Các nhiệt độ đặc trưng của thủy tinh và các giá trị độ nhớt tương ứng của nó
Các giai đoạn Nhiệt độ thủy tinh, 0C Ðộ nhớt, N.s/m2
Cao Thấp Thông thường
Làm trong 1550 1000 1200 – 1400 10
Bắt đầu gia công 1350 850 1000 – 1100 102
Biến dạng 900 650 700 – 800 4.107
Thiêu kết 750 450 550 – 650 108
Ủ 650 400 580 – 600 1012
Ðộ nhớt là một trong những tính chất công nghệ có ảnh hưởng quyết định đến vận tốc quá trình nấu và tạo hình hỗn hợp thủy tinh. Ðộ nhớt của hỗn hợp thủy tinh ở nhiệt độ nấu chảy chúng càng bé thì quá trình nấu thủy tinh càng nhanh.
Thủy tinh nấu chảy có độ nhớt thấp sẽ thúc đẩy sự trao đổi vật chất trong quá trình tạo thành silicat và thủy tinh, do tăng tốc độ của quá trình khuếch tán sự tách khí trong hỗn hợp, khí vượt nhanh lên bề mặt để thoát ra ngoài, rút ngắn quá trình làm đồng nhất phối liệu nấu chảy.
Thành phần thủy tinh có ảnh hưởng đến độ nhớt của chúng ở nhiệt độ cho trước, tốc độ biến đổi của chúng khi nhiệt độ thay đổi. Ảnh hưởng các oxit trong thành phần của thủy tinh đến độ nhớt được xếp theo thứ tự sau:
Al2O3 > SiO2 > MgO > CaO > K2O > Na2O
Trong thí nghiệm, đo độ giãn nở bằng một thanh thủy tinh, với điều kiện vật không chịu nén:
δ = 3η.
dt dε
Trong đó: δ: ứng suất
dt
dε : tốc độ thay đổi chiều dài. Để tính toán thực tế người ta sử dụng: Lgη = A + o T T B −
Với A, B, To: là hằng số, có thể tính qua 3 điểm đo (η,T).
4.4.1.2 Khả năng kết tinh:
Khả năng kết tinh của thủy tinh là xu hướng của chúng tới sự tinh thể hóa. Chúng ta cần quan tâm đến khả năng kết tinh (là khoảng nhiệt độ mà trong đó nó có thể kết tinh) cũng như tốc độ tinh thể hóa để chọn chế độ nấu và gia công thích hợp. Ðối với thủy tinh thông thường thì việc kết tinh trong khối thủy tinh là điều không mong muốn.
Khả năng kết tinh của một hỗn hợp thủy tinh có thành phần hóa bất kỳ được đặc trưng bởi khoảng nhiệt độ kết tinh. Cao hơn nhiệt độ này tinh thể không thể tạo thành do hiện tượng dư thừa năng lượng bên trong ngăn cản sự hình thành mạng lưới tinh thể, còn khi thấp hơn khoảng nhiệt độ này thì độ nhớt của hỗn hợp cao làm cho khả năng khuếch tán các phần tử tham gia tạo thành mạng lưới tinh thể thấp. Thành phần hóa của hỗn hợp thủy tinh sẽ quyết định sự hình thành pha tinh thể và giới hạn khoảng nhiệt độ kết tinh.
Các dấu hiệu đầu tiên của quá trình kết tinh xuất hiện trên mặt tiếp xúc giữa các pha (thông thường nhất là trên bề mặt, trong các lỗ rỗng khí, miền tiếp xúc với các tạp chất,…).
4.4.1.3 Sức căng bề mặt:
Công cần thiết để thực hiện việc tăng bề mặt của chất lỏng lên một đơn vị gọi là sức căng bề mặt của chất lỏng (N/m hay J/m2).
Sức căng bề mặt của hỗn hợp thủy tinh ảnh hưởng đến quá trình nấu chảy và tạo hình. Ở giai đoạn đầu của quá trình nấu thủy tinh thì sức căng bề mặt không cần lớn lắm (bởi vì sức căng bề mặt quá lớn sẽ làm quá trình tách khí và trao đổi vât chất trong pha lỏng giảm). Còn ở cuối giai đoạn làm trong hỗn hợp thủy tinh thì sức căng
bề mặt tăng sẽ thúc đẩy quá trình hòa tan các bọt khí nhỏ vào hỗn hợp thủy tinh. Trong quá trình tạo hình (kính phẳng theo phương pháp kéo thẳng đứng) sức căng bề mặt giúp vượt qua lực trọng trường. Ðặc biệt sức căng bề mặt đóng vai trò quyết định khi gia công kính phẳng theo phương pháp float.
Thủy tinh nóng chảy có sức căng bề mặt cao gấp 3-4 lần sức căng bế mặt của nước. Sức căng bề mặt của thủy tinh công nghiệp khoảng 0,22-0,38 N/m.
Phụ thuộc vào:
+ Thành phần môi trường khí + Thành phần thủy tinh + Nhiệt độ
Khi cho vào phụ gia như Al2O3, CaO, MgO thì sức căng bề mặt tăng; còn khi cho K2O, sunfat, flirit, oxit asen,… sẽ làm giảm sức căng bề mặt.
Ở nhiệt độ cao, sức căng bề mặt của hỗn hợp thủy tinh ít phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi tăng nhiệt độ lên cứ 1000C thì sức căng bề mặt giảm 1-2%, còn ở khoảng nhiệt độ gia công thủy tinh thì khi tăng nhiệt độ lên cứ 1000C, sức căng bề mặt của chúng giảm 10%.
4.4.1.4 Tỷ trọng:
Tỷ trọng của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy giảm khi nhiệt độ tăng.
4.4.1.5 Nhiệt dung riêng:
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy có thể xác định theo công thức:
Ct = C0 (1 + 0,00039t) Trong đó:
Ct: nhiệt dung riêng trung bình của thủy tinh giữa nhiệt độ 0 – t0C, kJ/kg.0C C0: nhiệt dung riêng của thủy tinh cùng thành phần ở nhiệt độ 0 – 200C, kJ/kg.0C
t: nhiệt độ của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy, 0C
4.4.1.6 Ðộ dẫn điện:
Nhiệt độ của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy tăng làm độ dẫn điện của chúng tăng lên.
Ðộ dẫn điện của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy phụ thuộc vào thành phần hóa của chúng. Các oxit kiềm làm tăng độ dẫn điện của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy.
4.4.2 Các tính chất của thủy tinh ở trạng thái rắn:
4.4.2.1 Tính chất cơ: 1. Tỷ trọng:
Ðây là một đại lượng vật lý quan trọng, nó có ảnh hưởng đến tính chất quang, tính chất nhiệt và các tính chất khác của thủy tinh. Ðược xác định bằng khối lượng riêng và thể tích riêng.
Khối lượng riêng của thủy tinh có thể xác định theo công thức:
n n x a x a x a Y + + + = .... 100 2 2 1 1
Trong đó: a1, a2, …,an là hàm lượng phần trăm theo khối lượng của các oxit riêng biệt trong thủy tinh; x1, x2, …., xn là các hằng số khối lượng riêng của các oxit riêng biệt trong thủy tinh.
Khối lượng riêng của thủy tinh phụ thuộc vào: + Thành phần hóa
+ Trạng thái của thủy tinh: khối lượng riêng ở trạng thái nấu chảy nhỏ hơn so với trạng thái rắn, thủy tinh ủ kém có khối lượng riêng nhỏ hơn so với ủ tốt,…..
Bảng 4.2. Khối lượng riêng của một số loại thủy tinh
Loại thủy tinh Khối lượng riêng (g/cm3)
TT silicat kiềm - kiềm thổ 2,48-2,6 trung bình Boro silicat 2,24-2,41 thấp Silicat chì 2,85-3,12 cao Alumo silicat 2,47-2,65 trung bình Đặc biệt, thủy tinh silic có tỷ trọng nhỏ nhất ρ = 2,2 g/cm3. Ảnh hưởng của các oxit đến tỷ trọng của thủy tinh:
CaO > MgO > Na2O > Al2O3 > SiO2
Sự chênh lệch giữa giá trị khối lượng riêng theo tính toán và theo thực nghiệm đối với thủy tinh công nghiệp trong khoảng 1,5-10%.
Vì tỷ trọng dễ đo và đo rất chính xác nên thường được dùng làm đại lượng để kiểm tra sự ổn định về thành phần hóa học trong sản xuất thủy tinh và nó thay đổi theo nhiệt độ.
2. Modun đàn hồi:
Tính đàn hồi của vật liệu là khả năng của chúng có thể tự trở lại hình dạng ban đầu của mình sau khi đã trải qua sự biến dạng đàn hồi. Tính đàn hồi được đo bằng modun đàn hồi hay hệ số đàn hồi.
Tính đàn hồi của thủy tinh cũng có ý nghĩa to lớn, vì qua đó ta có thể dự đoán được các tính chất nhiệt, cơ của thủy tinh cũng như cũng có thể dự đoán được chế độ gia nhiệt, tôi và ủ chúng.
Khi tăng thành phần B2O3, Al2O3, CaO thay cho SiO2 hay tăng nhiệt độ thì modun đàn hồi sẽ tăng.
Thông thường modun đàn hồi được xác định phụ thuộc vào độ cong võng của thanh thủy tinh theo công thức:
3 3 . . . 4 . a b F l P E= , kg/mm2
Trong đó: P: lực tác dụng lên vị trí giữa thanh được đặt trên hai gối l: khoảng cách giữa hai gối
F: độ cong võng của thanh
b: chiều rộng của thanh thiết diện hình chữ nhật a: chiều cao của thiết diện thanh
3. Ðộ bền nén, kéo, uốn:
Thông qua tính chất này có thể xác định được lĩnh vực sử dụng của thủy tinh. Ðộ bền kéo và uốn của thủy tinh thấp hơn so với độ bền nén từ 10-15 lần. Ðộ bền của thủy tinh bé nhất ở 2000C. Cường độ của thủy tinh giảm mạnh khi thử tải trong nước
Sự tác động xấu lên cường độ uốn của thủy tinh là các ứng suất dư tồn tại do: + Quá trình ủ kém
+ Tạp chất
+ Trạng thái của thủy tinh
Khi biết thành phần hóa có thể sử dụng quy tắc cộng tính để tính cường độ kéo, nén.
Có nhiều giải pháp để gia tăng cường độ cho thủy tinh: + Sửa các khuyết tật lớp bề mặt của thủy tinh. + Gia cường hóa học lớp bề mặt
4. Ðộ cứng:
* Ðộ cứng khi ép: được xác định bằng cách ép hình chóp kim cương lên bề mặt thủy tinh: 2 . 854 , 1 D P H =
P: lực tác dụng lên hình chóp của lăng trụ kim cương đè lên bề mặt thủy tinh D: đường chéo nhận được trên vết đè của hình chóp kim cương lên bề mặt thủy tinh
* Độ cứng xước bề mặt: theo Mohs H = 6. Tất cả các loại thủy tinh đều có thể cứa lên nhau có ý nghĩa cho quá trình cắt thủy tinh.
* Độ cứng khi mài: rất khác nhau giữa các loại thủy tinh. Xác định bằng lượng thủy tinh mất đi khi mài dưới một điều kiện xác định. Thủy tinh chì và kiềm độ cứng khi mài nhỏ. Thủy tinh trung tính boro silicat có độ cứng khi mài lớn.
5. Ðộ giòn:
Ðộ giòn là tính chất của vật liệu bị phá hủy tức thời khi có tác động của lực va đập: R V R D n t . = R=∑(P.h) Trong đó:
Rn: cường độ nén của thủy tinh V: thể tích mẫu
R: tổng các lần rơi va đập của bi thép cần sử dụng để đập vỡ mẫu P: khối lượng quả bi
h: chiều cao rơi
Cường độ va đập tính theo công thức:
V h P
W =∑( . )
Cường độ va đập của thủy tinh sau khi tôi cao hơn 5-7 lần so với trước khi tôi. Nếu ủ lâu dài, thủy tinh cho cường độ va đập cao hơn 2-2,5 lần bình thường.
Ðộ giòn của thủy tinh phụ thuộc vào hình dạng, kích thước mẫu thử và phương pháp gia nhiệt chúng.
Khi cho vào thủy tinh các oxit B2O3, Al2O3, MgO thì sẽ làm cho cường độ va đập tăng, độ giòn giảm.
4.4.2.2 Tính chất nhiệt: 1. Nhiệt dung riêng:
Là lượng nhiệt cần thiết để đốt nóng một đơn vị khối lượng thủy tinh lên 10C. Khi cho vào thủy tinh các oxit kim loại nặng như PbO, BaO,…thì nhiệt dung riêng của thủy tinh giảm, ngược lại cho thêm Li2O, BeO, MgO,…nhiệt dung riêng sẽ tăng lên.
Ảnh hưởng của các oxit đến nhiệt dung riêng của thủy tinh: Na2O > MgO > Al2O3 > SiO2 > K2O > CaO
Nhiệt dung riêng của thủy tinh tăng khi nhiệt độ tăng cho đến một giới hạn nhiệt độ Tg thì nhiệt dung riêng tăng không đáng kể, còn trong khoảng biến đổi cấu trúc bên trong thì nhiệt dung riêng tăng nhanh.
Có thể tính nhiệt dung riêng của thủy tinh theo công thức: 100 . ... 100 . 100 . 2 2 1 1 n n tt P C P C P C C = + + +
Trong đó: P1, P2,…,Pn là hàm lượng theo khối lượng các oxit trong thủy tinh C1, C2,…, Cn các hệ số tính toán (tra bảng)
2. Ðộ dẫn nhiệt:
Ðược đặc trưng bằng hệ số dẫn nhiệt. Hệ số dẫn nhiệt là lượng nhiệt trong một đơn vị thời gian đi qua hai bề mặt đối diện nhau của 1cm3 thủy tinh khi hiệu nhiệt độ giữa các bề mặt là 10C.
MgO > Na2O > CaO > Al2O3 > SiO2
Ðộ dẫn nhiệt của thủy tinh phụ thuộc vào nhiệt độ, bề dày mẫu,….Có thể tính theo nguyên tắc cộng tính.
3. Hệ số giãn nở nhiệt:
Có thể đo bằng dilatometer hoặc tính bằng công thức APPEN.
Hệ số giãn nở nhiệt thường được cung cấp cho khoảng nhiệt độ 200C÷4000C.
Đo: ll 1 (T To ) o
− +
= α : vẽ đồ thị → đường thẳng. Có thể xác định hệ số giãn nở nhiệt theo nguyên tắc cộng tính.
Độ giãn nở nhiệt cao, thủy tinh thay đổi thể tích nhiều khi tăng nhiệt độ → dễ vỡ khi nhiệt độ thay đổi đột ngột.
Bảng 4.3. Hệ số giãn nở nhiệt của một số loại thủy tinh Loại thủy tinh Hệ số giãn nở nhiệt (.10-7.K-1)
TT silicat kiềm - kiềm thổ 90-105
Boro silicat 32-50
Silicat chì 85-100
Alumo silicat 40-60
Thủy tinh boro silicat có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ nhất → bền khi thay đổi nhiệt độ. Dùng để làm dụng cụ thủy tinh trong phòng thí nghiệm và các thiết bị kỹ thuật.
Ngoại lệ: thủy tinh hàn: α20-400 ≈ 130.10-7.K-1 độ dãn nở nhiệt lớn.
thủy tinh silic: α20-400 ≈ 6.10-7.K-1→ làm kính viễn vọng vũ trụ. Các oxit ảnh hưởng đến hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh:
K2O > Na2O > CaO > MgO > SiO2 > Al2O3 > B2O3
4.4.2.3 Tính chất quang: 1. Hệ số khúc xạ:
Hệ số khúc xạ n của thủy tinh trong không khí khi tia sáng truyền vào: φ1
n= 2 1 sin sin ϕ ϕ φ2 Hệ số khúc xạ phụ thuộc vào:
+ Tần số ν (khi trong khoảng bước sóng không có sự hấp thu đặc biệt thì n giảm khi tần số tăng, còn trong vùng bước sóng có sự hấp thụ mạnh thì n tăng khi ν tăng).
+ Bước sóng λ của ánh sáng
+ Nhiệt độ của thủy tinh (hệ số khúc xạ tăng khi tăng nhiệt độ tăng và gần với vùng nhiệt độ hóa mềm chúng có sự thay đổi đột biến có mối quan hệ với các biến đổi cấu trúc trong thủy tinh).
+ Thành phần hóa học của thủy tinh (cho phép tạo ra nhiều loại thủy tinh với các hằng số quang học đa năng).
Theo phương pháp L.I.Demkina. Hệ số khúc xạ có thể được tính vớ độ chính xác đến 0,001 theo công thức: n n n n n S P S P S P S P n S P n S P n n + + + + + + = ... . ... . . 2 2 1 1 2 2 2 1 1 1 2. Sự phản xạ:
Một phần tia sáng chiếu vào bề mặt thủy tinh bị phản xạ. Theo luật phản xạ, góc tia tới bằng góc tia phản xạ.
Ví dụ: thủy tinh tấm phản xạ nhiều lần. IR1 IR2 IR3 IR4 IR5
Io
* P1, P2,…, Pn: hàm lượng các oxit trong thủy tinh, %khối lượng.
* S1, S2,…, Sn: các hệ số dùng để chuyển đổi hàm lượng các oxit từ đơn vị khối lượng sang phần thể tích.
* n1, n2,…., nn: các hệ số dùng để tính hệ số khúc xạ, tương ứng với từng oxit.
Độ phản xạ: Rλ = o I I R λ λ = cường độ phổ phản xạ/cường độ phổ đến. IλR = IλR1 + IλR2 +…
Độ phản xạ của một vật có độ dày giới hạn và độ xuyên qua giới hạn luôn lớn hơn độ phản xạ nhiều lần.
Ứng dụng: tăng độ phản xạ của thủy tinh bằng cách xử lí bề mặt.
3. Sự hấp thu:
Ánh sáng chiếu tới một phần bị hấp thu sẽ làm nóng thủy tinh, nhất là các tia hồng ngoại.
4.4.2.4 Tính bền hóa: 1. Độ bền axit:
Sự tấn công của axit vào thủy tinh trong điều kiện lý tưởng là sự trao đổi ion dương trên bề mặt.
Thủy tinh silicat rất bền với axit (trừ HF → khắc thủy tinh).
Trường hợp có các ion kiềm trong thủy tinh thì quá trình trao đổi hầu như chỉ xảy ra với các ion kiềm vì chúng phân tán nhanh hơn kiềm thổ 10 lần.