CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ
4.1. BÔNG KHOÁNG
4.1.4. Các tính chất của chất nung chảy
Quá trình chế tạo chất nung chảy silicat diễn ra các q trình hóa lí đa dạng phụ thuộc vào thành phần phối liệu và nhiệt độ. Tất cả các trường hợp đều diễn ra quá trình tạo các hợp chất silicát và thủy tinh. Quá trình này diễn ra trong trạng thái rắn, ngay cả ở điều kiện nhiệt độ thấp (400 – 600oC) với tốc độ phản ứng nhỏ. Quá trình tạo các hợp chất silicat diễn ra mạnh hơn khi pha lỏng xuất hiện do nóng chảy các thành phần dễ chảy của phối liệu làm xuất hiện các hợp chất ơtecti.
Khả năng tương tác hóa học giữa các thành phần phối liệu được quyết định bởi qui luật nhiệt động. Một trong những nhân tố đó là sự tiếp xúc bề mặt. Khi diện tích tiếp xúc giữa các hạt phối liệu càng lớn, phản ứng xảy ra càng nhanh. Vì vậy khi thành phần phối liệu được nghiền mịn sẽ thúc đẩy quá trình tạo các hợp chất silicat cũng như quá trình đồng nhất hóa chất nung chảy.
Để chuyển pha rắn sang trạng thái lỏng cần chi phí năng lượng khắc phục lực tác dụng giữa các phần tử trong mạng lưới tinh thể. Sự nóng chảy chỉ diễn ra khi năng lượng dao động trung bình của các phần tử trong mạng lưới tinh thể đủ lớn để phá vỡ các mối liên hệ giữa chúng.
Trong tất cả các dạng liên kết hóa học, liên kết giữa O-2 và Si4+ có độ bền cao nhất. Chính mối liên kết này tạo điều kiện cho sự tồn tại các phức chất chứa ôxy và silic như những đơn vị cấu trúc độc lập của mạng lưới tinh thể. Khi nóng chảy mạng lưới tinh thể của hợp chất silicat bị phá hủy do mối liên kết giữa các cation và anion ôxy – silic yếu.
Các tính chất cơ bản của chất nung chảy silicat ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của bơng khống như độ nhớt, sức căng bề mặt và khả năng kết tinh của nó.
a) Độ nhớt
Độ nhớt của chất nung chảy là sức cản của lớp chất nung chảy khi có sự dịch chuyển tương đối nhờ sự tồn tại của nội ma sát giữa các phân tử.
Khi không chứa các phần tử kết tinh lơ lửng thì chất nung chảy silicat là một chất lỏng Niutơn. Khi nhiệt độ thấp hơn giới hạn trên của sự kết tinh, trong chất nung chảy silicat xuất hiện những dấu hiệu hình thành cấu trúc có ảnh hưởng xấu đến chất lượng của sợi.
Độ nhớt của chất nung chảy phụ thuộc vào môđun độ nhớt: MSiO2 + 2MAl2O3
Mη = ---------------------------------------------------------- 2MFe2O3 + MFeO + MCaO + MgO + MK2O + M N2O % ôxit
Trong đó: M = ------------ Môxit
Với Môxit là phân tử lượng của ôxit. Giá trị của Mη được lấy như sau: - Đối với lò đứng: Mη ≤ 1,2 - Đối với lò bể: Mη ≤ 1,4
Độ nhớt của chất nung chảy phụ thuộc vào nhiệt đơ, khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt giảm và ngược lại. Sự biến thiên của độ nhớt, là một đặc điểm phụ thuộc vào nhiệt độ của các chất nung chảy khác nhau là khác nhau. Do vậy chất nung chảy được chia làm hai loại: “chất nung chảy dài” và “ chất nung chảy ngắn”.
Các chất nung chảy dài thường có khoảng độ nhớt rộng, nghĩa là khoảng nhiệt độ giữa trạng thái chảy lỏng và trạng thái rắn tương đối lớn. Đối với chất nóng chảy ngắn thì khoảng nhiệt độ này khá nhỏ, tức là khoảng độ nhớt hẹp.
Hình 4.4: Biểu đồ phụ thuộc của độ nhớt vào nhiệt độ của chất nung chảy Đường (1) – Chất nung chảy “dài” [∆t = 600-12000C];
Đường (2) – Chất nung chảy “ngắn” [∆t = 900-12000C];
b) Sức căng bề mặt
Sức căng bề mặt được đặc trưng bởi giá trị của lực tác dụng giữa các phân tử bề mặt (các ngun tử, iơn). Ý nghĩa vật lí của sức căng bề mặt được biểu diễn bằng công thức thực nghiệm khi treo một vật lên đầu một sợi bơng khống bị đốt nóng đến trạng thái nhớt dẻo sau: P
δ = -------- ; (N/m) π.r
Trong đó:
P – Khối lượng của trọng vật và của sợi bơng khống tính từ đầu dưới đến điểm có biến dạng bằng o, N;
Khi tạo ra bề mặt mới cần chi phí năng lượng để thắng sức căng bề mặt của chất nung chảy. Sức căng bề mặt càng lớn thì cơng sử dụng để tạo ra bề mặt mới càng lớn.
Sự thay đổi thành phần của lớp bề mặt có ảnh hưởng đáng kể đến sức căng bề mặt.
Bề mặt phân pha giữa chất nung chảy và chất khí tuân theo quy luật được biểu diễn bằng phương trình nhiệt động Gip:
C dδ G = - ------ . ------ ; (mol/cm2) RT dC Trong đó: G – Giá trị hấp phụ riêng; C – Hoạt động, mol/l; R – Hằng số chất khí = 8,31.107; T – Nhiệt độ tuyệt đối, oK;
Dδ/dc – Hoạt tính bề mặt.
Theo A.A.Appen, trong chất nung chảy, các ơxít SiO2, TiO2, Al2O3, Na2O, MgO, MnO, CaO, FeO là những chất không hoạt động bề mặt ( dδ/dc >o). Các ơxít Cr2O3, CrO3, SO3, V2O5, WO3 là những chất hoạt động bề mặt.
Trong các ơxít có mặt trong chất nung chảy silicat thì SiO2 và Na2O có sức căng bề mặt nhỏ nhất.
Ở nhiệt độ 600 – 750oC chất nung chảy có δ =10 – 0,25 N/m. Khi nhiệt độ cao hơn sự biến đổi sức căng bề mặt phụ thuộc không đáng kể vào nhiệt độ.
Khi giảm sức căng bề mặt sẽ ảnh hưởng có lợi cho q trình cơng nghệ liên quan đến sự tăng bề mặt phân pha giữa pha nóng chảy và pha khí. Đó là những quy trình cơng nghệ sử dụng trong sản xuất bơng khống, thủy tinh, peclit phồng.