2.4.1. Các thiết bị chính
- 01 lò điện trở dung tích 150 dm3, Tmax = 700 oC, công suất 15 kw kèm theo bộ điểu khiển nhiệt độ.
- 01 lò điện trở thí nghiệm công suất 3 kw, Tmax = 700 oC kèm theo bộ điều khiển nhiệt độ.
- 01 lò nấu thủy tinh dùng nhiên liệu dầu D, than đá, nấu gián tiếp qua nồi cổ vịt có thể tích chứa tối đa 50 kg thủy tinh.
- 02 nồi nấu thủy tinh sản xuất trong nước dung tích sử dụng 50 kg. - 02 lò ủ buồng dùng than đá.
- 02 can nhiệt và đồng hồ đo nhiệt độ.
2.4.2. Các thiết bị phụ trợ
- 02 bể inox dung tích 0,05 m3; 0,015 m3 và các giá đỡ thủy tinh, phụ kiện kèm theo;
- 01 khuôn ép thủy tinh.
Báo cáo tổng kết đề tài: Gia cường thủy tinh bằng phương pháp hóa học
2.5. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ DỰ KIẾN
Quy trình công nghệ dự kiến được thực hiện với các bước theo sơ đồ Hình 5.
Hình 5. Sơđồ công nghệ dự kiến
1. Chuẩn bị thủy tinh: Thủy tinh được gia công cắt, mài, khoan, vê viền (nếu
cần) theo yêu cầu cụ thể. Sau đó được rửa bằng nước pha với 5% nước rửa kính và phơi khô nhằm loại bỏ các vết bẩn, vết dầu mỡ và vết mồ hôi tay thợ trên mặt mẫu ngăn cản quá trình khuếch tán ion rồi phơi hoặc sấy khô.
2. Sấy thủy tinh: Dùng găng tay xếp thủy tinh vào giá đỡ và sấy thủy tinh lên
nhiệt độ 370 ÷ 470 oC tùy theo loại thủy tinh và độ dày sản phẩm với tốc độ lên nhiệt 2 ÷ 10 oC/phút.
3. Trộn hóa chất: Hóa chất được trộn theo tỷ lệ xác định và nhập vào bể inox.
4. Nung chảy hóa chất: Bể hóa chất được nung lên nhiệt độ 370 ÷ 470 oC tùy
theo loại sản phẩm với tốc độ lên nhiệt 2 ÷ 10 oC/phút. Trong trường hợp thí 1. Chuẩn bị thủy tinh
2. Sấy thủy tinh
5. Đưa thủy tinh vào bể
8. Rửa thủy tinh 4. Nung chảy hóa chất
3. Trộn hóa chất
7. Lấy thủy tinh khỏi bể
9. KCS
Báo cáo tổng kết đề tài: Gia cường thủy tinh bằng phương pháp hóa học
nghiệm, thủy tinh và hóa chất được nung trong cùng một lò. Trong công nghệ sản xuất thủy tinh và hóa chất sẽ được nung độc lập trong hai lò khác nhau.
5. Đưa thủy tinh vào bể ngâm: Khi hóa chất đã chảy và đạt nhiệt độ yêu cầu,
thủy tinh được thả từ từ vào bể hóa chất.
6. Ngâm thủy tinh trong bể hóa chất nóng chảy: Thủy tinh được ngâm trong bể
hóa chất ở nhiệt độ 370 ÷ 470 oC tùy theo loại sản phẩm, theo nguyên tắc nhiệt độ ngâm luôn dưới nhiệt độ chuyển pha Tg khoảng 50 ÷ 100 oC, trong thời gian từ 4 ÷ 24 giờ tùy theo yêu cầu cụ thể.
7. Lấy thủy tinh khỏi bể: Sau khi ngâm đủ thời gian, thủy tinh được nhấc lên
khỏi bể hóa chất và nguội theo lò với tốc độ 2 ÷ 10 oC/phút tùy theo độ dày của sản phẩm.
8. Rửa thủy tinh: Thủy tinh đã tôi được rửa sạch lượng muối kali còn bám trên
bề mặt và lau, sấy khô.
9. KCS: Đo thông số kỹ thuật mẫu theo yêu cầu cụ thể.
2.6. KIỂM TRA CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MẪU NGHIÊN CỨU
Mẫu thí nghiệm được đưa đi đo các thông số kỹ thuật bao gồm: Khả năng chịu va đập, khả năng chịu sốc nhiệt, độ bền uốn và độ cứng.
2.6.1. Khả năng chịu va đập
Khả năng chịu va đập có liên quan trực tiếp đến ứng lực nén của thủy tinh. Hiện trên thế giới dùng 2 phương pháp đo với ưu nhược điểm như sau:
2.6.1.1.Đo bằng phương pháp quang học
o Khác với thủy tinh tôi nhiệt, thủy tinh tôi hóa hiện tượng lưỡng chiết trên bề mặt thủy tinh rất mỏng nên máy đo phân cực [27] thường dùng cho thủy tinh tôi nhiệt không đo được ứng suất nén bề mặt mà phải sử dụng nguyên lý hiệu ứng quang học ống dẫn sóng hoặc phối hợp với kính hiển vi hỗ trợ.
o Phương pháp đo phức tạp và kinh phí đầu tư thiết bị quá lớn. Công ty Kunshan Ptc International (Trung Quốc) [28], [29] chào giá FOB tới 35 ÷ 40 nghìn USD, vượt cả chi phí đầu tư của một dây chuyền sản xuất nhỏ nên chỉ phù hợp với các
Báo cáo tổng kết đề tài: Gia cường thủy tinh bằng phương pháp hóa học
công ty lớn hoặc các dự án có lợi nhuận cao sản xuất các sản phẩm kính tôi hóa cho máy bay, màn hình LCD, điện thoại di dộng, máy tính bảng… Tháng 1/2012, Sheldon Eli và các đồng nghiệp [30] công bố phát minh tại Mỹ về phương pháp mới đo thủy tinh tôi hóa không phá mẫu. Tuy nhiên chưa có chào giá thiết bị thương mại. Theo khảo sát của đề tài, hiện trong nước chưa có đơn vị nào sở hữu máy đo ứng lực của thủy tinh tôi hóa, kể cả theo phương pháp phá mẫu và phương pháp không phá mẫu.
o Bám sát lý thuyết và liên quan trực tiếp đến thông số kỹ thuật của công nghệ tôi như: nhiệt độ, thời gian tôi…
o Đạt độ ổn định số liệu cao hơn.
o Tiết kiệm được chi phí chế tạo mẫu (đối với phương pháp đo không phải phá mẫu).
2.6.1.2.Đo bằng phương pháp bi rơi
o Phương pháp này bám sát thực tế ứng dụng. Về lý thuyết nó chỉ liên quan gián tiếp đến các điều kiện kỹ thuật của công nghệ tôi hóa vì nó là kết quả tổng hợp của mối quan hệ tương quan giữa ứng lực nén bề mặt cộng với lỗi bề mặt (các vết nứt micro trên bề mặt thủy tinh) và năng lượng va đập.
o Phù hợp với khách hàng phổ thông vì nó rất sát với thực tế tiêu dùng, ứng dụng, dễ nắm bắt, mà không cần kiến thức chuyên ngành sâu.
o Nhược điểm là thường phải phá, không lưu được mẫu gây tốn kém.
Do điều kiện tài chính có hạn nên trước mắt đề tài chỉ tập trung vào phương pháp đo thả bi. Trên thực tế Tiêu chuẩn TCVN 2004 [31] về kính tôi nhiệt cũng có quy định phương pháp bi rơi và từ lâu các công ty sản xuất kính tôi nhiệt trong nước cũng thường xuyên kiểm tra chất lượng mẫu hàng ngày do nhanh, tiện và đã phát huy hiệu quả trên thực tế trong nhiều năm qua.
Phương pháp đo:
Trên cơ sở tham khảo phương pháp đo và tiêu chuẩn của Mỹ, Anh, Đức và Trung Quốc, đề tài xây dựng phương pháp đo cụ thể như sau:
Báo cáo tổng kết đề tài: Gia cường thủy tinh bằng phương pháp hóa học
Các mẫu đo được kẹp viền cao su xung quanh 4 cạnh nhằm triệt tiêu ảnh hưởng của va đập cạnh mẫu với giá đo.
Mẫu đo được kẹp lên giá đo và bi thép (mạ crôm nhẵn bóng, không vết xước) với đường kính xác định được thả từ độ cao tăng dần 50 mm sau mỗi lần đo và đo đến khi đạt đến độ cao mục tiêu đề ra hoặc đến khi mẫu vỡ. Giá trị độ cao lớn nhất của mẫu chưa vỡ được ghi lại làm kết quả chịu va đập.
Do bi thép khi va đập với thủy tinh, ở vị trí tương quan của phương pháp đo, tác động đến cả khả năng chịu xung lực, độ bền nén và độ bền uốn, do đó trên cơ sở ứng dụng thực tế, mỗi kích thước kính mẫu được quy định loại bi có đường kính phù hợp với tương quan lực nén và lực uốn. Tất nhiên có sự dao động nhất định tùy theo quốc gia hay tổ chức cụ thể, ví dụ: Trong khi phần lớn các tổ chức dùng bi 227 g thì Glaesemann, Gregory, S. và đồng nghiệp [32] (Corning, Mỹ) lại dùng bi 135 g cho loại kính bảo vệ thiết bị điện tử.
Đường kính bi cụ thể:
o Với mẫu khổ 80 x 80 mm đường kính bi là 19 mm.
o Với mẫu khổ 300 x 300 mm đường kính bi là 38 mm (227 g). Khả năng chịu va đập (J) được tính theo công thức:
V = m.g.h trong đó, m là khối lượng bi thép g là gia tốc trọng trường;
h là khoảng cách độ cao bi rơi
2.6.2. Khả năng chịu sốc nhiệt
Thủy tinh được đưa vào lò có khả năng phân bố đều nhiệt độ với chênh lệch tối đa ∆T = 10 oC và lưu trong khoảng 4 giờ tại nhiệt độ xác định trước. Sau đó được thả vào bể nước chứa đá ở có nhiệt độ tại thời điểm là 0 oC theo phương thức: 1/3 diện tích mẫu phía dưới chìm vào nước và 2/3 còn lại ở trên mặt nước trong thời gian 5 phút. Thí nghiệm tăng 5 oC sau mỗi lần đo, đến khi đạt yêu cầu hoặc đến khi mẫu rạn, nứt hay vỡ.
Báo cáo tổng kết đề tài: Gia cường thủy tinh bằng phương pháp hóa học
2.6.3. Độ bền uốn
Độ bền uốn được đo bằng máy đo độ bền uốn 3 điểm (1 điểm nén từ trên xuống, 2 điểm đỡ đối xứng ở giữa) tại Bộ môn Silicat — Đại học Bách khoa Hà Nội.
Kích thước mẫu đo được gia công theo yêu cầu kỹ thuật của đơn vị đo, chi tiết cụ thể trong Bảng 4. Sau khi gia công theo đúng kích thước, các mẫu được chuyển sang công đoạn tôi hóa trong lò thí nghiệm với thời gian ngâm trong bể KNO3 nóng chảy 12 giờ ở nhiệt độ 410 oC.
Bảng 4. Các mẫu đo độ bền uốn Loại mẫu (kính nổi VFG) Mã số mẫu Kích thước (dày x dài x rộng), mm Số lượng mẫu Ghi chú Mẫu chưa tôi CT05 5 x 160 x 40 5
Đo để căn chỉnh thiết bị theo thông số tiêu chuẩn quốc tế. ĐT02 5 x 160 x 40 1 ĐT04 5 x 160 x 40 2 Mẫu đã tôi ĐT05 5 x 160 x 40 2 2.6.4. Đo độ cứng
Độ cứng của kính chưa tôi và đã tôi được chuyển đến đo tại Phòng Thí nghiệm Kim loại học và Nhiệt luyện – Đại học Bách Khoa Hà Nội với các mẫu đo trong Bảng 5. Sau khi gia công theo đúng kích thước, các mẫu được chuyển sang công đoạn tôi hóa trong lò thí nghiệm với thời gian ngâm trong bể KNO3 nóng chảy 12 giờ ở nhiệt độ 410 oC. Bảng 5. Các mẫu đo độ cứng Loại mẫu (kính nổi VFG) Mã số mẫu Kích thước (dày x dài x rộng), mm Số lượng mẫu Sốđiểm đo CT1 5 x 80 x 80 1 3
Mẫu chưa tôi
CT2 5 x 80 x 80 1 3
ĐT1 5 x 80 x 80 1 3
Báo cáo tổng kết đề tài: Gia cường thủy tinh bằng phương pháp hóa học
2.6.5. Xác định lượng kali thẩm thấu vào bề mặt thủy tinh
Mặc dầu công nghệ đã xuất hiện từ 50 năm nay, không còn mới với giới chuyên môn, tuy nhiên để xác định hiện tượng kali thẩm thấu vào bề mặt thủy tinh trong quá trình tôi hóa, đề tài sử dụng phương pháp Phổ tán xạ năng lượng tia X – EDX hay còn gọi là EDS.
Phân tích được thực hiện tại Trung tâm Đánh giá Hư hỏng Vật liệu COMFA – Viện Khoa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, bằng thiết bị JSM 6490 – JED 2300, JEOL, Nhật Bản.
2.6.6. Kiểm tra lượng ion kali bị giảm và natri tan vào muối bể ngâm
Mặc dầu vấn đề hàm lượng kali và natri trong bể ngâm thay đổi sau nhiều lần tôi là nhiệm vụ của dự án sản xuất thử nghiệm, tuy nhiên các thông số đo liên quan cũng có thể bổ sung thông tin hữu ích cho đề tài, do đó đề tài đã đo thử nghiệm hàm lượng kali và natri trong muối chưa dùng và muối đã tôi 10 lần bằng phương pháp phổ năng lượng tia X — EDS hay EDX.
Phân tích được thực hiện tại Trung tâm Kiểm định Vật liệu Xây dựng — Viện Vật liệu Xây dựng – Bộ Xây dựng.
Tuy nhiên do một phần KNO3 bị chuyển sang KNO2 và KOH, ngoài ra do phương pháp và thiết bị đo hạn chế về sai số trong khi kết quả đo lại cần độ chính xác cao, nên kết quả chưa đạt yêu cầu mong muốn. Chi tiết xem Biên bản đo trong Phụ lục. Như vậy khi sản xuất, công nghệ sẽ cần tìm phương pháp phân tích khác phù hợp hơn. Để tập trung vào các mục tiêu chính, đề tài không đi sâu tiếp vào vấn đề này.
2.7. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Như đã nêu trong mục 1.2.3.4 lĩnh vực tôi hóa hiện cũng đã phát triển rất rộng với nhiều loại hình công nghệ mới. Tuy nhiên mỗi loại công nghệ đều có hai mặt ưu nhược và phù hợp với từng mục tiêu ứng dụng nhất định.
Công nghệ tôi hóa gốc Li+ ở nhiệt độ trên nhiệt độ biến tính có ưu thế về thời
Báo cáo tổng kết đề tài: Gia cường thủy tinh bằng phương pháp hóa học
tôi ở nhiệt độ cao, nên vấn đề biến dạng sản phẩm lại nổi lên phức tạp như vấn đề của công nghệ tôi nhiệt hàng chục năm nay vẫn chưa khắc phục được triệt để.
Công nghệ tôi bằng hệ ion tổng hợp có thể đạt ứng lực bề mặt cao hơn và
hiệu quả trao đổi ion cao hơn, nhưng giá nguyên liệu lại cao hơn nhiều lần so với nguyên liệu của kali. Đặc biệt là sau khi thí nghiệm thành công, việc đặt các nhà máy kính sản xuất kính đầu vào cho công nghệ tôi hóa theo yêu cầu đề tài sẽ phải tính đến lượng vốn tối thiểu hàng trăm ngàn USD, nên hướng này chỉ phù hợp cho mục tiêu sản xuất các mặt hàng có giá cao và số lượng lớn, như mặt kính TV LCD, máy tính bảng, …
Các công nghệ tôi hóa kép, công nghệ tôi hóa 2 bước, công nghệ hỗ tôi hóa bằng điện trường và vi sóng có thể giúp tăng hiệu quả quá trình tôi, nhưng trước mắt đề tài chưa có điều kiện trang thiết bị ứng dụng và vấn đề tăng giá thành cũng còn cần được thăm dò về khả năng tiếp nhận của thị trường.
Các công nghệ trên đều là những lĩnh vực đề tài cần hướng tới. Tuy nhiên để phục vụ mục tiêu trước mắt, xét từ góc độ quy mô đề tài, điều kiện hạ tầng, thiết bị của đơn vị, công nghệ tôi phổ thông hiện vẫn là hướng đi phù hợp nhất. Mặc dầu là hướng có vốn đầu tư nghiên cứu nhỏ nhất, nhưng kinh phí đề tài cũng chưa đủ, nên thực hiện chủ trương xã hội hóa công tác khoa học, Viện và các thành viên đề tài đã đóng góp thêm kinh phí bổ sung nhằm đạt được mục tiêu nắm bắt kịp thời cơ hội ứng dụng, trước khi công nghệ bị lỗi thời hay bị cạnh tranh của hàng Trung Quốc.
Mặt khác nếu triển khai thành công hướng tôi hóa phổ thông, đề tài và Dự án sẽ có thể là tiền đề cho việc đầu tư phát triển công nghệ tôi hóa mới hoặc sẽ là thông tin tham khảo quan trọng cho việc xem xét tinh khả thi của Dự án đầu tư công nghệ tôi hóa hiện đại hơn.
Trên cơ sở các phân tích trên đề tài đã chọn công nghệ tôi hóa dựa trên trao đổi ion kali thay cho ion natri có đường kính nhỏ hơn làm hướng nghiên cứu chủ đạo.
2.7.1. Nghiên cứu nguyên liệu
Báo cáo tổng kết đề tài: Gia cường thủy tinh bằng phương pháp hóa học Lý do cần thiết khảo sát:
Kết quả khảo sát thăm dò ban đầu về thông số kỹ thuật kính chưa tôi và đã tôi cho thấy sự bất ổn định cao.
Khi nghiên cứu, đề tài chỉ mua số lượng kính nhỏ, nên chỉ có thể mua ở các đơn vị bán lẻ, khó tiếp cận với Nhà máy hoặc Đại lý lớn, nơi sở hữu các thông số kỹ thuật chi tiết về sản phẩm kính.
Vấn đề lỗi bề mặt và lỗi tạp chất trong thủy tinh không phải là mối quan tâm thường nhật của khách hàng và kể cả nhà máy, nó thuộc về vấn đề vi mô và chỉ nổi nên khi có nhu cầu đưa vật liệu lên một mức chất lượng cao hơn hẳn, nên kể cả khi tiếp cận được Nhà máy, nó cũng có thể là vấn đề mới với họ.