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
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 Thự
c 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
nhiệt của thủy tinh chế thử
32
IV.1
Kết quả đo hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh chế thử
32
IV.2
Kết quả phân tích thành phầ
n hóa của thủy tinh chế thử
32
IV.3
Tóm tắt những kết quả nghiên cứu của đề tài
33


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 Nộ
i

Chủ nhiệm đề tài
Nguyễn Ngọc Ảnh
Cơ quan chủ trì đề tài
1
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

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 xu
ất 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 c
ơ học và độ bền nhiệt cao. Nhiệt độ biến mềm
thủy tinh pyrex khoảng 800
o
C, 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.

4
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).
- Thủ
y 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
tinh (ĐHBK Hà Nội)
Thủy tinh số
8330 của Mỹ
Thủ
y tinh số
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

CaO 0,11 - 1,5
MgO - - -
K
2
O + Na
2
O 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
= α
1
P
1
+ α
2
P
2
+ α
3
P
3

là hệ số ứng với các ôxyt tương ứng có trong thủy tinh

6
- 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 (> 100
o
C)
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 SiO
2

- Thành phần hóa học chính để tạo ra thủy tinh là SiO
2

- SiO
2
làm cho thủy tinh có độ bền cơ học cao, dộ bền hóa và bền nhiệt tốt.
- Khi tăng hàm lượng SiO
2

O
3
Khi đưa B
2
O
3
vào thủy tinh sẽ giảm được hệ số giãn nở nhiệt, tăng độ bền
nhiệt của thủy tinh. Khi thay một phần SiO
2
bằng B
2
O
3
tốc độ nấu thủy tinh sẽ
tăng lên, việc khử bọt được thuận lợi hơn, khuynh hướng kết tinh sẽ giảm. Nếu
thay Na
2
O bằng B
2
O
3
dưới 0,5 % thì quá trình nấu thủy tinh sẽ được rút ngắn.
Nguyên liệu cung cấp B
2
O
3
cho thủy tinh bao gồm: Axit boric (H
3
BO
3

Khi trong thủy tinh có chứa Al
2
O
3
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 Al
2
O
3
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
Al
2
O
3
làm tăng độ nhớt của thủy tinh.
Để đưa Al
2
O
3
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 Al
2
O
3
kỹ thuật siêu mịn.


Khi đưa Na
2
O 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 Na
2
O làm giảm độ nhớt
của thủy tinh khá nhiều đặc biệt ở giai đoạn nhiệt độ cao.

6) Nguyên liệu cung cấp K
2
O
Khi thủy tinh có K
2
O 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 K
2
O làm cho thủy tinh có sắc thái đẹp hơn.
Nguyên liệu cung cấp K
2
O cho thủy tinh có thể sử dụng là cacbonat kali
(K
2
CO
3
); hoặc nitorat kali (KNO
3
). Nhưng thông thường người ta hay dùng
cacbonat kali (K

O
3
sẽ nhuôm thủy tinh thành màu vàng lục. Các hợp chất chứa FeO nhuộm
màu thủy tinh mạnh hơn Fe
2
O
3
rất nhiều và làm giảm độ trong của thủy tinh.
Cường độ nhuộm màu thủy tinh phụ thuộc vào tỷ lệ giữa FeO và Fe
2
O
3
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 Fe
2
O
3
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: As
2
O
3
; NaNO
3
; CeO
2

NiO; Cr
2
O
3
; …. 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

10
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 th
ổi 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.

2
80,9 80,0
2 B
2
O
3
11,6 13,0
3 Al
2
O
3
2,0 2,5
4 Na
2
O 4,0 3,5
5 K
2
O 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 SiO
2
1. Fused quart
- Là một loại mảnh thủy tinh, có màu trắng (nhập khẩu từ Trung Quốc)
- Cỡ hạt 1 – 3 mm
- Hàm lượng SiO
2
= 99,8 %

= 0,03 %; TiO
2
= 0,01 %
II.2 Nguyên liệu cung cấp Al
2
O
3
1. Trường thạch men Yên Bái
- Dạng bột mịn, màu trắng đục
- Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm)
- Hàm lượng SiO
2
= 68,58 %; Al
2
O
3
= 18,33 %; Na
2
O + K
2
O = 11,53 %
- Tạp chất Fe
2
O
3
= 0,14 %
2. Trường thạch Ấn Độ
- Dạng bột mịn, màu trắng đục
- Cỡ hạt < 0,1 mm (0,063 mm)
- Hàm lượng SiO

- Xuất sứ từ Anh 13
2. Borax (Na
2
B
4
O
7
.10 H
2
O)
- Dạng bột, tơi xốp, màu trắng
- Hàm lượng Na
2
B
4
O
7
.10 H
2
O > 99 %
- Xuất sứ từ Anh
II.4 Nguyên liệu cung cấp K
2
O; Na
2
O
1. Các bonnat kali (K

3
, Sb
2
O
3
, As
2
O
3
,….

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 liệ
u SiO
2
Al
2
O
3
B
2
O
3
Na

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
o
C, nồi nấu sử dụng loại nồi cao nhôm (Al
2
O
3
> 60%).
15
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
o
C
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
o
C (nhiệt độ lò từ nhiệt độ thường đến 1300
o
C
sử dụng đồng hồ can nhiệt để đo, khi nhiệt độ từ 1300

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 bi
ệt 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 đợ
t 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
SiO
2
Al
2
O
3
B
2
O
3
Na
2
O K
2
O
80,9 2,0 11,6 4,0 1,5


2
CO
3
68 32
Bảng 8: Đơn phối liệu theo thành phần thủy tinh (bảng 6) và nguyên liệu (bảng 7)
Đơn vị tính: kg
TT Tên nguyên liệu Đơn 5 Đơn 6
1 Thạch anh Ấn Độ 75,0 74,5
2 Trường thạch Ấn Độ 11,0 11,5
3 H3BO3 11,0 10,8
4 Borax 16,5 16,2
5 Sô đa 2,0 2,0
5 K2CO3 1,0 1,0
7 Phụ gia khử bọt, khử màu 0,5 1,0
Tổng 117 117
Theo số liệu của đơn 5 và đơn 6, đề tài tiến hành cân trộn phối liệu và thực
hiện nấu thí nghiệm bằng lò điện cực SiC theo quy trình nấu: 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
o
C 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
o
C (nhiệt độ lò từ nhiệt độ thường đến 1300
o
C sử dụng đồng hồ can
nhiệt để đo, khi nhiệt độ từ 1300
o
C trở lên được đo bằng máy đo nhiệt độ hồng

3
Na
2
O K
2
OCaO
Thủy tinh của đề tài 79,30 2,95 10,45 3,17 1,33 0,38
Bát dùng lò vi sóng của Hàn quốc 73,84 1,78 1,31 7,25 0,11 10,31
Thủy tinh pyex của Anh 80,47 2,16 9,80 2,14 0,73 0,08
Kết quả đo hệ số giãn nở nhiệt bằng thiết bị Horizontal Dilatometer (Đức)
Khoảng nhiệt độ (
o
C) T.tinh đề tài T.tinh bát HQ Pyrex của Anh
20 ÷ 100 61 . 10
-7
70 . 10
-7
46 . 10
-7
20 ÷ 200 57 . 10
-7
86 . 10
-7
53 . 10
-7
20 ÷ 300 53 . 10
-7
92 . 10
-7
41 . 10

Các dụng cụ lò vi sóng bao gồm: các loại bát dung tích từ 150 ml đến 500
ml, các loại đĩa, các loại nồi, thố bằng thủy tinh.
Trong khuôn khổ nghiêm cứu đề tài lựa chọn sản phẩm chế thử cho lò vi
sóng là loại bát có dung tích 150 ml.

Hình 4: Bát dùng cho lò vi sóng

21
II. Thực hiện chế thử sản phẩm
Để triển khai chế thử sản phẩm đề tài đã liên hệ với Công ty TNHH Thanh
Xuân. Công ty TNHH Thanh Xuân là Công ty chuyên sản xuất các sản phẩm thủy
tinh dân dụng, sản phẩm thủy tinh trang trí như: các loại lọ hoa, các loại bình hoa
với nhiều hình dáng, kích thước và màu sắc khác nhau.
Nhà máy sản xuất tại khu Công nghiệp Đồng Văn – Duy Tiên – Hà Nam.
Kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đề tài lựa chọn bài phối li
ệu
theo đơn 6 để triển khai chế thử sản phẩm.
Hệ thống lò nấu của Công ty TNHH Thanh Xuân là loại lò cụm gồm 6 nồi,
sử dụng than cám loại dài lửa (của Thái Nguyên) . Lò nấu sử dụng công nghệ của
Trung Quốc, đó là loại lò nấu đốt tự nhiên với chiều cao ống khói 38 m, đường
kính ống khói 350 mm

Hình 5: Hệ thống lò nấu đề tài đã sử dụng chế thử sản phẩm.
II.1 Thực hiện chế thử đợt 1