Vật liệu kính và công dụng của nó trong xây dựng

* Tóm tắt nguồn gốc của thuỷ tinh
Cho đến tận ngày nay, không có sự xác nhận về nguồn gốc của thuỷ tinh. Tuy nhiên, có thể nói nguồn gốc của nó từ Mesopotamia hoặc Ai Cập khoảng hai nghìn năm trước Công nguyên. Khi đó thủy tinh được sử dụng như là men màu cho nghề gốm và các mặt hàng khác. Những nền văn hoá cổ xưa này đã làm ra những đồ vật bằng thuỷ tinh với phương pháp đúc thô sơ. Những người thợ thuỷ tinh đầu tiên tạo hình cho thuỷ tinh bằng cách đắp thuỷ tinh lỏng xung quanh một cái lõi bằng cát hay đất sét, sau đó dỡ bỏ nguyên liệu làm lõi. Cuối cùng thuỷ tinh đã nguội được cắt bẻ và mài bóng.

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 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.

Trong thiên niên kỷ tiếp theo, việc chế tạo thuỷ tinh được thực hiện rộng rãi hơn trong thế giới cổ đại và đã có một số cải tiến trong phương pháp chế tạo thuỷ tinh cơ bản, ví dụ như công việc cắt. Người nguyên thủy dùng đá vỏ chai để làm các con dao cực sắc và học được cách cho thêm một số thành phần vào thuỷ tinh để tăng độ bền, làm cho thuỷ tinh trong hơn hay tạo ra màu sắc đặc biệt. Tuy nhiên việc chế tạo thuỷ tinh vẫn còn rất khó và thuỷ tinh chủ yếu được dùng trong hoàng gia cho những nghi thức tôn giáo

Vào giữa năm 30 trước công nguyên và năm 395 sau công nguyên, những nguời thợ thuỷ tinh Siri phát minh ra chiếc ống thổi, giúp cho việc tạo ra vô số sản phẩm khác nhau về hình dáng và độ dày. Trong suốt thời gian phương pháp đánh dấu thời kỳ này của kính đúc, thuỷ tinh tan đã được dùng tới phần cuối của ống dẫn thổi, thổi phồng ra thành ống dẫn giống như quả bóng bay và sau đó đã được đúc thành một hình dạng thích đáng.Qua đây, các hình dạng đa dạng và cỡ của các sản phẩm thuỷ tinh hoạt động dễ dàng hơn thành sản phẩm. Kỹ thuật thổi kính này vẫn còn tồn tại đến tận ngày nay và đã trở thành một điểm du lịch hấp dẫn tại Venice.

Tiếp ngay sau phát minh ra ống thổi là sự xuất hiện của khuôn hai nửa, giúp cho thợ thuỷ tinh có thể tạo ra hàng loạt những đồ vật thuỷ tinh giống hệt nhau. Hai phát minh này lần đầu đã làm cho những sản phẩm thuỷ tinh trở nên vừa với túi tiền của những người dân bình thường.

Trong thế kỷ đầu tiên sau công nguyên những người Rôma đã làm một cuộc cách mạng trong chế tạo thuỷ tinh bằng việc sử dụng một loạt phương pháp như thổi thuỷ tinh, thổi vào khuôn và ép bằng khuôn để sản xuất hàng loạt các sản phẩm thuỷ tinh có hình dạng khác nhau dùng trong trang trí. Kính cửa sổ, sản xuất bằng cách đổ và kéo giãn thuỷ tinh nóng chảy trên một chiếc bàn thép, đã thay đổi diện mạo của nền kiến trúc. Đế chế La mã cũng sản xuất kính tấm bằng cách thổi những quả bóng hay mặt trụ thuỷ tinh lớn, sau đó tách ra và làm phẳng. Họ cũng bắt đầu chế tạo gương soi bằng cách phủ hỗn hợp bạc lên kính tấm. Sáng tạo này của người Rôma không lâu sau đã được lan truyền khắp châu Âu.

Với sự sụp đổ của đế chế La mã rất nhiều kỹ xảo của nghề thuỷ tinh đã mất mát. Ở Tây Âu thuỷ tinh lại trở thành thứ sản phẩm dành cho người giàu và kính tấm được sử dụng để làm của sổ của những nhà thờ trung cổ. Tuy nhiên công nghiệp thuỷ tinh Byzantine tiếp tục cho ra đời những sáng tạo mới. Khoảng năm 650 sau công nguyên, những người thợ thuỷ tinh Siri đã phát triển một công nghệ kính mới có tính cách mạng để sản xuất kính “vương miện” “crown”. Loại kính này được làm bằng cách tạo ra một lỗ hổng trên quả bóng bằng thuỷ tinh nóng chảy, sau đó quay khối thuỷ tinh mềm để làm ra tấm kính mỏng hình tròn với “tiêu điểm” bulls-eye rất đặc biệt ở tâm. Bởi vì loại kính này không đắt lắm nên nó được dùng làm kính cửa sổ cho đến cuối thế kỷ 19.

Các đồ vật làm từ thủy tinh từ thế kỷ 7 và thế kỷ 8 đã được tìm thấy trên đảo Torcello gần Vênidơ. 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.

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. Họ đã nhập khẩu đồ dùng thuỷ tinh từ Byzantine và bắt đầu nền công nghiệp thuỷ tinh thịnh vượng của mình từ thế kỷ 13. Để bảo vệ “bí mật thương mại”, các lò nấu thuỷ tinh được chuyển ra đảo Muranô, nơi mà thời kỳ phục hưng của nghề thuỷ tinh Italia tiếp tục trong vòng vài thế kỷ. Những người Venidơ đã hoàn thiện công nghệ sản xuất kính tấm theo phương pháp đúc thuỷ tinh không màu trên chiếc bàn thép, sau đó đánh bóng tấm kính cho đến khi không còn gợn sóng. Người Venidơ cũng phát triển phương pháp tráng thuỷ ngân để làm những chiếc gương nổi tiếng khắp châu Âu. Trong khi rất nhiều người đã chết vì nhiễm độc thuỷ ngân, gương đã đem lại lợi nhuận rất cao, đến mức các đức cha đã ban bố mức án tử hình cho những ai để lộ bí mật công nghệ. Mặc cho những cố gắng đó, những kinh nghiệm làm kính của Venidơ đã lan truyền khắp châu Âu. Không lâu sau những người thợ thuỷ tinh Pháp đã cải tiến công nghệ Italia bằng những chiếc bàn lớn để làm ra những tấm kính kích thước lớn hơn, chế tạo ra những lò ủ để làm nguội kính trong vài ngày.

Nghề thuỷ tinh cũng được hoàn thiện ở Đức, Bắc Bôhêmia và Anh, nơi George Ravenscoft đã phát minh ra kính chì vào những năm 1670. Cũng khoảng thời gian này kính tấm cũng được sản xuất ở Pháp bằng phương pháp mặt trụ. Để cải tiến công nghệ bắt nguồn từ La mã, những người thợ Pháp thổi những mặt trụ thuỷ tinh dài, tách nó ra và cán phẳng bằng những khối gỗ để tạo ra hình chữ nhật.

Với sự ra đời của công ty kính tấm của Anh vào năm 1773, nước Anh đã trở thành trung tâm kính cửa sổ chất lượng cao của cả thế giới. Đây là mốc đánh dấu lần đầu tiên trong lịch sử ngành công nghiệp thuỷ tinh, cửa sổ kính trở nên vừa với túi tiền của đa số những chủ sở hữu nhà.

Anh là nước đầu tiên đã tìm kiếm và lập nên những trung tâm sản xuất kính của mình tại các thuộc địa ở châu Mỹ. Họ lo sợ sự cạnh tranh từ những nhà sản xuất trong nước và những lò nấu thuỷ tinh ngoài vòng pháp luật ở châu Mỹ. Sau cuộc cách mạng Mỹ, kỹ thuật làm kính đã tràn sang từ châu Âu, hình thành nên một nền công nghiệp kính đầy sức sống tại Hợp chủng quốc. Sáng tạo đầu tiên của những nhà sản xuất Mỹ đó là sự phát minh ra chiếc máy ép, được cấp bằng sáng chế năm 1825. Trong quá trình ép, thuỷ tinh lỏng được rót vào khuôn và được ép để tạo ra hình dạng mong muốn nhờ pit-tông.

Cách mạng Công nghiệp đã đem lại một loạt sáng tạo trong nghề sản xuất thuỷ tinh, bắt đầu với sự ra đời của chiếc bơm khí nén ở Anh năm 1859. Chiếc bơm này đã tự động hoá công đoạn thổi thuỷ tinh, giảm bớt được số thợ thủ công lành nghề. Những tiến bộ về hoá học cũng tác động mạnh đến sản xuất kính, cho phép những nhà sản xuất thay đổi thành phần nguyên liệu để tạo ra sản phẩm bền vững hơn và chịu nhiệt tốt hơn. Năm 1871, William Pilkington đã phát minh ra chiếc máy tự động sản xuất kính tấm sử dụng phương pháp thổi mặt trụ. Quá trình cơ giới hoá này đã được J.H. Lubber cải tiến ở Mỹ vào năm 1903.

Bước sang thế kỷ sau, những nhà sản xuất kính nhận thấy rằng kính tấm có thể được tôi bằng cách nung lại một lần nữa và làm nguội đi một cách nhanh chóng. Nhờ xuất hiện những ứng suất đặc biệt của vật liệu thuỷ tinh mà độ bền của kính tăng khoảng 400%. Điều này đặc biệt quan trọng đối với ngành sản xuất ôtô lúc này đang còn sơ khai.

Công nghệ mặt trụ trở nên lỗi thời khi Irving Colburn Mỹ và Emile Fourcault Bỉ cùng nhau phát triển công nghệ mới để kéo kính nóng chảy từ trong lò theo dòng nhỏ tạo thành tấm kính và làm nguội bằng cách kéo băng kính giữa hai con lăn amiăng. Mặc dù kính sản xuất theo phương pháp “kéo” vẫn còn bị gợn sóng nhưng đó là kính tấm chất lượng nhất từ trước và nó làm giảm giá thành sản phẩm. Thực tế những năm 1920 – 1930, do kính “kéo” thống trị thị trường nên giá kính tấm đã giảm khoảng hơn 60%.

Công nghệ kéo cũng cho phép sản xuất kính hoa bằng cách kéo băng kính giữa những con lăn amiăng được in hình. Những kiến trúc sư và những nhà xây dựng nhanh chóng đưa kính hoa vào hàng loạt các ứng dụng đòi hỏi sự riêng tư kín đáo.

Những năm sau chiến tranh thế giới lần thứ I, công nghiệp kính tấm đã chứng kiến sự tăng trưởng kỳ lạ nhờ sự bùng nổ về nhà ở và của ngành công nghiệp ôtô. Đến năm 1929, 70% kính tấm sản xuất tại Mỹ đã được bán cho ngành chế tạo ôtô. Rất nhiều trong số đó là kính an toàn sản xuất bằng cách dán 2 tấm kính vào một lớp trung gian bằng a-xê-tát sel-lu-lô.

Tuy công nghệ sản xuất đã được cải tiến, khâu đánh bóng để tạo ra kính tấm chất lượng cao vẫn là khâu đòi hỏi nhiều thời gian và giá thành cao.Những nhà sản xuất kính trên thế giới đã tìm cách để làm ra kính tấm chất lượng cao được làm bóng mà không cần công đoạn gia công bổ sung.

Ngành sản xuất kính chỉ hoàn toàn thay đổi khi Alastair Pilkington phát minh ra công nghệ kính nổi hiện đại vào những năm 1960, giảm thiểu sự khác biệt so với tấm kính đã qua đánh bóng. Trong công nghệ của Pilkington, thuỷ tinh lỏng theo một dòng hẹp chảy liên tục được rót vào một bể nông chứa kim loại nóng chảy, thông thường là thiếc. Thuỷ tinh lỏng lan ra trên bề mặt kim loại nóng chảy và tạo ra băng kính chất lượng cao với độ dày ổn định và được làm bóng bằng nhiệt. Công nghệ của Pilkington đã cách mạng nền công nghiệp kính toàn thế giới về nhiều mặt. Nó làm giảm đáng kể giá thành kính tấm, tạo ra những ứng dụng mới cho những sản phẩm kính tấm như trang trí nội thất hay xây nên những toà nhà văn phòng cao chọc trời. Với giá thành thấp, kính chất lượng cao đã bắt đầu thống trị các ngành xây dựng, chế tạo ôtô, công nghiệp gương. Ngày nay hơn 90% sản lượng kính tấm của thế giới được sản xuất theo công nghệ của Pilkington.

Chúng ta đều biết rằng thuỷ tinh là một dung dịch rắn ở dạng vô định hình, nhận được bằng cách làm quá nguội khối silicat nóng chảy, thường được pha trộn thêm các tạp chất để có tính chất theo ý muốn. Để sản xuất thuỷ tinh, người ta dùng cát thạch anh hạt nhỏ, tinh khiết, soda Na2CO3, Na2SO4, K2CO3, đôlômit, đá phấn và các loại phụ gia như B2O3, MnO, SnO2, CaO. Thuỷ tinh có dạng trong suốt, bền và về mặt sinh học là loại vật liệu không hoạt động, có thể tạo ra hình dạng nhẵn và bề mặt không thấm nước.Tuy nhiên, thuỷ tinh giòn và dễ vỡ. Những thuộc tính này có thể thay đổi với điều kiện sử dụng các hợp chất khác.

Từ những cửa sổ kính màu của các nhà thờ thời Trung cổ cho đến những tấm gương nổi tiếng ở Venecia thời Phục Hưng, kính tấm đã mang đến cho chúng ta sự che chở trước môi trường và đồng thời lại phản chiếu được vẻ đẹp của thiên nhiên, tạo cho con người sự tiện nghi quanh năm, giảm bớt chi phí về năng lượng, nâng cao tính an toàn và thay thế những bức tường với gạch và vữa bằng một bức tranh toàn cảnh của ánh sáng và vẻ đẹp tự nhiên.

Về thành phần hoá học, thuỷ tinh xây dựng gồm 75 – 80% SiO2. Đó là loại giống như hợp chất hoá học đã được tìm thấy trong thạch anh, dạng đa tinh thể của nó và cát.

Trong vật lý học, các chất rắn vô định hình thông thường được sản xuất khi một chất lỏng đủ độ nhớt bị làm lạnh rất nhanh, vì thế không có đủ thời gian để các mắt lưới tinh thể thông thường có thể tạo thành. Thủy tinh cũng được sản xuất như vậy từ gốc silicát.

Silicát là điôxít silic SiO2 có trong dạng đa tinh thể như cát và cũng là thành phần hóa học của thạch anh. Silicát có điểm nóng chảy khoảng 2.000°C 3.632 °F, vì thế có hai hợp chất thông thường hay được bổ sung vào cát trong công nghệ nấu thủy tinh nhằm giảm nhiệt độ nóng chảy của nó xuống khoảng 1.000 °C. Một trong số đó là sô đa cacbonat natri Na2CO3, hay bồ tạt tức cacbonat kali K2CO3. Tuy nhiên, sô đa làm cho thủy tinh bị hòa tan trong nước – là điều người ta không mong muốn, vì thế người ta cho thêm vôi sống ôxít canxi, CaO là hợp chất bổ sung để phục hồi tính không hòa tan.

Trong dạng thuần khiết và ở điều kiện bình thường, thủy tinh là một chất trong suốt, tương đối cứng, khó mài mòn, rất trơ hóa học và không hoạt động xét về phương diện sinh học, có thể tạo thành với bề mặt rất nhẵn và trơn. Tuy nhiên, thủy tinh rất dễ gãy hay vỡ thành các mảnh nhọn và sắc dưới tác dụng của lực hay nhiệt một cách đột ngột. Tính chất này có thể giảm nhẹ hay thay đổi bằng cách thêm một số chất bổ sung vào thành phần khi nấu thủy tinh hay xử lý nhiệt.

Thủy tinh được sử dụng rộng rãi trong xây đựng, làm đồ chứa chai, lọ, cốc, chén, ly, tách hay vật liệu trang trí.

* Các phương pháp sản xuất thuỷ tinh

– Phương pháp Crown vương miện: Công nghệ thủy tinh Crown đã được sử dụng cho đến giữa những năm 1800. Trong công nghệ này, ống thổi thủy tinh có thể xoay tròn khoảng 9lb 4 kg thủy tinh lỏng tại phần cuối của ống cho đến khi nó được làm phẳng thành đĩa đường kính khoảng 5 ft 1,5 m. Đĩa sau đó được cắt thành tấm chữ nhật. Thủy tinh của người Vênidơ là cao giá giữa thế kỷ 10 và thế kỷ 14 bởi vì họ giữ được bí quyết. Khoảng năm 1688, công nghệ đúc thủy tinh đã được phát triển, dẫn tới việc sử dụng nó như một vật liệu thông dụng. Sự phát minh ra máy ép thủy tinh năm 1827 cho phép sản xuất hàng loạt các đồ vật từ thủy tinh rẻ tiền hơn.

Sau khi hoàn thành việc này, sự yêu cầu hình thù Crown là hâm nóng lại đến khi nó đến khi hóa mềm và quay với tốc độ cao, sử dụng thanh iron như một axit.

Lực ly tâm làm miệng của Crown sau đó mở ra rộng, mức độ như dạng hình đĩa khoảng 1 mét trong thấu kính.Đây là cắt để hoàn thành tấm kính.

– Phương pháp ống xi lanh:

Được phát kiến bởi William J. Blenko trong những năm đầu của thập niên 1900. Trong phương pháp này, vật liệu cơ bản tan ra là ống hình trụ, hoặc nếu sắp xếp rộng, vật liệu trở thành miệng hình trụ dạng ống. Sau đó, tất cả các phần cuối của ống cần kỹ năng rất cao và hình trụ dọc tách ra thành khoảng rộng.

Công việc này cần tiến hành trên nền tảng của tấm kim loại của lò luyện với một thanh sắt nối với gỗ châm lửa trong sự đun nóng kim loại đến nhiệt độ gia công hình trụ trong lò luyện.

– Phương pháp kính kéo nổi:

Phương pháp này đã phát triển vào những năm 1960. Những công ty có bản quyền công nghệ kính nổi của Pilkington đã nâng cao năng suất của mình và giảm giá kính, gây ra những khó khăn đối với những công ty chưa có công nghệ kính nổi. Cho đến năm 1975, số dây chuyền kính nổi chiếm tới 97% số dây chuyền sản xuất kính trên thế giới, qua đó có thể khẳng định công nghệ của Pilkington là một trong những phát minh vĩ đại nhất trong lịch sử của ngành công nghiệp kính.Thuỷ tinh tan ra trên đỉnh của kim loại nấu chảy là sản phẩm của tấm thuỷ tinh. Thuỷ tinh tan là sự chuyển từ lò luyện, đặt trên tấm trôi và sau đó chảy lỏng theo chiều dài đỉnh của kim loại nấu chảy trên tấm đó. Trong quy trình này, nhiệt độ dưới sự điều khiển nghiêm ngặt và thuỷ tinh trôi sẽ dày và rộng hơn ở miệng.

Bề mặt của tấm kim loại nóng chảy là hoàn toàn nằm ngang, do vậy làm cho tất cả các mặt của thủy tinh trôi cũng hoàn toàn nằm ngang. Trong khoảng thời gian giữa, thuỷ tinh nóng từ cả hai mặt trên và dưới và không tiếp xúc bởi bất kỳ một vật liệu rắn nào. Vì vậy, cả hai mặt đều bóng và nóng tự nhiên.

Ngoài ra, thuỷ tinh lạnh có mức độ trở thành không bị biến dạng, méo mó khi chống chất lên trên trục lăn. Sau đó nó được rửa sạch, để khô và cuối cùng cắt trở thành các cỡ rộng.

Công nghệ kính nổi cho ra đời nhiều công nghệ mới và những sản phẩm kính mới. Lần đầu tiên, kính tấm chất lượng cao được làm ra với nhiều độ dày khác nhau từ 0,5-19mm hay lớn hơn. Kính được làm dày hơn vì mục đích an toàn, chống ồn mà vẫn đảm bảo những tiêu chuẩn thẩm mỹ. Thêm vào đó công nghệ này còn cho phép những nhà sản xuất thay đổi thành phần phối liệu để làm ra những sản phẩm mới, trong số đó có kính màu.

Do cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu vào đầu những năm 1970, nhu cầu kính tấm có suy giảm và ảnh hưởng đến toàn ngành công nghiệp. Vì những lý do hiệu quả năng lượng, kính được sử dụng ít hơn trong những cao ốc. Công nghiệp xây dựng nhà ở bên bờ vực do sự tụt hậu nghiêm trọng của nền kinh tế. Những chiếc xe hơi nhỏ gọn sử dụng ít kính hơn, và như là để làm cho tình hình càng xấu hơn, hãng Ford Motor bắt đầu sản xuất kính nổi cho nhu cầu riêng của họ, làm giảm nghiêm trọng mức kính bán cho ngành chế tạo ôtô. Thực tế, năm 1970 công ty Nashville của Ford là nhà sản xuất kính nổi lớn nhất thế giới.

– Phương pháp thuỷ tinh tan:

Trong phương pháp này, sản phẩm thuỷ tinh tan trực tiếp qua hai trục lăn nuớc lạnh.

Trong sản phẩm thuỷ tinh tan, bề mặt thủy tinh được khắc với các khuôn mẫu trên trục lăn thấp hơn và sau đó thuỷ tinh tan đã được gửi trong một dạng hình dải băng tiếp diễn lên trên thùng chứa lạnh.Ở bên ngoài thùng chứa, dải băng sẽ cắt thành cỡ cụ thể để sản xuất hoàn thành sản phẩm.

* Thuỷ tinh có các tính chất sau:

Thủy tinh có thể thay đổi tính chất, tùy theo việc lựa chọn tạm chất và hàm lượng pha thêm khi nấu thủy tinh.

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 15000C.

Nhiệt độ 800 – 9000C là nhiệt độ hình thành silicat. Vào cuối thời kỳ hình thành silicat nhiệt độ 1150 ÷ 12000C, khối thuỷ tinh trở thành trong suốt nhưng vẫn còn chưa nhiều bọt khí, việc tách bọt khí kết thúc ở 1400 ÷ 15000C. 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 ÷ 3000C. 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 ÷ 6500C 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.

Thuý Giang dịch

Nguồn tin: Asahi Glass Company