Báo cáo tổng kết đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất thủy tinh pyrex làm dụng cụ thí nghiệm và dụng cụ lò vi sóng

Chia sẻ: Lê đức Thiện | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:41

Thêm vào BST

Báo xấu

180
lượt xem 33
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu tổng quan về thủy tinh pyrex, nghiên cứu tiêu chuẩn nguyên liệu làm thủy tinh pyrex, nghiên cứu lựa chọn nguồn nguyên liệu sản xuất thủy tinh pyrex, nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất thủy tinh pyrex, ứng dụng quy trình công nghệ chế thử sản phẩm dụng cụ thí nghiệm, dụng cụ lò vi sóng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo tổng kết đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất thủy tinh pyrex làm dụng cụ thí nghiệm và dụng cụ lò vi sóng

VIỆN NGHIÊN CỨU SÀNH SỨ THỦY TINH CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THỦY TINH PYREX LÀM DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM VÀ DỤNG CỤ LÒ VI SÓNG CNĐT: NGUYỄN NGỌC ẢNH 8326 HÀ NỘI – 2010
MỤC LỤC Trang Phần mở đầu 1 Chương I Cơ sở lý thuyết của đề tài 4 I Cơ sở lý thuyết chung 4 I.1 Những yêu cầu kỹ thuật của thủy tinh pyrex 4 I.2 Những tính chất cơ bản của thủy tinh pyrex cần quan tâm 5 II Nguyên liệu dùng cho sản xuất thủy tinh 6 II.1 Nguyên liệu chính 6 II.2 Nguyên liệu phụ 8 II.3 Các phương pháp tạo hình thủy tinh 9 Chương II Nghiên cứu thí nghiệm 11 I Nghiên cứu lựa chọn thành phần thủy tinh pyrex 11 II Nghiên cứu nguyên liệu 11 III Nghiên cứu đơn phối liệu thủy tinh pyrex 13 III.1 Nghiên cứu đơn phối liệu trong phòng thí nghiệm đợt 1 13 III.2 Nghiên cứu đơn phối liệu trong phòng thí nghiệm đợt 2 16 Chương III Triển khai sản xuất thử 19 I Lựa chọn sản phẩm 19 I.1 Dụng cụ thí nghiệm 19 I.2 Dụng cụ lò vi sóng 20 II Thực hiện chế thử 21 II.1 Thực hiện chế thử đợt 1 22
II.2 Thực hiện chế thử đợt 2 22 II.3 Thực hiện chế thử đợt 3 26 III Thực hiện dùng thử sản phẩm chế thử của đề tài 31 IV Phân tích kiểm tra thành phần hóa và đo hệ số giãn nở 32 nhiệt của thủy tinh chế thử IV.1 Kết quả đo hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh chế thử 32 IV.2 Kết quả phân tích thành phần hóa của thủy tinh chế thử 32 IV.3 Tóm tắt những kết quả nghiên cứu của đề tài 33 Kết luận và kiến nghị 35 Tài liệu tham khảo 36
BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN NC SÀNH SỨ THỦY TINH CN Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ Tên đề tài: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thủy tinh pyrex làm dụng cụ phòng thí nghiệm và dụng cụ lò vi sóng” Chủ nhiệm đề tài: Ths Nguyễn Ngọc Ảnh Cán bộ phối hợp: Ks Đào Hà Quang Ks Cao Nhật Quang Ks Phan Thị Thúy Nga Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp Đơn vị phối hợp: Công ty TNHH Thanh Xuân Trung tâm nghiên cứu Công nghệ Vật liệu Vô cơ – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài Nguyễn Ngọc Ảnh
PHẦN MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VỀ THỦY TINH PYREX Các loại thủy tinh có nguồn gốc tự nhiên, gọi là các loại đá vỏ chai, đã được sử dụng từ thời kỳ đồ đá. Chúng được tạo ra trong tự nhiên từ các nham thạch (magma) núi lửa. Người nguyên thủy dùng đá vỏ chai để làm các con dao cực sắc. Việc sản xuất thủy tinh lần đầu tiên hiện còn lưu được chứng tích là ở Ai Cập khoảng năm 2000 trước công nguyên, khi đó thủy tinh được sử dụng như là men màu cho nghề gốm và các mặt hàng khác. Trong thế kỷ 1 trước công nguyên kỹ thuật thổi thủy tinh đã phát triển và những thứ trước kia là hiếm và có giá trị đã trở thành bình thường. Trong thời kỳ đế chế La Mã rất nhiều loại hình thủy tinh đã được tạo ra, chủ yếu là các loại bình và chai lọ. Thủy tinh khi đó có màu xanh lá cây vì tạp chất sắt có trong cát được sử dụng để sản xuất nó. Thủy tinh ngày nay nói chung có màu hơi ánh xanh lá cây, sinh ra cũng bởi các tạp chất như vậy. Các đồ vật làm từ thủy tinh từ thế kỷ 7 và thế kỷ 8 đã được tìm thấy trên đảo Torcello gần Venice. Các loại hình này là liên kết quan trọng giữa thời La Mã và sự quan trọng sau này của thành phố đó trong việc sản xuất thủy tinh. Khoảng năm 1000 sau Công nguyên, một đột phá quan trọng trong kỹ thuật đã được tạo ra ở Bắc Âu khi thủy tinh sô đa được thay thế bằng thủy tinh làm từ các nguyên liệu có sẵn hơn: bồ tạt thu được từ tro gỗ. Từ thời điểm này trở đi, thủy tinh ở khu vực phía bắc châu Âu có sự sai khác rõ nét với thủy tinh ở khu vực Địa Trung Hải, là khu vực mà sô đa vẫn được sử dụng chủ yếu. Thế kỷ 11 được cho là nổi bật, tại Đức, phương pháp mới chế tạo thủy tinh tấm đã ra đời bằng các quả cầu để thổi, sau đó chuyển nó sang thành các hình trụ tạo hình, cắt chúng khi đang còn nóng và sau đó dát phẳng thành tấm. Kỹ thuật này đã được hoàn thiện vào thế kỷ 13 ở Vênidơ. Cho đến thế kỷ 12 thủy tinh đốm (có nghĩa là thủy tinh với các vết màu (thông thường là kim loại)) đã không được sử dụng rộng rãi nữa. 1
Trung tâm sản xuất thủy tinh từ thế kỷ 14 là Vênidơ, ở đó người ta đã phát triển nhiều công nghệ mới để sản xuất thủy tinh và trở thành trung tâm xuất khẩu có lãi các đồ đựng thức ăn, gương và nhiều đồ xa xỉ khác. Sau đó, một số thợ thủy tinh của Vênidơ đã chuyển sang các khu vực khác như Bắc Âu và việc sản xuất thủy tinh đã trở nên phổ biến hơn. Rất nhiều đồ dùng trong gia đình làm từ thủy tinh. Cốc, chén, bát, đĩa, chai, lọ v.v có thể được làm từ thủy tinh, cũng như bóng đèn, gương, ống thu hình của màn hình máy tính và ti vi, cửa sổ. Trong phòng thí nghiệm để làm các thí nghiệm trong hóa học, sinh học, vật lý và nhiều lĩnh vực khác, người ta sử dụng bình thót cổ, ống thử, lăng kính và nhiều dụng cụ thiết bị khác được làm từ thủy tinh. Đối với các ứng dụng này, thủy tinh hệ borosilicat thường được sử dụng vì sức bền và hệ số giãn nở nhiệt thấp, tạo cho nó sự chống lại tốt hơn đối với các sốc nhiệt và cho phép đo đạc chính xác hơn khi làm nóng và làm nguội các thiết bị. Đối với phần lớn các ứng dụng có yêu cầu cao, thủy tinh thạch anh được sử dụng, mặc dù rất khó sản xuất loại thủy tinh này. Phần lớn thủy tinh bền hóa, bền nhiệt được sản xuất hàng loạt bằng các công nghệ khác nhau, nhưng đa phần các phòng thí nghiệm lớn cần rất nhiều các loại đồ thủy tinh khác nhau. Thủy tinh pyrex được nghiên cứu và sản xuất từ những năm đầu của thế kỷ 20 mà nổi tiếng nhất là của hãng Corning. Thủy tinh pyrex: là loại thủy tinh borosilicat; khó chảy, có độ bền cơ học và độ bền nhiệt cao. Nhiệt độ biến mềm thủy tinh pyrex khoảng 800 oC, hệ số giãn nở nhiệt khoảng (4 – 5) 10-6. Loại thủy tinh này thường dùng chế tạo các dụng cụ phòng thí nghiệm. Các sản phẩm dùng trong gia dụng thì có tô, khay, thố dùng để nướng, hấp. Đến cuối thế kỷ 20 thủy tinh “pyrex” được các nước Pháp, Mỹ, Đức, ….. nghiên cứu sản xuất với các chỉ tiêu kỹ thuật như của hang Corning nên từ “pyrex” đã trở thành thương hiệu và tên riêng của loại thủy tinh bền hóa bền cơ, bền nhiệt này. 2
Đặc điểm chủ yếu của nó là chúng có cùng tính chất và lắp ghép được với nhau (tương tự nhơ thủy tinh thạch anh). Ở Việt Nam thủy tinh bền hóa bền nhiệt đã được sản xuất ở các nơi như thủy tinh y tế (Phả Lại), thủy tinh Hà Nội nhưng chưa phải là loại thủy tinh “Pyrex”. Vì vậy, các sản phẩm thủy tinh chất lượng cao dùng trong phòng thí nghiệm, các sản phẩm dùng cho lò vi sóng chúng ta vẫn đều phải nhập khẩu. Xuất phát từ thực tế đó, Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp đăng ký và được Bộ Công thương hợp đồng đặt hàng đề tài: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thủy tinh pyrex làm dụng cụ thí nghiệm và dụng cụ lò vi sóng” . Tại Hợp đồng số 214.10.RD/HĐ-KHCN ngày 19 tháng 3 năm 2010. Mục tiêu của đề tài: - Xác định nguyên liệu dùng cho sản xuất thủy tinh pyrex. - Xác định được đơn phối liệu tối ưu dùng để sản xuất thủy tinh pyrex. - Xác lập được quy trình công nghệ sản xuất thủy tinh pyrex - Sản xuất thử 100 sản phẩm các loại đạt tiêu chuẩn kỹ thuật. Nội dung nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu tổng quan về thủy tinh pyrex. - Nghiên cứu tiêu chuẩn nguyên liệu làm thủy tinh pyrex. - Nghiên cứu lựa chọn nguồn nguyên liệu sản xuất thủy tinh pyrex. - Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất thủy tinh pyrex. - Ứng dụng quy trình công nghệ chế thử sản phẩm dụng cụ thí nghiệm, dụng cụ lò vi sóng. 3
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI I – Cơ sở lý thuyết chung I.1. Những đặc tính kỹ thuật của thủy tinh pyrex Thủy tinh pyrex là loại thủy tinh được sử dụng chủ yếu làm dụng cụ đun nấu trong phòng thí nghiệm và các sản phẩm dùng cho lò vi sóng nên yêu cầu kỹ thuật chính cần phải đáp ứng là: - Thủy tinh phải bền nhiệt (có hệ số giãn nở nhiệt thấp). - Thủy tinh phải bền cơ. - Thủy tinh phải đồng nhất. Trên cơ sở những yêu cầu kỹ thuật của thủy tinh pyrex, qua tham khảo các tài liệu chuyên ngành và các paten của nước ngoài cho thấy đó là loại thủy tinh thuộc hệ borosilicate. Bảng 1: Một số chỉ tiêu kỹ thuật của thủy tinh (thuộc hệ Pyrex) tham khảo: Tên chỉ tiêu Theo giáo trình thủy Thủy tinh số Thủy tinh số tinh (ĐHBK Hà Nội) 8330 của Mỹ 8412 của Mỹ Hệ số giãn nở nhiệt α . 10 -6 3,5 – 4,0 3,25 4,9 Nhiệt độ ủ cao (Tg) 530 530 560 Độ bền nước (cấp) 1 1 1 Bảng 2: Thành phần hóa của một số loại thủy tinh pyrex tham khảo 4
Tên chỉ tiêu Theo giáo trình thủy tinh Thủy tinh số Thủy tinh số (ĐHBK Hà Nội) 8330 của Mỹ 8412 của Mỹ SiO2 80,89 80 74,7 B2O3 11,19 13 10 Al2O3 2,03 2,5 5 BaO - - 2 CaO 0,11 - 1,5 MgO - - - K2O + Na2O 5,03 4,5 6,5 Tổng 99,25 100 99,7 I.2. Những tính chất cơ bản của thủy tinh pyrex cần quan tâm a) Tính chất nhiệt Trong quá trình sử dụng, các sản phẩm thủy tinh pyrex luôn chịu sự tác động của môi trường nhiệt độ cao của bếp đun hay lò vi song. Vì vậy, yêu cầu thủy tinh phải có độ bền nhiệt cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp. Các phương pháp xác định hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh: - Phương pháp tính toán theo qui tắc cộng: α thủy tinh = α1 P1 + α2 P2 + α3 P3 + ….. trong đó: P1; P2; P3; ……. Là hàm lượng % các ôxyt có trong thủy tinh α1 ; α1 ; α1 ; ….. các hệ số tương ứng với các ôxyt - Phương pháp tính toán theo công thức của A.Appen α . 10 -7 = ∑ ai αi /∑ ai trong đó: ai là hàm lượng ôxyt theo phần phân tử có trong thủy tinh αi là hệ số ứng với các ôxyt tương ứng có trong thủy tinh 5
- Phương pháp dùng dụng cụ đo hệ số giãn nở nhiệt bằng thạch anh của O.K. Btvinkin và N.V. Solomin hoặc thiết bị đo hệ số giãn nở nhiệt Horizontal Dilatometer (L76/1400 của Đức) b) Tính chất cơ học Khi ở trạng thái làm việc các dụng cụ thí nghiệm và dụng cụ sử dụng trong lò vi sóng ngoài việc phải chịu sự tác động của môi trường nhiệt độ cao (> 100oC) còn phải chịu tác động của các dung dịch thức ăn dạng lỏng nên yêu cấu thủy tinh phải có độ bền cơ cao. II- Nguyên liệu dùng cho sản xuất thủy tinh Qua tham khảo các tài liệu chuyên ngành trong nước và nước ngoài về thủy tinh pyrex cho thấy đây là một loại thủy tinh bền hóa bền nhiệt thuộc hệ thủy tinh borosilicate. Vì vậy, nguyên liệu sử dụng để sản xuất thủy tinh pyrex bao gồm: II.1 Nguyên liệu chính 1) Nguyên liệucung cấp SiO2 - Thành phần hóa học chính để tạo ra thủy tinh là SiO2 - SiO2 làm cho thủy tinh có độ bền cơ học cao, dộ bền hóa và bền nhiệt tốt. - Khi tăng hàm lượng SiO2 trong thành phần thủy tinh thì các tính chất cơ lý hóa của thủy tinh đều tăng, nhưng đồng thời cũng làm tăng nhiệt độ nấu thủy tinh. - Các nguyên liệu cung cấp SiO2 thường sử dụng trong sản xuất thủy tinh là cát thạch anh, trường thạch, cao lanh sạch… Ngoài ra cũng có thể sử dụng thạch anh nghiền mịn, pha lê thiên nhiên để cung cấp SiO2 cho thủy tinh. Yêu cầu kỹ thuật của cát thạch anh dùng để sản xuất thủy tinh: + Hàm lượng SiO2 > 99 % + Tổng tạp chất có hại ( Fe2O3; Cr2O3; TiO2) < 0,1 % + Kích thước hạt < 0,2 mm 6
2) Nguyên liệu cung cấp B2O3 Khi đưa B2O3 vào thủy tinh sẽ giảm được hệ số giãn nở nhiệt, tăng độ bền nhiệt của thủy tinh. Khi thay một phần SiO2 bằng B2O3 tốc độ nấu thủy tinh sẽ tăng lên, việc khử bọt được thuận lợi hơn, khuynh hướng kết tinh sẽ giảm. Nếu thay Na2O bằng B2O3 dưới 0,5 % thì quá trình nấu thủy tinh sẽ được rút ngắn. Nguyên liệu cung cấp B2O3 cho thủy tinh bao gồm: Axit boric (H3BO3 ) cung cấp cho thủy tinh đến 56,45 % B2O3; còn Borax (Na2B4O7.10 H2O) cung cấp cho thủy tinh 36,65 % B2O3 và 16,2 % Na2O . Khi sản xuất thủy tinh chịu nhiệt, thủy tinh đặc biệt, thủy tinh bền hóa, lọ đựng hóa chất, dụng cụ phòng thí nghiệm, … người ta luôn sử dụng hệ thủy tinh borosilicate. 3) Nguyên liệu cung cấp Al2O3 Khi trong thủy tinh có chứa Al2O3 sẽ giảm được hệ số giãn nở nhiệt, tăng được độ bền hóa, bền cơ, độ chịu nhiệt và độ rắn của thủy tinh. Tuy nhiên, nếu hàm lượng Al2O3 lớn thì tốc độ nấu thủy tinh sẽ chậm lại đặc biệt ở giai đoạn nhiệt độ thấp. Quá trình khử bọt của thủy tinh cũng chậm lại do Al2O3 làm tăng độ nhớt của thủy tinh. Để đưa Al2O3 vào thủy tinh người ta thường sử dụng trường thạch, cao lanh hoặc đất sét. Đôi khi người ta còn sử dụng Al(OH)3 hoặc Al2O3 kỹ thuật siêu mịn. 4) Nguyên liệu cung cấp BaO Khi sử dụng BaO thay cho Na2O thì độ bền hóa học và bền cơ của thủy tinh sẽ tăng lên. Thủy tinh có BaO sẽ bóng đẹp hơn, với hàm lượng BaO < 1% quá trình nấu sẽ được rút ngắn. Nếu hàm lượng BaO > 5% thì sẽ ăn mòn gạch chịu lửa và khó khử bọt. Để cung cấp BaO cho thủy tinh thường sử dụng BaCO3; BaSO4; BaNO3. 7
5) Nguyên liệu cung cấp Na2O Người ta có thể đưa Na2O vào thủy tinh từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như: Sôđa ( cacbonat natri Na2CO3); sunfat natri (Na2SO4),… Khi đưa Na2O vào thủy tinh sẽ giảm được nhiệt độ nấu thủy tinh, tăng cường các phản ứng hóa học trong quá trình nấu, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khử bọt và đồng nhất hóa khối thủy tinh. Vì Na2O làm giảm độ nhớt của thủy tinh khá nhiều đặc biệt ở giai đoạn nhiệt độ cao. 6) Nguyên liệu cung cấp K2O Khi thủy tinh có K2O sẽ giảm được khả năng kết tinh của thủy tinh, giảm nhiệt độ nấu thủy tinh. Tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo hình bằng phương pháp ép dập, đồng thời K2O làm cho thủy tinh có sắc thái đẹp hơn. Nguyên liệu cung cấp K2O cho thủy tinh có thể sử dụng là cacbonat kali (K2CO3); hoặc nitorat kali (KNO3). Nhưng thông thường người ta hay dùng cacbonat kali (K2CO3) hơn do khi dùng chung với cacbonat natri (Na2CO3) sẽ tạo nên một điểm ơtecti làm giảm nhiệt độ nấu của thủy tinh khá nhiều. II.2 Nguyên liệu phụ 1) Chất khử bọt Trong sản xuất thủy tinh thường phải sử dụng chất khử bọt. Chất khử bọt là một loại hợp chất khi ở nhiệt độ cao chúng phân hủy tạo ra các bọt khí lớn để kéo các bọt khí nhỏ trong thủy tinh lên bề mặt hoặc liên kết các bọt nhỏ do nguyên liệu phân hủy hay do nguyên liệu đưa vào thành các bọt lớn dễ nổi lên bề mặt rồi thoát ra ngoài. Chất khử bọt hay sử dụng là các muối nitorat (KNO3; NaNO3,....) ; 2) Chất khử màu Trong nguyên liệu sản xuất thủy tinh thường có tạp chất chứa sắt. Khi sắt tồn tại ở dạng FeO sẽ nhuộm thủy tinh có màu xanh lục. Nếu sắt tồn tại ở dạng 8
Fe2O3 sẽ nhuôm thủy tinh thành màu vàng lục. Các hợp chất chứa FeO nhuộm màu thủy tinh mạnh hơn Fe2O3 rất nhiều và làm giảm độ trong của thủy tinh. Cường độ nhuộm màu thủy tinh phụ thuộc vào tỷ lệ giữa FeO và Fe2O3 cùng với thành phần hóa học của thủy tinh, nhiệt độ nấu thủy tinh, môi trường khí trong lò nấu thủy tinh. Để khử màu thủy tinh người ta thường dùng phương pháp hóa học nhằm chuyển FeO thành Fe2O3 làm giảm cường độ nhuộm màu thủy tinh. Phương pháp này làm tăng độ trong thủy tinh kihas nhiều nhưng không thể làm mất màu hoàn toàn. Các chất khử màu thường dùng là: As2O3; NaNO3; CeO2; Sb2O3, ….Nguyên lý khử màu là khi ở nhiệt độ cao các chất chứa ôxy sẽ phân hủy và giải phóng ra ôxy tự do, các phân tử ôxy tự do sẽ tác dụng với FeO để tạo thành Fe2O3 có cường độ màu thấp hơn làm cho thủy tinh trở thành không màu. Ngoài ra cũng có thể sử dụng các chất nhuộm màu thủy tinh thành các màu phụ với màu của ôxyt sắt. Trong trường hợp này độ trong của thủy tinh thường bị giảm. Các chất thường dùng là: MnO2; NiO; Co2O3;…. 3) Chất nhuộm màu Do nhu cầu sử dụng người ta có thể yêu cầu phải có các loại thủy tinh màu nhằm ngăn cản sự tác động của ánh sáng khi đựng hóa chất, hay khi trang trí nghệ thuật, …. Khi sản xuất thủy tinh màu người ta phải sử dụng các chất nhuộm màu. Có hai loại chất nhuộm màu đó là : Chất nhuộm màu phân tử như: Mn2O3; CoO; NiO; Cr2O3; …. Chất nhuộm màu phân tán keo như: Vàng (Au); Bạc (Ag) Đồng (Cu); Selen (Se); …. III - Các phương pháp tạo hình thủy tinh Trong công nghệ sản xuất thủy tinh thường có nhiều phương pháp tạo hình sản phẩm thủy tinh khác nhau như: phương pháp thổi thủ công, phương pháp tạo hình trên máy thổi tự động, phương pháp cán, kéo thủy tinh, phương pháp ép dập 9
thủy tinh, vv….Tùy thuộc vào hình dạng sản phẩm, kích thước sản phẩm mà lựa chọn phương pháp tạo hình phù hợp. Đối với các sản phẩm thủy tinh sử dụng làm bao bì có hình tròn (chai lọ các loại dùng đựng rượu, đựng thuốc, hóa chất,…), dung tích < 2 lít thường sử dụng phương pháp thổi tự động trên máy. Đối với các sản phẩm bao bì có dung tích lớn ( khoảng 5 – 50 lít) và các sản phẩm có hình dạng đặc biệt thì phải dùng phương pháp thổi thủ công kết hợp với sự hỗ trợ của thiết bị cơ khí. Đối với sản phẩm thủy tinh là kính xây dựng các loại, kính trang trí có thể dùng phương pháp cán nóng trên khuôn kim loại, hoặc kéo bằng thuyền, hay kéo nổi trên bề mặt kim loại,… Đối với các sản phẩm thủy tinh sử dụng trong ngành y tế (như ống đựng thuốc kháng sinh, ống đựng nước cất,…) thường dùng phương pháp kéo tuýp. Đối với các sản phẩm dùng trong kính quang học, sản phẩm thủy tinh cách điện, sản phẩm thủy tinh có thành dày người ta thường sử dụng phương pháp ép. 10
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM I. Nghiên cứu lựa chọn thành phần thủy tinh pyrex Đây là đề tài có tính chất nghiên cứu ứng dụng. Do yêu cầu của thủy tinh hệ pyrex là phải có thành phần hóa học tương tự nhau mặc dù thủy tinh được sản xuất ở các nơi khác nhau, dùng các loại nguyên liệu khác nhau, sử dụng phương pháp nấu và phương pháp tạo hình khác nhau. Từ yêu cầu đó, qua nghiên cứu, tìm hiểu các tài liệu chuyên ngành đề tài lựa chọn một số bài thành phần hóa học của thủy tinh pyrex làm cơ sở nghiên cứu như sau: Bảng 3: Thành phần hóa của một số loại thủy tinh pyrex tham khảo để nghiên cứu Đơn vị: % trọng lượng TT Tên chỉ tiêu Theo giáo trình thủy tinh Thủy tinh số 8330 (ĐHBK Hà Nội) của Mỹ 1 SiO2 80,9 80,0 2 B2O3 11,6 13,0 3 Al2O3 2,0 2,5 4 Na2O 4,0 3,5 5 K2O 1,5 1,0 Tổng 100 100 II. Nghiên cứu nguyên liệu Từ thành phần hóa tham khảo (bảng 3) đề tài lựa chọn các loại nguyên liệu sử dụng cho nghiên cứu trong phòng thí nghiệm như sau: II.1 Nguyên liệu cung cấp SiO2 1. Fused quart - Là một loại mảnh thủy tinh, có màu trắng (nhập khẩu từ Trung Quốc) - Cỡ hạt 1 – 3 mm - Hàm lượng SiO2 = 99,8 % - Các tạp chất Fe2O3 không có 11
2. Thạch anh Yên Bái - Dạng bột mịn, màu trắng đục - Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm) - Hàm lượng SiO2 = 98,4 % - Tạp chất Fe2O3 = 0,16 %; TiO2 = 0,02 % 3. Thạch anh Ấn Độ: - Dạng bột mịn, màu trắng đục - Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm) - Hàm lượng SiO2 = 99,01 % - Tạp chất Fe2O3 = 0,03 %; TiO2 = 0,01 % II.2 Nguyên liệu cung cấp Al2O3 1. Trường thạch men Yên Bái - Dạng bột mịn, màu trắng đục - Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm) - Hàm lượng SiO2 = 68,58 %; Al2O3 = 18,33 %; Na2O + K2O = 11,53 % - Tạp chất Fe2O3 = 0,14 % 2. Trường thạch Ấn Độ - Dạng bột mịn, màu trắng đục - Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm) - Hàm lượng SiO2 = 65,01 %; Al2O3 = 18 % ; Na2O + K2O = 15,58 % - Tạp chất Fe2O3 = 0,12 % II.3 Nguyên liệu cung cấp B2O3 1. Axit Boric H3BO3 - Dạng bột trắng, tơi xốp - Hàm lượng H3BO3 > 99 % - Xuất sứ từ Anh 12
2. Borax (Na2B4O7.10 H2O) - Dạng bột, tơi xốp, màu trắng - Hàm lượng Na2B4O7.10 H2O > 99 % - Xuất sứ từ Anh II.4 Nguyên liệu cung cấp K2O; Na2O 1. Các bonnat kali (K2CO3) - Dạng bột trắng - Hàm lượng K2CO3 > 99 % - Xuất sứ từ Hàn Quốc 2. Sô đa (Na2CO3) - Dạng bột trắng, tơi xốp. - Hàm lượng Na2CO3 > 99 % - Xuất sứ từ Trung Quốc II.5 Nguyên liệu tăng cường quá trình nấu, khử bọt, khử màu Để tăng cường quá trình nấu thủy tinh, tăng cường quá trình khử bọt, khử màu đề tài sử dụng một số nguyên liệu sau: Na2SiF6, KNO3, Sb2O3, As2O3,…. III. Nghiên cứu đơn phối liệu thủy tinh pyrex III.1 Nghiên cứu đơn phối liệu trong phòng thí nghiệm đợt 1 Từ các thành phần hóa thủy tinh pyrex tham khảo (tại bảng 3) và thành phần hóa các nguyên liệu đã lựa chon (bảng 4) đề tài tính toán một số bài phối liệu cho quá trình nấu thí nghiệm để lựa chọn ra bài phối liệu tối ưu. Bảng 4: Thành phần hóa các loại nguyên liệu Đơn vị tính: % trọng lượng TT Tên nguyên liệu SiO2 Al2O3 B2O3 Na2O K2O MKN 1 Fused quart 99,74 13
2 Thạch anh men Yên Bái 98,44 3 Trường thạch Yên Bái 68,58 18,33 8,35 3,18 0,44 4 H3BO3 56,45 43,55 5 Borax 36,65 16,20 47,15 6 Sô đa 58,49 41,51 7 K2CO3 68 32 Từ thành phần hóa thủy tinh và nguyên liệu đã chọn tính được đơn phối liệu: Bảng 5: Đơn phối liệu theo thành phần thủy tinh (bảng 2) và nguyên liệu (bảng 4) Đơn vị tính: kg TT Tên nguyên liệu Đơn 1 Đơn 2 Đơn 3 Đơn 4 1 Fused quart 73,50 70,65 2 Thạch anh Yên Bái 74,45 71,63 3 Trường thạch Yên Bái 11,00 11,00 13,64 13,64 4 H3BO3 10,80 10,80 17,40 17,40 5 Borax 16,60 16,60 10,50 10,50 5 Sô đa 2,00 2,00 1,00 1,00 7 K2CO3 2,00 2,00 1,00 1,00 8 Phụ gia khử bọt, khử màu 0,50 0,50 0,50 0,50 Trên cơ sở các đơn phối liệu đã tính toán, đề tài tiến hành cân trộn phối liệu và thực hiện nấu thử ở phòng thí nghiệm bằng lò điện cực SiC với nhiệt độ nấu khoảng 1480 – 1500 oC, nồi nấu sử dụng loại nồi cao nhôm (Al2O3 > 60%). 14
Quy trình nấu thủy tinh như sau: Kiểm tra lò, các thanh điện cực sau đó đưa nồi nấu vào lò. Nâng nhiệt độ lò theo khúc tuyến đã xác định để sấy và thiêu kết nồi. Khi lò đạt nhiệt độ 1350 oC lưu 30 phút. Nhập liệu vào nồi và tiếp tục tăng nhiệt độ lò để thực hiện nấu thủy tinh. Khi nhiệt độ đạt 1490 – 1500 oC (nhiệt độ lò từ nhiệt độ thường đến 1300 oC sử dụng đồng hồ can nhiệt để đo, khi nhiệt độ từ 1300 oC trở lên được đo bằng máy đo nhiệt độ hồng ngoại Raynger 3i 3000 oC), tiếp tục lưu ở nhiệt độ này 01 giờ sau đó dùng kìm gắp nồi đổ thủy tinh ra khuôn (tổng thời gian nấu khoảng 8 giờ không kể thời gian sấy và thiêu kết nồi). Trong quá trình đổ thủy tinh cần quan sát chất lượng thủy tinh và khả năng chảy của thủy tinh. 0 Hình 1: Lò nấu thí nghiệm SiC và đồng hồ đo nhiệt độ hồng ngoại Raynger 3i 15
Kết quả nấu thử đợt 1 cho thấy với đơn 1 và đơn 3 thủy tinh mới bắt đầu chảy, lượng pha lỏng rất ít, phối liệu chưa tan vẫn còn dạng vón cục. Đối với đơn 2 và đơn 4 thủy tinh đã chảy lỏng, nhưng còn nhiều bọt to. Thủy tinh chưa đồng nhất, độ nhớt cao nên không đổ được vào khuôn để tạo mẫu xác định hệ số giãn nở nhiệt. Kết luận: Sau nhiều mẻ nấu thử cho thấy với nguyên liệu fused quart thủy tinh rất khó chảy mặc dù đã tăng nhiệt độ nấu đến 1520 oC và kéo dài thời gian nấu thêm 2 giờ ở nhiệt độ cao. Nguyên nhân khó nấu chảy là do bản thân fused quart đã là một dạng thủy tinh thạch anh nên nhiệt độ biến mềm cao (khoảng 1450 oC). Mặt khác, nguồn nguyên liệu fused quart phải nhập khẩu, kích thước hạt lớn, muốn sử dụng làm nguyên liệu nấu thủy tinh thì phải nghiền mịn nên tăng chi phí, giá thành cao nên đề tài ngừng không thực hiện nghiên cứu với loại nguyên liệu này nữa. Với đơn 2 và đơn 4 tuy thủy tinh đã chảy, nhưng chất lượng thủy tinh chưa đạt yêu cầu. Thủy tinh còn nhiều bọt, màu chưa được trắng trong. Đặc biệt đơn 4 còn nhiều bọt lớn, phối liệu cũng chưa tan hết. Vì vậy, đề tài chỉ tập trung nghiên cứu đơn 2, trên cơ sở sử dụng các nguyên liệu chất lượng cao hơn. Dùng trường thạch, thạch anh Ấn Độ có hàm lượng sắt nhỏ hơn thay cho trường thạch, thạch anh Yên Bái. III.2 Nghiên cứu đơn phối liệu trong phòng thí nghiệm đợt 2 Qua kết quả nấu thí nghiệm đợt 1 đề tài thực hiện nghiên cứu điều chỉnh đơn 2 trên cơ sở thay đổi một số loại nguyên liệu chất lượng cao hơn nhằm tăng cường quá trình nấu và tăng chất lượng thủy tinh. Bảng 6: Thành phần hóa của thủy tinh: Đơn vị tính: % trọng lượng SiO2 Al2O3 B2O3 Na2O K2O 80,9 2,0 11,6 4,0 1,5 16