1- Độ bền hóa của thủy tinh:

1.1 Khái niệm: Độ bền hóa của thủy tinh là khả năng chịu đựng sự tác dụng của các tác nhân hóa học như nước, axit , kiềm… Mỗi loại thủy tinh có độ bền hóa tùy thuộc vào thành phần và điều kiện phá hủy nó. Loại thủy tinh bền hóa nhất là thủy tinh thạch anh và kém bền nhất là thủy tinh nước.  Quá trình phá hủy thủy tinh là một quá trình phức tạp. Có thểchia làm 2 loại: Hòa tan và xâm thực.

-Quá trình hòa tan: Khi toàn bộ thành phần thủy tinh bị phá hủy ( bị hòa tan hoàn toàn). Ví dụ: Tác dụng của HF hay kiềm đậm đặc lên thủy tinh .

-Quá trình xâm thực: Chỉ một bộ phận thủy tinh bị hòa tan còn lại trên bề mặt là lớp gel ôxyt  silic. Quá trình này xảy ra khi thủy tinh tiếp xúc với nước, axit và kiềm loãng.

a/ Tác dụng của nước lên thủy tinh : Theo Greben sikop quá trình xâm thực của nước đối với thủy tinh xảy ra 5 bước:

B1)-Nước tác dụng với một phần ôxyt kiềm:

R2O.x SiO2 + (1+y) H2O = 2 ROH + x SiO2.yH2O

B2)-Dung dịch kiềm vừa tạo ra hòa tan một phần SiO2

B3)-Hình thành trên bề mặt thủy tinh một lớp màng gel SiO2và các hydrat khó tan của các ôxyt khác làm hạn chế quá trình xâm nhập của nước vào bề mặt thủy tinh .

B4)-Nước làm trương nở lớp gel ôxyt silic.

B5)-Nước xâm nhập và tác dụng vào lớp thủy tinh sâu hơn kèm theo sự khuếch tán của ôxyt kiềm từ trong ra ngoài.

    b/ Tác dụng của axit lên thủy tinh:

Tác dụng của axit lên thủy tinh cũng tương tự như nước, nhưng khác ở chỗ là axit không hòa tan lớp gel SiO2 như nước mà liên kết Si-O-Si vẫn bảo toàn và tạo một lớp màng phủ mỏng với hàm lượng SiO2~ 90%. Trong quá trình ăn mòn, axit sẽ hòa tan một số cấu tử bền nước như Al3+ , Ca2+

Do đó thủy tinh thủy tinh giàu Al2O3 và CaO như thủy tinh bao bì, thủy tinh sợi bền nước nhưng kém bền axit . Axit HF thuộc trường hợp đặc biệt. Khi tiếp xúc với thủy tinh nó phá hủy liên kết SiO-Si tạo SiF4, H2SiF6 bay hơi. Do đó nó hòa tan thủy tinh hoàn toàn và được sửdụng để ăn mòn thủy tinh. Axit H3PO4 ở nhiệt độ lớn hơn 100.0C có tác dụng như HF.

    c/ Tác dụng của kiềm lên thủy tinh:

Sự ăn mòn của kiềm khác hẳn với nước và axit. Kiềm phá hủy liên kết Si-O-Si, không tạo màng gel SiO2, do đó kiềm ăn mòn mạnh hơn nhiều so với nước và axit. Vì vậy không thể dùng các bình thủy tinh khi xác định độ bền kiềm của thủy tinh và không chứa kiềm trong các chai lọ thủy tinh lâu ngày.

Khi thủy tinh bị nước hay axit ăn mòn, các sản phẩm tạo thành sẽ không bị hòa tan mà bám vào bề mặt thủy tinh , hạn chế sự ăn mòn tiếp, điều này không xảy ra với kiềm. Tốc độ ăn mòn thủy tinh của kiềm ( hàm lượng thủy tinh hao hụt) tỉ lệ thuận với thời gian tác dụng tức theo qui luật đường thẳng. Riêng kiềm rất loãng 0,001N tác dụng giống như nước.

    d/Tác dụng của dung dịch muối lên thủy tinh:

Tác dụng này phụ thuộc vào phản ứng của chúng, tức phụ thuộc vào nồng độ H+ Nếu dung dịch muối có độ PH càng xa điểm trung hòa thì chúng càng giống tác dụng của axit hoặc kiềm.

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền hóa của thủy tinh:

Độ bền hóa của thủy tinh phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: Bản chất của thủy tinh , bản chất của tác nhân ăn mòn, điều kiện ăn mòn… Ảnh hưởng của mỗi cấu tử đến độ bền hóa của thủy tinh không chỉ do bản chất và lượng nó quyết định mà còn tùy thuộc vào thành phần cơ bản của thủy tinh. Độ bền hóa không thể tính theo qui tắc cộng.

Nhìn chung các ôxyt kiềm luôn làm giảm độ bền hóa do các silicat kiềm dễ bị thủy phân và hydroxit kiềm sau khi thủy phân hấp thụ mạnh CO2 và SO2 trong không khí tạo Na2CO3, Na2SO4 tiếp tục gặm mòn thủy tinh . Khi tăng hàm lượng kiềm độ hòa tan của nhiều thủy tinh có thể chuyển từ dạng xâm thực sang dạng bị hòa tan. Ví dụ: Thủy tinh silicat canxinatri có hàm lượng Na2O >30% sẽ bị hòa tan trong nước sôi. Ôxyt SiO2, ngược lại luôn làm tăng độ bền hóa của thủy tinh

Loại thủy tinh silicat có độ bền hóa tăng lên khi thay thế các cấu tử ôxyt kiềm bằng ôxyt kiềm thổ hoặc khi đưa vào thủy tinh các ôxyt hóa trị 3,4. Vì vậy thủy tinh silicat kiềm nhiều cấu tử bền hóa hơn thủy tinh silicat 2 cấu tử.

Các silicat kẽm, beri, cadmi có độ bền nước khá cao; silicat manhê và stronti kém bền hơn, còn silicat chì, bari rất kém bền.  Silicat zircon, các alumosilicat và borosilicate (với B2O3<12%) có độ bền nước rất cao.

Các loại thủy tinh axit có hàm lượng kiềm thấp, kiềm thổ vừa phải có độ bền axit khá cao. Thủy tinh chứa TiO2, ZrO2, Al2O3 đặc biệt bền axit.

Độ bền kiềm của thủy tinh rất khó nâng cao, nhất là khi môi trường kiềm có nồng độ lớn.

Các ôxyt BaO, MgO, TiO2, PbO làm giảm độ bền kiềm. Ôxyt Al2O3, đặc biệt là ZrO2 làm tăng độ bền kiềm . Như vậy silicat zircon tỏ ra bền vững với nhiều tác nhân hóa học khác nhau( nước, axit, kiềm).

Sự phá hủy thủy tinh mạnh nếu nhiệt độ và áp suất môi trường tăng lên. Nước có tác dụng đặc biệt mạnh ở nhiệt độ lớn hơn 100.0C. Tăng áp suất của nồi hấp đến 30-100 at nhiều loại thủy tinh bền hóa cũng bị phá hủy. Độ bền hóa của thủy tinh bị giảm đi nhiều khi bề mặt bị nhiều vết xước, lồi lõm. Thủy tinh được đánh nhẵn bằng lửa có độ bền hóa cao hơn thủy tinh đánh nhẵn bằng cơ học. Ngoài ra, độ đồng nhất của thủy tinh cũng ảnh hưởng đến độ bền hóa của nó. Thủy tinh được nấu ở nhiệt độ cao, độ đồng nhất tốt có khả năng chống xâm thực lớn hơn các thủy tinh có cùng thành phần nhưng không thật đồng nhất.

2 Tính chất cơ học của thủy tinh:

    2.1 Mật độ và thành phần hóa:

Thủy tinh có thành phần hóa khác nhau thì có mật độ khác nhau. Mật độ của phần lớn thủy tinh silicat canxi natri xấp xỉ 2,5g/cm3. Loại thủy tinh thạch anh và thủy tinh kỹ thuật giàu SiO2, B2O3 như simax, sial, thủy tinh điện chân không có mật độ nhỏ 2,2-2,3g/cm3. Thủy tinh giàu PbO, BaO có mật độ lớn đến 5-7g/cm3. Tóm lại [Si,B,P] , [Be, Al, Mg] và [Li, Na, K] tác dụng mật độ nhỏ, [Ca, Sr, Ba] tác dụng mật độ thủy tinh lớn, lớn hơn nữa là Zn, Cd và các nguyên tố nặng như Pb, Ti. Mật độ của thủy tinh có thể xác định bằng tính toán theo qui tắc cộng từ thành phần hóa.

   2.2 Các tính chất cơ học khác của thủy tinh:

Thủy tinh khác nhau có độ bền nén, kéo, uốn khác nhau và dao động trong một khoảng khá rộng. Độ bền nén dao động từ 3.000-12.000 kg/cm2. Độ bền kéo và uốn xấp xỉ nhau vì 2 dạng này có liên quan chặt chẽ nhau, thường nhỏ hơn bền nén khoảng 10-15 lần.

Độ chịu va đập của thủy tinh biểu hiện một tính chất rất đặc trưng của nó là tính giòn và được đo bằng công cần thiết để phá hủy 1 đơn vị mẫu thử. Các ôxyt B2O3, MgO, Al2O3 làm tăng độ chịu va đập của thủy tinh còn các ôxyt khác ít ảnh hưởng .

Độ cứng của thủy tinh dao động từ 5-7 theo thang Mohs và thủy tinh thạch anh là thủy tinh có độ cứng lớn nhất, mềm nhất là thủy tinh giàu PbO.

Các tính chất cơ học này của thủy tinh phụ thuộc mạnh vào trạng thái bề mặt của mẫu thử, hình dạng mẫu, kích thước mẫu, nhiệt độ thí nghiệm và tốc độ tăng tải trọng khi thử. Nói chung độ bền cơ học của thủy tinh theo các nhà nghiên cứu khác nhau thường không giống nhau.

3 Tính chất nhiệt của thủy tinh:

Thủy tinh là loại vật liệu dẫn nhiệt rất kém, đây là một trong những nguyên nhân gây ra ứng suất phá hủy thủy tinh khi đốt nóng hay làm lạnh đột ngột. Thành phần hóa ảnh hưởng rất ít đến độ dẫn nhiệt. Phần lớn thủy tinh có độ dẫn nhiệt trong khoảng 0,0017-0,0032Cal/cm.s. 0C ở nhiệt độ thường. Thủy tinh thạch anh có độ dẫn nhiệt tốt nhất, khi thêm các ôxyt khác vào độ dẫn nhiệt sẽ giảm. Ngược với độ dẫn nhiệt, tỉ nhiệt của thủy tinh phụ thuộc vào thành phần hóa và vào nhiệt độ. Trong phạm vi nhiệt độ thường thủy tinh có tỉ nhiệt vào khoảng  0,08-0,25Cal/g. 0C.

Hệ số giãn nở nhiệt phụ thuộc mạnh vào thành phần hóa và biến đổi trong một phạm vi khá rộng. Thủy tinh thạch anh có hệ số giãn nở nhiệt thấp nhất α= 5,8.10-7/0C. Các ôxyt kiềm đều làm tăng α lên. Các dụng cụ chịu nhiệt bằng thủy tinh luôn đòi hỏi phải có α nhỏ, còn các loại thủy tinh dùng để chắp nối với nhau và với kim loại thì đòi hỏi phải có α xấp xỉ nhau trong khoảng nhiệt độ thường đến nhiệt độ hấp ủ. Nếu không như thế mối hàn dễ bị phá hủy bởi tác dụng nhiệt. Có thể xác định α bằng nhiều cách nhưng thông dụng nhất là phương pháp Đilatomet thạch anh.

Một tính chất quan trọng nữa của thủy tinh là độ chịu nhiệt hay độ bền xung nhiệt. Tính chất này phản ánh khả năng chịu đựng của thủy tinh khi nhiệt độ thay đổi đột ngột. Độ chịu nhiệt (∆t) là một tính chất kỹ thuật phức tạp do nhiều tính chất lí học của thủy tinh quyết định như hệ số giãn nở nhiệt, độ đàn hồi, cường độ chịu kéo, độ dẫn nhiệt, tỉ nhiệt. Độ bền nhiệt còn phụ thuộc vào hình dạng cũng như kích thước sản phẩm.

Thông thường độ chịu nhiệt được xác định bằng hiệu số nhiệt độ làm lạnh đột ngột mà thủy tinh không bịphá hủy. Để đặc trưng cho độ chịu nhiệt của thủy tinh cũng có thể dùng hệ số K xác định bằng biểu thức:  K=P/α.E x ð λ / cd

P cường độ chịu kéo của thủy tinh ; α hệ số giãn nở nhiệt ; E mô đun đàn hồi d mật độ; c tỉ nhiệt . Chiều dày của sản phẩm thủy tinh có ảnh hưởng đến độ chịu nhiệt của nó. Chiều dày càng lớn độ chịu nhiệt càng giảm và sản phẩm càng lớn độbền nhiệt càng kém.

Yếu tố quyết định độ bền nhiệt của thủy tinh là hệ số giãn nở nhiệt. Thạch anh có α nhỏ nhất nên bền nhiệt nhất, sau đó là thủy tinh boro silicate ít kiềm và kém bền nhất là thủy tinh giàu kiềm.