Bài giảng Định nghĩa thủy tinh

THỦY TINH ĐỊNH NGHĨA TRẠNG THÁI THỦY TINH CẤU TRÚC THỦY TINH TÍNH CHẤT CỦA THỦY TINH NGUYÊN LIỆU NHIÊN LIỆU CHUẨN BỊ PHỐI LIỆU NẤU THỦY TINH TẠO HÌNH Ủ VÀ TÔI CÁC KHUYẾT TẬT ĐỊNH NGHĨA Là chất rắn vô định hình, không có trật tự xa và không có sự lặp lại tuần hòan trong cách sắp xếp nguyên tử Là sản phẩm vô cơ nóng chảy được làm nguội đến trạng thái rắn mà không qua giai đọan kết tinh (ASTM) Là những vật thể vô định hình, có thể thu nhận được bằng cách làm nguội chất nấu chảy không phụ thuộc vào thành phần hóa và vùng nhiệt độ đóng rắn, có đặc trưng bằng sự tăng các tính chất cơ học của vật thể rắn khi tăng từ từ độ nhớt. Quá trình chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái thủy tinh là một quá trình thuận nghịch (Hội đồng về từ ngữ thuộc Viện Hàn Lâm khoa học Liên Xô cũ). TRẠNG THÁI THỦY TINH Tính đẳng hướng Nội năng cao hơn so với trạng thái tinh thể Quá trình chuyển từ lỏng  thủy tinh (rắn): khoảng nhiệt độ khá rộng Lỏng  rắn: tính chất thay đổi liên tục tg tf a b c d t0C Thể tích riêng SỰ PHỤ THUỘC THỂ TÍCH RIÊNG VÀO NHIỆT ĐỘ Thủy tinh thường: tg=420-5600C tf=680-7000C CẤU TRÚC THỦY TINH Thuyết cấu trúc vô định hình liên tục (Zakhariasen – Worren) Thuyết cấu trúc tinh thể (A.A.Lebedev) Thuyết cấu trúc vô định hình liên tục (Zakhariasen – Worren) Cao hơn Thấp hơn Nội năng Không đối xứng và không tuần hoàn Đối xứng, tuần hoàn Các nguyên tử sắp xếp 3 chiều liên tục Tạo thành từ những mạng CẤU TRÚC THỦY TINH CẤU TRÚC TINH THỂ Theo bất kỷ tỉ lệ nào Theo những số đơn giản Tỉ lệ thành phần mol các cấu tử ban đầu Phân bố ngẫu nhiên Chiếm vị trí xác định trong mạng Ion kim loại Không Có Khung [SiO4] xây dựng theo quy luật đối xứng chặt chẽ CẤU TRÚC THỦY TINH CẤU TRÚC TINH THỂ Tinh thể Thủy tinh Thủy tinh natri silicate Thuyết cấu trúc tinh thể (A.A.Lebedev) Thủy tinh silicate là hợp thể của các tinh thể có độ phân tán lớn, trong đó đa số là tinh thể thạch anh (1921) Lý thuyết vi tinh thể: thủy tinh là tập hợp các vi cấu trúc có các nguyên tử được sắp xếp trật tự. + Phần trung tâm: các nguyên tử phân bố có trật tự + Vùng ngọai vi: chuyển tiếp từ vi cấu trúc này sang vi cấu trúc khác. + Giữa các vi tinh thể không có bề mặt phân cách pha TÓM LẠI THỦY TINH LÀ CHẤT RẮN VÔ ĐỊNH HÌNH, CÓ: 1. Tính chất cơ học hoàn toàn đặc trưng cho chất rắn * Có tính đàn hồi * Có tính dòn dễ vỡ 2. Cấu trúc đặc trưng cho chất lỏng * Không có trật tự xa, nhưng có trật tự gần TÍNH CHẤT CỦA THỦY TINH TÍNH CHẤT CỦA THỦY TINH Ở TRẠNG THÁI NÓNG CHẢY ĐỘ NHỚT KHẢ NĂNG KẾT TINH SỨC CĂNG BỀ MẶT TỶ TRỌNG NHIỆT DUNG RIÊNG ĐỘ DẪN ĐIỆN ĐỘ NHỚT f: lực chống lại sự dịch chuyển 2 lớp chất lỏng song song η: độ nhớt của chất lỏng, N.s/m2 s: diện tích tiếp xúc giữa 2 lớp, m2 dv/dx: gradient tốc độ, s-1 Các nhiệt độ và giá trị độ nhớt đặc trưng của thủy tinh … Độ nhớt quyết định: * Vận tốc quá trình nấu * Quá trình tạo hình hỗn hợp thủy tinh Thành phần thủy tinh ảnh hưởng đến độ nhớt: Al2O3 > SiO2 > MgO > CaO > K2O > Na2O KHẢ NĂNG KẾT TINH Đ/v thủy tinh thường: kết tinh trong khối thủy tinh là điều không mong muốn Khả năng kết tinh (hỗn hợp thủy tinh có thành phần hóa bất kỳ): đặc trưng bởi khoảng nhiệt độ kết tinh (tkt) + Cao hơn tkt: dư thừa năng lượng bên trong ngăn cản sự hình thành mạng lưới tinh thể  không thể kết tinh + Thấp hơn tkt: độ nhớt của hỗn hợp cao  khả năng khuếch tán các phần tử tham gia tạo thành mạng lưới tinh thể thấp Thành phần hoá  quyết định sự hình thành pha tinh thể & giới hạn khoảng nhiệt độ kết tinh Dấu hiệu đầu tiên của quá trình kết tinh xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc giữa các pha (trên bề mặt & trong các lỗ rỗng khí, …) SỨC CĂNG BỀ MẶT Ảnh hưởng đến quá trình nấu chảy và tạo hình + Giai đoạn đầu qt nấu: sức căng bề mặt không cần lớn lắm + Cuối giai đoạn làm trong: sức căng bề mặt tăng  thúc đẩy quá trình hoà tan các bọt khí nhỏ vào trong hỗn hợp thủy tinh + Trong quá trình tạo hình (kính phẳng theo pp thẳng đứng): giúp vượt qua lực trọng trường (CÓ VAI TRÒ QUYẾT ĐỊNH KHI GIA CÔNG KÍNH PHẲNG THEO PP FLOAT) Sức căng bề mặt (thủy tinh nóng chảy)=3-4 sức căng bề mặt (nước) Thủy tinh công nghiệp: sức căng bề mặt khoảng 0,22-0,38N/m Phụ thuộc vào: + Thành phần môi trường khí + Thành phần của thủy tinh - Tăng sức căng bề mặt: Al2O3, CaO, MgO,… - Giảm sức căng bề mặt: K2O, sunfat, oxit asen,… + Nhiệt độ TỶ TRỌNG Giảm khi nhiệt nhiệt độ tăng NHIỆT DUNG RIÊNG Có thể tính theo công thức: Ct = C0 (1 + 0,00039t) Ct: nhiệt dung riêng trung bình của thủy tinh giữa nhiệt độ 0 – t0C, kJ/kg.0C C0: nhiệt dung riêng trung bình của thủy tinh giữa nhiệt độ 0 – 200C, kJ/kg.0C t: nhiệt độ của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy, 0C ĐỘ DẪN ĐIỆN Nhiệt độ tăng  độ dẫn điện tăng Phụ thuộc vào: thành phần hoá (oxit kiềm làm tăng độ dẫn điện của hỗn hợp thủy tinh nóng chảy) TÍNH CHẤT CỦA THỦY TINH Ở TRẠNG THÁI RẮN TÍNH CHẤT CƠTÍNH CHẤT NHIỆTTÍNH CHẤT QUANGTÍNH BỀN HOÁTÍNH CHẤT ĐIỆN TÍNH CHẤT CƠ TỶ TRỌNG: * Ảnh hưởng đến tính chất quang, tính chất nhiệt,… * Xác định bằng khối lượng riêng và thể tích riêng * Khối lượng riêng có thể tính theo CT: * Khối lượng riêng phụ thuộc vào: + Thành phần hoá + Trạng thái của thủy tinh: nấu chảy MgO > Na2O > Al2O3 > SiO2 Tỷ trọng thường dễ đo và đo chính xác  dùng làm đại lượng để kiểm tra sự ổn định về thành phần hoá học trong SX thủy tinh MODUN ĐÀN HỒI: - Tính đàn hồi đo bằng modun đàn hồi/ hệ số đàn hồi - Tính đàn hồi  dự đoán tính chất nhiệt, cơ của thủy tinh  dự đoán chế độ gia nhiệt, tôi và ủ - Khi tăng (B2O3, Al2O3, CaO) thay cho SiO2/tăng nhiệt độ  modun đàn hồi tăng - Modun đàn hồi phụ thuộc vào độ cong võng của thanh thủy tinh: 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 ĐỘ BỀN NÉN, KÉO VÀ UỐN: - Độ bền nén, kéo và uốn  lĩnh vực sử dụng của thủy tinh - Thủy tinh: (độ bền nén) = 10-15 (độ bền kéo và uốn) ở 2000C: độ bền bé nhất ở trong nước: chịu tải của thủy tinh giảm mạnh khi thử - Ứng suất dư tồn tại, do: + Quá trình ủ kém + Tạp chất + Các vết gợn sóng xuất hiện gần bề mặt của thủy tinh + Trạng thái của thủy tinh  tác động xấu lên cường độ uốn của thủy tinh - Thành phần hoá (qui tắc cộng tính) cường độ chịu kéo, nén - Tăng cường độ cho thuỷ tinh: + Sửa các khuyết tật lớp bề mặt của thủy tinh + Gia cường hoá học lớp bề mặt,… ĐỘ CỨNG: * Độ cứng khi ép * Độ cứng xước bề mặt * Độ cứng khi mài (thủy tinh chì và kiềm có độ cứng khi mài nhỏ, thủy tinh borosilicat có độ cứng khi mài lớn) ĐỘ GIÒN: * Là tính chất của vật liệu bị phá hủy tức thời khi có tác động của lực va đập * Cường độ va đập của thủy tinh sau khi tôi = 5-7 lần trước khi tôi * Cường độ va đập của thủy tinh ủ lâu = 2-2,5 lần ủ bình thường * Độ giòn của thủy tinh phụ thuộc vào: + Hình dạng mẫu + Kích thước mẫu + Phương pháp gia nhiệt Tăng cường độ va đập, giảm độ giòn: B2O3, Al2O3, MgO TÍNH CHẤT NHIỆT NHIỆT DUNG RIÊNG: * Là lượng nhiệt cần thiết để đốt nóng một đơn vị khối lượng thủy tinh lên 10C * Nhiệt dung riêng giảm khi cho: oxit kim loại nặng PbO, BaO,… * Nhiệt dung riêng tăng khi cho: Li2O, BeO, MgO,… Na2O > MgO > Al2O3 > SiO2 > K2O > CaO * Nhiệt độ tăng  nhiệt dung riêng tăng (đến Tg  tăng không đáng kể, trong khoảng biến đổi cấu trúc thì nhiệt dung riêng tăng nhanh) * Tính theo công thức: + P1, P2,..Pn: hàm lượng theo khối lượng các oxit trong thủy tinh + C1, C2, C3: hệ số tính toán (tra bảng) ĐỘ DẪN NHIỆT: * Đặc trưng bằng hệ số dẫn nhiệt (lượng nhiệt đi qua hai bề mặt đối diện nhau của 1cm3 thủy tinh khi hiệu nhiệt độ giữa các bề mặt là 10C trong một đơn vị thời gian) * Các oxit ảnh hưởng: MgO > Na2O > CaO > Al2O3 > SiO2 * Phụ thuộc vào: + Nhiệt độ + Bề dày mẫu,… * Tính theo nguyên tắc cộng tính: λ = λ1.P1 + λ2.P2 + …+ λn.Pn λ1, λ2, …, λn: hệ số riêng của độ dẫn nhiệt của từng oxit (tra bảng) P1, P2, …, Pn: hàm lượng oxit trong thuỷ tinh, % HỆ SỐ GIÃN NỞ NHIỆT: * Xác định: + Theo nguyên tắc cộng tính + Đồ thị l/l0 = 1 + α.(T – T0) * Độ giãn nở nhiệt cao  thủy tinh thay đổi thể tích nhiều khi thay đổi nhiệt độ  dễ vỡ khi nhiệt độ thay đổi đột ngột. * Các oxit ảnh hưởng: K2O > Na2O > CaO > MgO > SiO2 > Al2O3 > B2O3 TÍNH CHẤT QUANG HỆ SỐ KHÚC XẠ Pháp tuyến Môi trường 1 Môi trường 2 Tia khúc xạ Tia tới i r Hệ số khúc xạ phụ thuộc vào: + Tần số (tần số tăng  n giảm) + Bước sóng ánh sáng + Nhiệt độ của thủy tinh (nhiệt độ tăng  hệ số khúc xạ tăng) + Thành phần hoá học của thủy tinh SỰ PHẢN XẠ I0 IR1 IR2 IR3 IR4 IR5 IT1 IT2 IT3 IT4 TÍNH BỀN HOÁ ĐỘ BỀN AXIT: Sự tấn công của axit vào thủy tinh là sự trao đổi ion dương trên bề mặt. Thủy tinh silicat rất bền với axit (NGOẠI TRỪ HF) Độ phân tán (Ion kiềm) = 10 lần độ phân tán (Ion kiềm thổ)  xảy ra quá trình trao đổi với ion kiềm Axit tấn công  ion kiềm trên bề mặt ít dần  tạo lớp film  độ bền axit tăng theo thời gian Sự tấn công của axit không phụ thuộc vào loại và nồng độ axit Độ bền axit của các loại thủy tinh Xếp loại Thủy tinh silicat kiềm_kiềm thổ: 2 hoặc 3 Borosilicat 1 Silicat chì 3 Alumosilicat 3 ĐỘ BỀN KIỀM: Sự tấn công của kiềm vào thủy tinh là phản ứng giữa các ion OH- vào mạng lưới SiO2  silicat kiềm và axit silic Không tạo lớp film  độ hoà tan của thủy tinh trong dung dịch kiềm tỉ lệ với thời gian pH tăng  tốc độ hoà tan tăng Độ bền kiềm: Xếp loại Bền nước TT silicat kiềm_kiềm thổ 2 5 Boro silicat 2 1 Silicat chì 3 3 – 4 Alumo silicat 3 1 ĐỘ BỀN NƯỚC: Lúc đầu: giống như tác động của axit Lúc sau: giống như tác động của kiềm TÍNH CHẤT ĐIỆN