Tính chất của Thủy Tinh

Thuỷ tinh có các tính chất sau:
    Truyền sáng: Một trong những đặc trưng rõ nét nhất của thủy tinh thông thường là nó trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy, mặc dù không phải mọi vật liệu thủy tinh đều có tính chất như vậy do phụ thuộc vào tạp chất. Độ truyền sáng của thủy tinh trong vùng bức xạ tử ngoại và hồng ngoại thay đổi tùy theo việc lựa chọn tạp chất.

     Ánh sáng nhìn thấy: Tính trong suốt của thủy tinh trong ánh sáng nhìn thấy là do sự vắng mặt của trạng thái chuyển tiếp của các điện tử trong khoảng bước sóng của ánh sáng nhìn thấy, và trạng thái này là thuần nhất trong mọi bước sóng hơn là chỉ trong khoảng bước sóng của ánh sáng nhìn thấy (sự không thuần nhất làm cho ánh sáng bị tán xạ, làm tán xạ hình ảnh được truyền qua).
Các kim loại và ôxít kim loại được bổ sung thêm vào thủy tinh trong quá trình sản xuất nó để thay đổi màu sắc của nó. Mangan có thể thêm vào với một lượng nhỏ để loại bỏ màu xanh lá cây tạo ra bởi sắt hay trong một lượng lớn hơn để cho thủy tinh có màu tím amêtít. Giống như mangan, sêlen có thể sử dụng với một lượng nhỏ để làm bay màu của kính, hay trong một lượng lớn hơn để tạo ra màu hơi đỏ. Một lượng nhỏ côban (0,025 đến 0,1%) sinh ra thủy tinh màu xanh da trời. Ôxít thiếc với antimoan và ôxít asen sinh ra thủy tinh màu trắng đục, lần đầu tiên đã được sử dụng ở Vênidơ để sản xuất đồ giả sứ. 2 đến 3% của ôxít đồng sinh ra màu xanh lam. Đồng kim loại nguyên chất sinh ra thủy tinh mờ có màu đỏ thẫm, nó đôi khi được sử dụng thay thế cho thủy tinh màu hồng ngọc của vàng. Niken, phụ thuộc vào nồng độ, sinh ra thủy tinh có màu xanh da trời hay màu tím hoặc thậm chí là màu đen. Sự bổ sung titan sinh ra thủy tinh có màu nâu vàng. Vàng kim loại trong một lượng rất nhỏ (khoảng 0,001%), sinh ra thủy tinh có màu hồng ngọc thẫm, trong khi một lượng thấp hơn sinh ra màu đỏ nhạt hơn, thông thường gọi là màu "cranberry". Nguyên tố uran (0,1 đến 2%) có thể thêm vào để thủy tinh có màu vàng phản quang hay màu xanh lá cây. Thủy tinh uran nói chung là không nguy hiểm về phóng xạ, tuy vậy nếu nó ở dạng bột, chẳng hạn như đánh bóng bằng giấy nhám, và dạng bụi thì nó là tác nhân gây ung thư. Hợp chất của bạc (thông thường là nitrat bạc) có thể sinh ra một khoảng màu từ đỏ da cam đến vàng. Phương thức đốt nóng và làm lạnh thủy tinh có thể có ảnh hưởng đáng kể tới màu sinh ra bởi các chất này. Các chất này tham gia vào cấu trúc thủy tinh như thế nào hiện nay vẫn chưa được nghiên cứu kỹ. Các loại thủy tinh màu khác vẫn thường xuyên được tìm ra.

    Tính ổn định hoá học: Kính có độ bền hoá học cao. Độ bền hoá học phụ thuộc vào thành phần của kính. Các oxýt kiềm càng ít thì độ bền hoá 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.

          + Tử ngoại: Thủy tinh thông thường không cho ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn 400 nm, hay tia cực tím hoặc UV đi qua. Có điều này vì sự bổ sung của các hợp chất như tro sô đa (cacbonat natri). Thủy tinh thuần SiO2 (còn gọi là thủy tinh thạch anh) không hấp thụ tia UV và nó được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ trong suốt trong khoảng bước sóng này, mặc dù nó đắt hơn thủy tinh thường. Có thể pha thêm xêri vào thủy tinh để tăng việc hấp thụ tia cực tím (các  bức xạ ion hóa nguy hiểm về mặt sinh học).

           + Hồng ngoại: Thủy tinh có thể sản xuất đến mức độ tinh khiết mà hàng trăm kilômét thủy tinh vẫn là trong suốt ở bước sóng hồng ngoại trong các sợi cáp quang. Một lượng lớn của sắt được sử dụng trong thủy tinh có khả năng hấp thụ nhiệt, chẳng hạn như các tấm lọc hấp thụ nhiệt cho các máy chiếu phim.
Chiết suất: Chiết suất của thủy tinh có thể thay đổi khi có các thành phần khác thêm. Thủy tinh có chứa chì, chẳng hạn như chì tinh thể hay thủy tinh đá lửa, là “rực rỡ” hơn vì nó làm tăng chiết suất và sinh ra sự 'lấp lánh' có thể nhận thấy rõ hơn. Việc bổ sung bari cũng làm tăng chiết suất. Ôxít thori cho thủy tinh có hệ số chiết suất rất cao và nó được sử dụng để sản xuất các lăng kính chất lượng cao
Khối lượng riêng của kính thường là 2500kg/m3. Khi tăng hàm lượng oxýt chì thì khối lượng riêng có thể lên đến 6000kg/m3. Modun đàn hồi của kính dao động trong khoảng 48.000 ÷ 83.000kg/cm2 (đối với kính thạch anh ÷ 71.400kg/cm2). Sự có mặt của các oxýt CaO và B2O3 (có thể đến 12%) làm modun đàn hồi tăng lên.
       Kính có cường độ nén cao (700 ÷ 1000kg/cm2), cường độ kéo thấp (35 ÷ 85kg/cm2), độ cứng của kính silicat thường là 5 ÷ 7. Kính giòn (cường độ uốn va đập khoảng 0,2 kg/cm2). Hệ số nở nhiệt của kính thấp: kính thạch anh 5,8.10-7/00C-1; kính xây dựng thường 9.10-6 ÷ 15.10-6/00C. 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 (1,16kCal/m.0C.h). Kính chứa nhiều oxýt kiềm có độ dẫn nhiệt nhỏ.

       Kính có khả năng 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.

      Nhiệt độ nóng chảy: Như mọi chất rắn vô định hình, thủy tinh không có điểm nóng chảy nhất định. Natri nói chung được thêm vào để hạ nhiệt độ nóng chảy của thủy tinh. Sự bổ sung sô đa hay bồ tạt đôi khi còn hạ nhiệt độ nóng chảy xuống thấp hơn.

     Độ dẫn điện: Độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt của thủy tinh có thể thay đổi khi thêm bo, chẳng hạn như ở Pyrex.
 
             Nguyên tắc chế tạo kính

     Nguyên liệu chính để chế tạo kính là cát thạch anh, đá vôi, soda và sunfat natri. Nguyên liệu được nấu trong các lò nấu thuỷ tinh cho đến nhiệt độ 1500.0C.
Nhiệt độ 800 - 900.0C là nhiệt độ hình thành silicat. Vào cuối thời kỳ hình thành silicat nhiệt độ 1150 ÷ 1200.0C, khối thuỷ tinh trở thành trong suốt nhưng vẫn còn chưa 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 thành cần thiết phải hạ nhiệt độ xuống đến 200 ÷ 300.0C. Độ dẻo của khối thuỷ tinh phụ thuộc vào thành phần hoá học của nó.Các oxýt SiO2 , Al2O3 làm tăng độ dẻo, còn các oxýt Na2O, CaO thì ngược lại, làm giảm dộ dẻo.
    Việc chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái thuỷ tinh (rắn) là một quá trình thuận nghịch. Khi để trong không khí và ở nhiệt độ cao cấu trúc vô định của một số loại thuỷ tinh có thể chuyển sang kết tinh.
 
              Kính phẳng

      Kính phẳng dùng để làm kính cửa sổ, cửa đi, mặt kính các quầy trưng bày, để hoàn thiện bên trong và 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... Kính làm cửa, có 3 loại với các chièu dày khác nhau: 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; ;7; 10mm. Khi chiều dày cửa kính tăng, khả năng xuyên sáng của nó giảm.

        Kính dùng để trưng bày được chế tạo bằng cách đánh bóng với kích thước 3,4 x 4,5 m và chiều dày 5 ÷ 12mm. 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 thêm các oxýt kim loại hoặc phủ trên mặt kính những màng kim loại, màng oxýt hoặc màng bột màu. Để lớp phủ đồng nhất, quá trình phủ 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 bớt sự đốt nóng của ánh sáng mặt trời hoặc để điều hoà ánh sáng.

Thủy tinh nghệ thuật đôi khi được tạo ra bằng phương pháp khắc axít hay bằng các chất ăn mòn khác (tạo ra hình cần thiết trên bề mặt thủy tinh). Thông thường nó được tạo ra bởi các nghệ nhân sau khi thủy tinh được thổi hay đúc. Trong những năm 1920 phương pháp mới để khắc axít theo khuôn đã được phát kiến, theo đó các tác phẩm nghệ thuật được khắc trực tiếp trên khuôn, vì thế mỗi một lượt đúc đã tạo ra hình ảnh trên bề mặt thủy tinh. Điều này làm giảm chi phí sản xuất và kết hợp với việc sử dụng rộng rãi của các loại thủy tinh màu đã tạo ra các sản phẩm thủy tinh rẻ tiền trong những năm 1930, sau này được biết đến như là thủy tinh thời kỳ suy thoái.

      Kính tôi được chế tạo bằng cách nung kính thường đến nhiệt độ tôi (540 ÷ 650.0C) rồi làm nguôi nhanh và đều. Làm như vậy thì nội ứng suất sẽ phân bố đều đặn trong kính, đồng thời cường độ va đạp 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...
      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, 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 oxýt sắt, caban và niken. Nhờ đó mà có màu xanh nhạt. Kính hút nhiệt giữ được 70 ÷ 75% tia hồng ngoại (2 ÷ 3 lần lớn hơn bình 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 oxýt chì và oxýt liti...Hệ số nở vì nhiệt khoảng 2 ÷ 4. 10-6/0C, có nghĩa là nhỏ hơn kính thường đến 2 ÷ 3 lần. Loại kính này để chế tạo các chi tiết bền nhiệt của máy móc. Kính dùng trong xây dựng: Kính dùng trong xây dựng có từ thế kỷ 11. Việc sử dụng kính trong xây dựng bao gồm như vật liệu trong suốt cho cửa sổ, lắp kính chia ra từng phần và những nét đặc trưng kiến trúc. Kính trong xây dựng có thể là một vật liệu an toàn, bao gồm kính buộc bằng dây sắt, bền chắc và dát mỏng.Kính sợi cách ly thường dùng trong mái nhà và tường.
 
Các sản phẩm thuỷ tinh
 
      Bloc thuỷ tinh rỗng có khả năng tán xạ ánh sáng lớn. Những ô cửa sổ, vách ngăn chế tạo từ bloc thuỷ tinh có tính chất cách nhiệt và cách âm tốt. Bloc thuỷ tinh thường gồm hai nửa gắn liền lại với nhau, ở giữa rỗng. Dạng phổ biến nhất của blco thuỷ tinh là dạng có vân khía ở bên trong. Tính chất của bloc thuỷ tinh rỗng: độ xuyên sáng không nhỏ hơ 65%, độ tán xạ -25% hệ số dẫn nhiệt 0,34 kCal/m.0C.h.
Ngoài bloc thông thường người ta còn sản xuất các bloc màu, bloc hai ngăn (cách nhiệt) và bloc hướng ánh sáng.

Thuỷ tinh xếp lớp bao gồm hai hoặc ba tấm thuỷ 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. Tuỳ theo công dụng mà sản phẩm thuỷ tinh xếp lớp có thể được chế tạo từ kính cửa, kính tôi, kính phản quang hoặc các loại kính khác.
Ống thuỷ tinh trong nhiều trường hợp (chẳng hạn trong môi trường ăn mòn hoá học) tỏ ra hiệu quả hơn ống kim loại. Chúng có tính ổn định hoá học cao, bề mặt nhẵn, trong suốt và vệ sinh. Nhờ đó ống thuỷ tinh được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và công nghiệp hoá học. Nhược điểm chính của ống là giòn, chịu uốn và va đạp kém; và tính ổn định nhiệt không cao (khoảng 400C). Hiện nay người ta đã sản xuất được các loại ống bền nhiệt, với hệ số nở nhiệt thấp, từ thuỷ tinh borosơilicat.

        Ứng dụng: Vì thủy tinh là một vật liệu cứng và không hoạt hóa nên nó là một vật liệu rất có ích. 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 silicat bo (như Pyrex) 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 làm việc với nó. Phần lớn thủy tinh như thế này 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 vì thế họ vẫn giữ ống thổi thủy tinh trong văn phòng. Thủy tinh từ núi lửa, như đá vỏ chai, đã được sử dụng từ lâu để tạo ra các công cụ bằng đá và kỹ thuật đập đá lửa có thể dễ dàng tạo ra với sự phù hợp với thủy tinh sản xuất hàng loạt ngày nay.

       Tái chế: Thuỷ tinh được tạo hình khi nó đang nóng chảy hoặc biến mềm, do đó những phế liệu có tính chất gần giống tính chất sản phẩm cần tạo đều có thể tái chế (nấu chảy và tạo hình lại). Ở những nhà máy lớn sản xuất thuỷ tinh, đa số đều dùng lò bể, là một loại lò có thể nấu liên tục. Người ta hạn chế tối đa việc dừng lò bởi mỗi lần như thế, lượng thuỷ tinh còn thừa (chiếm khoảng 20-30% thể tích lò) sẽ đông cứng, co lại và phá huỷ lớp gạch chịu lửa xây lò và ảnh hưởng đến kết cấu thành lò. Chi phí xây gạch mới và nhiên liệu cung cấp cho quá trình nâng nhiệt của lò đến nhiệt độ nấu thuỷ tinh sẽ rất lớn. Chính điều đó dẫn đến việc có một số thuỷ tinh thành phẩm nhưng cũng được đưa vào tái chế (nấu lại). Điều này xảy ra tại các nhà máy thuỷ tinh lớn chẳng may hàng bán không chạy, mà hàng tồn đọng lại trong kho quá nhiều; nếu tiếp tục sản xuất mới sẽ không có chỗ chứa. Biện pháp xử lý là đập vỡ thành phẩm, đem qua lò nấu lại, mục đích là để duy trì sự hoạt động của lò.

#Vochaithuytinh