Vật liệu thủy tinh

(02-06-2017, 10:42:23)

Vật liệu thủy tinh

 

Khái niệm
Thủy tinh là một loại dung dịch rắn ở dạng vô định hình nhận được bằng cách làm quá nguội khối silicat nóng chảy. Về thành phần hóa học thủy tinh xây dựng gồm 75 - 80% SiO2.
Nguyên tắc chế tạo
Nguyên liệu để chế tạo kính là cát thạch anh, đá vôi, xôđa và sunfat natri. Nguyên liệu được nấu trong các lò nấu thủy tinh cho đến nhiệt độ 15000C.
Nhiệt độ 800 - 9000C là nhiệt độ hình thành silicat ở nhiệt độ 1150 - 12000C khối thủy tinh trở thành trong suốt nhưng vẫn còn chứa nhiều bọt khí, việc tách bọt khí kết thúc ở 1400 - 1500 0C. Cuối giai đoạn này khối thủy tinh hoàn toàn tách hết khí và nó trở thành đồng nhất. Để có độ dẻo tạo hình cần thiết cần phải hạ nhiệt độ xuống đến 200 - 3000C. Độ dẻo của khối thủy tinh phụ thuộc vào thành phần hóa học của nó. Các oxit SiO2, Al2O3 làm tăng độ dẻo, còn các oxit Na2O, CaO thì ngược lại, làm giảm độ dẻo.
Việc chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái thủy tinh (rắn) là một quá trình thuận nghịch. Khi để trong không khí và ở nhiệt độ cao cấu trúc vô định hình của một số loại thủy tinh có thể chuyển sang kết tinh.  
Tính chất cơ bản
- Tính ổn định hóa học: Kính có độ bền hóa học cao. Độ bền hóa học phụ thuộc vào thành phần của kính. Các oxit kiềm càng ít thì độ bền hóa học của nó càng cao.
- Tính chất quang học là tính chất cơ bản của kính. Kính silicat thường cho tất cả những phần quang phổ nhìn thấy được đi qua và thực tế không cho tia tử ngoại và hồng ngoại đi qua. Khi thay đổi thành phần và màu sắc của kính có thể điều chỉnh được mức độ cho ánh sáng xuyên qua.
Khối lượng riêng của kính thường là 2500kg/m3. Khi tăng hàm lượng oxit chì thì khối lượng riêng có thể lên đến 6000 kg/m3.
Cường độ chịu lực: Kính có cường độ nén cao (700 - 1000kG/cm2). Cường độ kéo thấp (35-85kG/cm2) độ cứng của kính silicat thường 5 - 7. Kính giòn (cường độ uốn, va đập khoảng 0,2 kG/cm2).
Độ dẫn nhiệt của kính thường khi nhiệt độ nhỏ hơn 1000C là 0,34 - 0,71 kCal/m.0C.h. Kính thạch anh có độ dẫn nhiệt lớn nhất (1,16 kCal/m.0C.h). Kính chứa nhiều oxit kiềm có độ đẫn nhiệt nhỏ.
Kính có khả năng cho gia công cơ học. Cưa cắt được bằng dao có đầu kim cương, mài nhẵn, đánh bóng được. Ở trạng thái dẻo (khi nhiệt độ 800 - 10000C) có thể tạo hình, thổi, kéo thành tấm, ống, sợi.
Các loại kính phẳng
Kính phẳng dùng để làm kính cửa sổ, cửa đi, mặt kính các quầy trưng bày, để hoàn thiện bên trong và bên ngoài nhà. Bên cạnh kính thường người ta còn chế tạo những loại kính phẳng đặc biệt như kính hút nhiệt, kính có cốt, kính tôi, kính trang trí nghệ thuật, v.v... Kính làm cửa có 3 loại với 6 chiều dày khác nhau: 2; 2,5; 3; 4; 5 và 6 mm. Khi chiều dày của kính tăng thì khả năng xuyên sáng của kính giảm.
 

Vật liệu thủy tinh


Kính dùng để bưng quầy trưng bày được chế tạo bằng cách đánh bóng hoặc không đánh bóng với kích thước 3,4 x 4,5 m và chiều dày 5 - 12 mm, trong xây dựng còn dùng cả kính cường độ cao như kính tôi và kính có cốt. Để chế tạo những loại kính có các tính chất đặc biệt trong quá trình sản xuất người ta có thể cho thên các oxit kim loại hoặc phủ trên mặt kính những màng kim loại, màng oxit hoặc màng bột màu. Để lớp phủ đồng nhất, quá trình phải được thực hiện trong môi trường chân không. Bằng những biện pháp đó có thể tạo cho kính khả năng phản quang hoặc các tính chất trang trí thích hợp. Kính phản quang dùng để giảm sự đốt nóng của ánh sáng mặt trời hoặc để điều hòa ánh sáng.
Kính tôi được chế tạo bằng cách nung kính thường đến nhiệt độ tôi (540 - 6500C) rồi làm nguội nhanh và đều. Làm như vậy thì nội ứng suất sẽ phân bố đều đặn trong kính đồng thời cường độ va đập và cường độ chịu uốn của kính tăng lên khá nhiều so với kính thường. Kính tôi được sử dụng rộng rãi để lắp cho các quầy trưng bày, quầy hàng, để chế tạo cửa kính, để che chắn cầu thang, ban công, v v ..
Kính có cốt là loại kính được gia cường bằng lưới kim loại chế tạo từ những sợi thép đã được ủ nhiệt và mạ crôm hoặc niken. Do bị ép chặt trong kính nên lưới kim loại sẽ đóng vai trò là bộ khung có tác dụng giữ chặt những mảnh kính vụn khi nó vỡ nên tránh được nguy hiểm. Kính có cốt được dùng làm các kết cấu mái lấy ánh sáng.
Kính hút nhiệt (giữ nhiệt) về thành phần khác với kính thường ở chỗ có chứa các oxit sắt, coban và niken, nhờ đó mà có màu xanh nhạt. Kính hút nhiệt giữ được 70 -75% tia hồng ngoại (2 - 3 lần lớn hơn kính thường). Do sự hút nhiệt lớn nên nhiệt độ và biến dạng nhiệt của kính tăng lên đáng kể. Vì vậy khi lắp kính cần phải chừa khe hở cần thiết giữa khung và kính.
Kính bền nhiệt là tấm borosilicat có chứa các oxit chì và oxit liti , v.v... Loại kính này có thể chịu được độ chênh nhiệt độ đến 2000C và được sử dụng để chế tạo các chi tiết bền nhiệt của máy móc.
Một số sản phẩm thủy tinh dùng trong xây dựng
Blốc thủy tinh rỗng có khả năng tán xạ ánh sáng lớn, còn những ô cửa sổ, vách ngăn chế tạo từ blốc có tính chất cách nhiệt và cách âm tốt. Blôc thủy tinh thường gồm hai nửa gắn lại với nhau, ở giữa rỗng, dạng phổ biến nhất của blôc thủy tinh là dạng có vân khía ở bên trong. Tính chất của blôc thủy tinh rỗng: độ xuyên sáng không nhỏ hơn 65%, hệ số dẫn nhiệt 0,34kCal/m .oC.h.
Ngoài blôc thông thường người ta còn sản xuất các blôc màu, blôc hai ngăn (cách nhiệt) và blôc hướng ánh sáng.
Sợi thuỷ tinh dùng trong sản xuất vật liệu tổ hợp ở dạng chỉ dài, vải, cuộn xơ, sợ ngắn và bông thuỷ tinh. Đường kính sợi 5-15μm. Cường độ chịu kéo đạt tới 4000kG/cm2. Sợi dài được chế tạo từ dung dịch chảy lỏng bằng phương pháp kéo từ 
khuôn kéo của bể nấu chảy hoặc bằng cách quấn. Loại sợi ngắn được sản xuất bằng phương pháp li tâm hoặc bằng phương pháp thổi ( Hình 1)
 

Vat lieu thuy tinh

Hình 1: Chế tạo sợi thuỷ tinh bằng
phương pháp ly tâm (a) và phương pháp thổi (b)
1. Bể chứa dụng dịch chảy lỏng; 2. Tia chất chảy lỏng;
3.Bộ phận tăng nhiệt;
4.Ống nối để chuyển không khí nén hoặc hơi nén;
5. Bộ phận ly tâm; 6. Sợi thuỷ tinh.

Loại sợi dài dùng để sản xuất chỉ và vải thuỷ tinh. Chỉ thuỷ tinh được sử dụng trong sản xuất ống chất dẻo thuỷ tinh và các bể chứa bằng cách quấn xung quanh bằng những cái trục tương ứng.
Vải thuỷ tinh dùng để chế tạo tectolit thuỷ tinh với chất kết dính polime, trong xây dụng để bảo vệ nhiệt cho đường ống dẫn sợi thuỷ tinh ngắn được chế tạo bằng cách cắt những sợi dài và dùng để nâng cao cường độ cho các sản phẩm với chất kết dính vô cơ cũng như để sản xuất các tấm chất dẻo thuỷ tinh trong, dùng cho mái và panel 3 lớp.
Thủy tinh xếp lớp bao gồm hai hoặc ba tấm thủy tinh xen giữa là lớp đệm không khí bị bịt kín. Vì vậy kính lắp bằng sản phẩm này có khả năng cách nhiệt và cách âm tốt, không bị đọng sương, không phải lau chùi lớp bên trong. Tùy theo công dụng mà sản phẩm thủy tinh xếp lớp có thể được chế tạo từ kính cửa, kính tôi, kính phản quang hoặc các loại kính khác.
Ống thủy tinh trong nhiều trường hợp (chẳng hạn trong môi trường ăn mòn hóa học) tỏ ra hiệu quả hơn ống kim loại. Chúng có tính ổn định hóa học cao, bề mặt nhẵn, trong suốt và vệ sinh. Nhờ đó ống thủy tinh được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa học. Nhược điểm chính của ống là giòn, chịu uốn và va đập kém, tính ổn định nhiệt không cao (khoảng 400C). Hiện nay người ta đã sản xuất được các ống bền nhiệt với hệ số nở nhiệt thấp từ thủy tinh borosilicat.