CHƢƠNG 2 : ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO KHUÔN GỐM
2.1. Chất dính thủy tinh lỏng dùng trong ngành đúc
2.1.1. Tính chất hóa lý của thủy tinh lỏng
Thủy tinh lỏng có màu trắng đục và được coi là chất lỏng Newton cho đến khi độ nhớt của thủy tinh lỏng tăng tới mức liên kết của SiO2 và Na2O là cân bằng hoặc liên kết này bị phá vỡ bằng phản ứng hóa học, trở thành hai thành phần độc lập. Ví dụ, nếu dùng phương pháp polyme hóa để kết tủa SiO2 dưới dạng axít silic (H2SiO4) từ thủy tinh lỏng thì Na2O còn lại ở trong nước sẽ tạo thành hydroxít kiềm (NaOH). Do đó, thủy tinh lỏng bao gồm nước, ion kiềm mang điện tích dương, ion silicát mang điện tích âm và các vi hạt ion mang điện tích âm của keo silica (keo silica – colloidal silica).
Hình 2.1: Ảnh hưởng của mô đun và hàm lượng nước tới độ nhớt của thủy tinh lỏng [3]
Các vi hạt này đạt được và duy trì trạng thái ổn định bằng cách hấp phụ các ion Na+
cho tới khi quá trình đóng rắn hoặc phản ứng hóa học xảy ra. Chúng được thay thế bằng liên kết hydro hoặc bằng sản phẩm của phản ứng với silica. Màng silicát kiềm có tính linh động tốt hơn thủy tinh khan. Dung dịch silicát kiềm dễ dàng thấm ướt hầu hết các bề mặt gồm cả vật liệu hữu cơ có bề mặt nhẵn mịn và các hạt cát đúc. Có được đặc tính này là do thủy tinh lỏng có tính thấm ướt khá cao. Tuy nhiên, đặc tính này là không rõ ràng khi độ nhớt của thủy tinh lỏng tăng cao. Houwink và các cộng sự [46] đã làm thí nghiệm kiểm tra khả năng thấm ướt của thủy tinh lỏng trực tiếp trên giấy thấm ướt, kết quả cho thấy tốc độ thấm ướt phụ thuộc rất nhiều vào độ nhớt và mô đun của thủy tinh lỏng. Độ nhớt của thủy tinh lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ, mô đun và hàm lượng nước trong nó (hàm lượng nước trong thủy tinh lỏng được
biểu hiện qua tỷ trọng) đã được GS. Đinh Quảng Năng nghiên cứu và tổng hợp, như được trình bày ở hình 2.1 [3]. Độ nhớt của thủy tinh lỏng tăng khi tỷ trọng và mô đun của thủy tinh lỏng tăng (trường hợp M > 2), tuy nhiên với trường hợp M < 2 thì độ nhớt của thủy tinh lỏng cũng tăng khi tỷ trọng và mô đun của thủy tinh lỏng giảm.
Hình 2.2: Phân tích DTA/TG của thủy tinh lỏng có tỷ lệ SiO2/Na2O = 3,27; 27% khối lượng SiO2 [38]
Tương tự keo silic, với thủy tinh lỏng, ngay sau khi các hạt keo được hình thành với tiết diện bề mặt vô cùng lớn, nó sẽ hút và giữ các phân tử nước bao quanh bề mặt với một liên kết rất lớn (các phân tử nước bao quanh bề mặt các hạt keo) và làm giảm tính linh động của nước. Lực hấp thụ được thể hiện ở các lớp liên kết của nước (trạng thái rắn giả) và tạo ra lý tính cho nước hấp thụ (như điểm sôi và điểm đông cứng – đóng đá). Nhiệt độ sôi của nước hấp thụ tăng lên do đó nhiệt độ làm cho nước hấp thụ thoát ra từ gel tăng lên (lớn hơn 100o
C), nhiệt độ đóng đá của nước hấp thụ bị giảm xuống do đó nước ở trong gel bị đóng đá cũng ở nhiệt độ thấp hơn 0oC [93]. Như ở hình 2.2 trình bày phân tích DTA/TG thủy tinh lỏng của Hans Roggendorf và cộng sự [38], kết quả phân tích cho thấy khối lượng của thủy tinh lỏng giảm rất ít (khoảng 1% khối lượng) cho tới nhiệt độ 138oC. Tốc độ giảm khối lượng tăng dần tới 300oC, ở nhiệt độ này khối lượng của thủy tinh lỏng giảm khoảng 20% khối lượng. Sự phức tạp trong liên kết giữa thủy tinh lỏng và các hạt cát dùng trong ngành đúc cần phải có những nghiên cứu chi tiết về cấu trúc của thủy tinh lỏng, các sản phẩm thủy phân của axít silic, cơ chế của sự polyme hóa ngưng tụ của axít polysilic là thủy tinh lỏng, các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ polyme hóa và tạo gel, cơ chế đóng rắn của chất dính thủy tinh lỏng trong cát đúc.