Test method and batch modificationlib3.dss.go.th/fulltext/glass/seminar25_26-07-56/Test... · 2013-07-29 · การปรับเปลี่ยนวัตถุดิบแกว

การทดสอบวัตถุดิบแก�วและกลไกการเกิดปฏิกิริยาระหว�างกระบวนการหลอมแก�ว

เอกรัฐ มีชูวาศ

โครงการฟ&สกิส'และวิศวกรรม

กรมวิทยาศาสตร'บริการIntroduction to Glass Science and Technology : July 25-26, 2013

กระบวนการหลอมแก�ว

Introduction to Glass Science and Technology : July 25-26, 2013

www.hotwork.ag media.web.britannica.com

กระบวนการผลิตแก�ว

http://www.agc-group.com/en/about/images/flatglass03-img-02.gif

การสลายตัวของวัตถุดิบจากความร�อน

Decomposition (1,2)

อุณหภูมิเริ่มต�นการหลอม

First liquid temperature (2)

การหลอมตัวของวัตถุดิบ

Batch melting (2)

ปฏิกิริยารีดอกซ'

Redox reaction (2,3,4,5)

or Forming process




Energy

reduction for

glass melting

Thermodynamics

properties i.e. energy

required for batch

melting

Kinetics properties i.e.

how fast is melting.

Calculation Melting Experiment

การเกิดปฏิกิริยาในกระบวนการหลอมแก�ว

http://www.hvg-dgg.de/typo3temp/pics/aaf1708e53.jpg

74SiO2(s) + 16Na2CO3(s) + 10CaCO3(s) ⇒⇒⇒⇒ 74SiO2-16Na2O-10CaO(glass) + 26CO2

Lime stone 64SiO2(s) + 16Na2CO3(s) + 10CaSiO3(s) ⇒⇒⇒⇒ 74SiO2-16Na2O-10CaO(glass) + 16CO2

Wollastonite

71SiO2 + 14Na2CO3 + 6CaMg(CO3)2 + 2CaCO3 + Al2O3

Alumina67SiO2 + 14Na2CO3 + 6CaMg(CO3)2 + 2CaCO3 + Al2Si4O10(OH)2

Pyrophyllite

⇒⇒⇒⇒ 71SiO2-14Na2O-8CaO-6MgO-Al2O3(glass)


การปรับเปลี่ยนวัตถุดิบแก�ว


• การแทนที่ CaCO3 ด�วย CaSiO3 ทําให�ต�นทุนด�านวัตถุดิบเพิ่มขึ้นประมาณร�อยละ 8 แต�สามารถลดการใช�พลังงานลงได�ร�อยละ 5 – 10

• การแทนที่ Al2O3 ด�วย NaAlSi3O8 ทําให�ต�นทุนวัตถุดิบลดลงประมาณร�อยละ 2 และสามารถลดการใช�พลังงานลงได�ร�อยละ 2 - 7

วัตถุดิบที่น�าสนใจ

Wollastonite CaSiO3

Feldspar (K,Na)AlSi3O8

Pyrophyllite Al2Si4O10(OH)2

Nepheline (Na,K)AlSiO4

Talc Mg3Si4O10(OH)2

Lucite KAlSi2O6

Diopside CaMgSi2O6Introduction to Glass Science and Technology : July 25-26, 2013

การทดสอบการหลอมแก�วในห�องปฏิบัติการ


• การคํานวณสูตรแก�วและพลังงาน

• การหลอมแก�ว (Melting Experiment)

• การทดสอบ Batch-free time

• วิเคราะห'พฤติกรรมการหลอมของ

วัตถุดิบแก�วด�วย Observation furnace

www.zippe.de

การคํานวณสูตรแก�วและพลังงาน


Glass H°gas Sand UGWollastoni

teAlumina

UG

Na Feldspar

BKK

Limestone BKK

Soda Ash UG

kWh/kgj y(j) y(j) y(j) y(j) y(j)

SiO2 0.9852 0.5024 0.0008 0.6521 0.0080 0.0014TiO2 0.0002 - - - - -Al2O3 0.0017 0.0022 0.5817 0.1948 0.0005 0.0004B2O3 - - - - - -Fe2O3, Cr2O3 0.0006 0.0014 0.0002 0.0022 0.0004 0.0003P2O5 - - - - - -MgO 0.0011 0.0204 - 0.0018 0.0080 0.0015CaO 0.0003 0.4362 0.0002 0.0327 0.5530 0.0002SO3 0.0003 - 0.0002 - - 0.0003ZrO2 - - - - - -SrO - 0.0004 - - - -BaO - - - - - -Na2O 0.0088 0.0023 0.0059 0.0884 0.0001 0.6325K2O 0.0008 0.0007 0.0002 0.0060 0.0001 0.0004CO2(g) 2.48365 0.0010 0.0340 0.02200 0.42990 0.3630H2O(g) 3.72837 0.4107SO3(g) 1.37300O2(g)B2O3(g) 5.11350NO(g) -0.83600NaCl(g) 0.91200sum 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000glass 0.9990 0.9660 0.5893 0.9780 0.5701 0.6370gases 0.0010 0.0340 0.4107 0.0220 0.4299 0.3630

การคํานวณสูตรแก�วและพลังงาน


SiO2 72.26TiO2 0.02ZrO2Al2O3 1.01B2O3Fe2O3 0.06Cr2O3P2O5MgO 0.25CaO 9.20BaOMnOZnOPbOLi2ONa2O 17.11K2O 0.07SO3 0.03

Hbatch 4475.06 kWh/tglass 3899.56 kWh/tgases 436.18 kWh/t

H°chem 139.32 kWh/t

Toff 650.0 °CTex 1300.0 °C

°CyC 50.0 %

H(T off gas) 32.73 kWh/tH (T glass) 424.31 kWh/t

Hex 493.97 kWh/t

ค�าพลังงานทางทฤษฏีที่ใช�หลอมแก�ววตัถุดิบ (kg) Batch 1 Batch 2 Batch 3 Batch 4

Silica sand 737 631 684 579

Sodium

carbonate

262 261 251 249

Wollastonite - 209 - 207

Sodium

feldspar

- - 76 75

Lime stone 167 - 166 -

Alumina 15 15 - -

Exploited heat

Hex (kWh/t)

495 478 492 476


การหลอมแก�ว ทดสอบการหลอมตัวและเตรียมตัวอย�าง


การทดสอบการหลอมตัวของวัตถุดิบแก�วด�วยวิธี Batch-free time


1400oC

Glass batch 180 g

Melted cullet 300 gPreheat 90 min

• การตรวจสอบความสมบูรณ'ของการหลอมที่บริเวณผิวแก�ว • ตรวจสอบ Residual crystalline phase ด�วย เทคนิค X-ray Diffraction

การตรวจสอบ Residual crystalline phase ด�วย เทคนิค X-ray Diffraction

2Theta

20 40 60 80

Inte

nsit

y (c

ount

s)

0

400

800

1200

1600

2000

Glass AGlass BGlass C

Tridymite (SiO2)


กราฟการตรวจสอบอนุภาคที่ไม�ละลายด�วยเทคนิค XRD


Formula 1

60 min

80 min

Formula 2 Formula 3

ผลการทดสอบ Batch-free time

การวิเคราะห'ภาพจากการทดสอบ


Formula 1

60 min

80 min

Formula 2 Formula 3

การวิเคราะห'พฤติกรรมการหลอมของวัตถุดิบแก�วด�วย Observation furnace


- กลไกการเกิดปฏิกิริยา- การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในแก�วระหว�างการหลอม

การหลอมตัวของวัตถุดิบแก�ว


900 oC 1300 oC 1450 oC

Batch BBatch A

ภาพภายในเตาระหว�างการหลอมแก�ว

ตัวอย�างหลังการทดสอบ

เบ�าหลอมแก�ว

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิระหว�างการหลอม


กราฟการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิใน Batch

การวิเคราะห'องค'ประกอบทางเคมี ทดสอบสมบัติทางความร�อนและกายภาพของแก�ว

เอกรัฐ มีชูวาศ

โครงการฟ&สกิส'และวิศวกรรม

กรมวิทยาศาสตร'บริการIntroduction to Glass Science and Technology : July 25-26, 2013

http://www.us.schott.com/tubing/english/download/us_technglas_webcopy.pdf


การวิเคราะห'/ทดสอบทางด�านแก�ว

วัตถุดิบแก�ว


การขึ้นรูป และการอบ

ผลิตภัณฑ'แก�ว

Chemical analysis

Thermal properties

Thermal properties

Optical properties

Mechanical properties

Chemical durability


การทดสอบสมบัติทางความร�อน

มาตรฐาน/เครื่องมือ รายการทดสอบ ค�าธรรมเนียม รหัสทดสอบ

ISO 7991:1987 สัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร�อน

โดย Dilatometer

1,500

(เตรียม ตย 300 บาท)

CG-PGL-COE-DIL-03

ASTM E1461-11

ISO 22007-4:2008

การนําความร�อน (Thermal

Conductivity) Laser Flash Technique

1,500 CG-PGL-TC-LFA-00

ASTM C 149-86 ความทนทานต�อการเปลี่ยนแปลงของ

อุณหภูมิ (Thermal shock resistance)

1,000 CG-PGL-TSR-ISO-00

ISO 7884-3 ความหนืดของแก�วโดยวิธี Fiber

Elongation

1,500

(เตรียม ตย 200 บาท)

CG-PGL-VIS-FE-02


การทดสอบสมบัติทางแสงของแก�วมาตรฐาน/เครื่องมือ รายการทดสอบ ค�าธรรมเนียม รหัสทดสอบ

DIN5033 การวัดสี CIE-Lab หาค�า L*a*b* และ

Transmission (%)

600

(เตรียม ตย 300 )

CG-PGL-COL-UVI-03

Refractometer ดัชนีหักเหของแสง (Refractive Index) 400


CG-PGL-RFI-RFT-03

DIN5033 การวัดค�า Saturation(%) Brightness(%) และ

Dominant wavelength (nm) ของสีแก�ว

600


CG-PGL-SBT-UVI-03

DIN5033 ปริมาณเฟอรัสออกไซด', Fe2+ 600


CG-PGL-FE2-UVI-03

ASTM C 148-00 ความเครียดตกค�างในเนื้อแก�ว (Residual Stress) 1,500 CG-PGL-STS-ISO-00


การทดสอบด�านเคมีมาตรฐาน/เครื่องมือ รายการทดสอบ ค�าธรรมเนียม รหัสทดสอบ

WDXRF องค'ประกอบทางเคมีของแก�วและวัตถุดิบโดยWD-XRF

แบบขัดผิว/ไม�มี LOI 1,500แบบผงอัด 1,900แบบหลอม 2,500

CG-PGL-XRF-FUS-00

ISO 8424 ความทนทานต�อสารเคมี กรด 1,000 CG-PGL-ACI-ISO-00ISO 10629 ความทนทานต�อสารเคมี ด�าง 1,000 CG-PGL-ALK-ISO-00EN 122 ความทนทานต�อสารเคมี รอยเป��อน 600 CG-PGL-STA-EN-00ISO 9689 ความทนทานต�อสารเคมี ฟอสเฟต 600 CG-PGL-PHO-ISO-00USP34 ประเภทแก�วโดยวิธี Surface Glass Test 800 CG-PGL-SGT-00USP34 ประเภทแก�วโดยวิธีกัดน้ําที่ 121ºC (Water

Attack at 121 ºC)800 CG-PGL-WAT-00

USP34 ประเภทแก�วโดยใช�แก�วบด (Powder glass test)

800 CG-PGL-PGT-00

ISO 719 ความทนทานต�อน้ํา (Hydrolytic resistance, powder method)

600 CG-PGL-HRP-ISO-00

EP 6.0 ปริมาณสารหนูในภาชนะแก�ว 600 CG-PGL-AST-00


การทดสอบสมบัติทางกลมาตรฐาน/เครื่องมือ รายการทดสอบ ค�าธรรมเนียม รหัสทดสอบ

ASTM 693-93 ความหนาแน�น (Density) 600 CG-PGL-DEN-BUO-00

ASTM C158-02 ความแข็งแรง (Flexural strength) 1,200 CG-PGL-FST-AST-00

มอก 534-2546 ความทนทานต�อแรงดันภายใน (Internal

Pressure)

1,000 CG-PGL-IPR-00

Microhardness ความแข็งผิวแก�ว ทดสอบด�วยหัวกดแบบ

Knoop

500 CG-PGL-SHT-KH-03

Microhardness ความแข็งผิวแก�ว ทดสอบด�วยหัวกดแบบ

Vicker's

500 CG-PGL-SHT-VH-03


งานบริการอื่นมาตรฐาน/เครื่องมือ รายการทดสอบ ค�าธรรมเนียม รหัสทดสอบ

Furnace การหลอมตัวของวัตถุดิบแก�วด�วยวิธี

Batch-Free Time

CG-PGL-BFT-00

ASTM C158-02 บริการงานวิจัยระยะสั้น CG-PGL-SSR-00


การวิเคราะห'องค'ประกอบทางเคมีของแก�วด�วยเทคนิคX-ray fluorescence spectroscopy

Wavelength dispersive XRF


การวิเคราะห'ธาตุด�วยรังสีเอ�กซ'

ลักษณะตัวอย�าง

องค'ประกอบทางเคมีของแก�วContainer

glass Float glass E glass (fiber) Borosilicate

glassLead glass

(electronical)

SiO2 74.42 71.86 56.99 83.34 62.9

B2O3 - - 6.12 11.19 13.6

Al2O3 0.75 0.08 8.78 1.33 2.6

MgO 0.30 5.64 6.50 - 10.3

CaO 11.27 9.23 19.64 0.03 -

Na2O 12.9 13.13 0.61 4.08 -

K2O 0.19 0.02 - 0.04 -

Fe2O3 0.01 0.04 0.13 - -

TiO2 0.01 0.01 0.44 - -

SO3 0.16 0.00 0.70 - -

ZrO2 - - - - 2.1

PbO - - - - 8.5

http://glassproperties.com/glasses/

การวิเคราะห'องค'ประกอบทางแร�ของวัตถุดิบ

X-ray Diffractometer

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/bragg.html

http://www.asdlib.org/onlineArticles/ecourseware/Bullen_XRD/XRDModule_Theory_Instrument%20Design_3.htm


องค'ประกอบทางแร�ของวัตถุดิบ

www.soil.org


กราฟผลวิเคราะห'องค'ประกอบทางแร�ด�วยเทคนิค XRD

ค�าการขยายตัวเมื่อร�อนของแก�ว


การขยายตัวเมื่อร�อนของแก�วและเซรามิก

http://cartech.ides.com/datasheet.aspx?i=101&E=175&FMT=PRINT

กราฟการขยายตัวของแก�วและเซรามิก


Dilatometer

http://www.netzsch-thermal-analysis.com


ช�องใส�ตัวอย�าง (Sample holder)

http://www.netzsch-thermal-analysis.com


การคํานวณค�าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส�น (Coefficient of thermal expansion)

0

0

0

10 tt

llx

ltt−

−=

−α

ค�าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส�นเมื่อร�อนของแก�ว (COE, ) α

0l 0t

l tคือ ค�าความยาวที่อุณหภูมิเริ่มต�นการวัดที่อุณหภูมิ

คือ ความยาวที่อุณหภูมิสุดท�ายที่ทําการวัด


การทดสอบการขยายตัวเมื่อร�อนด�วยเครื่อง Dilatometer

กราฟผลการทดสอบการขยายตัว

Transformation temperature (Tg)

Dilatometric softening point (Ts)


ตัวอย�างแก�ว

เครื่อง Dilatometer

Coefficient of Thermal Expansion

ความหนืดของแก�ว (Viscosity)


กราฟความหนืดของแก�วชนิดบอโรซิลิเกตhttp://www.brand.de/en/tech-info/materials-glass/mechanical-resistance/




กราฟความหนืดของแก�วชนิดต�างๆ

เครื่องทดสอบความหนืดของแก�ว (Viscometer) แบบ Fiber elongation

ลักษณะตัวอย�าง


การทดสอบตัวอย�าง

การทดสอบความหนืดของแก�ว

Temperature (oC)

400 800 1200 1600 2000 2400V

isco

sity

(dP

as)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Formula 1

Formula 2

Formula 3

Strain Point

Annealing

Softening point

Melting Temperature

เครื่องทดสอบความหนืดของแก�ว (Viscometer) แบบ Fiber elongation

กราฟความสัมพันธ'ระหว�างความหนืดกับอุณหภูมิ


การตรวจสอบความเครียดในแก�วด�วยแสงโพลาไรซ' (polarized light)


www.vernier.com

การทดสอบแก�วด�วยแสงโพราไรซ'

- ทดสอบความเครียดตกค�างในผลิตภัณฑ'แก�ว- ตรวจสอบความเครียดในแก�วที่ผ�านกระบวน การทางความร�อน (Tempered)

การทดสอบความเครียดในเนื้อแก�ว

Strain Viewer Polariscope


ภาพผลการทดสอบความเครียด

เปรียบเทียบผลการทดสอบความเครียดในเนื้อแก�วIntroduction to Glass Science and Technology : July 25-26, 2013

Strain Viewer

Polariscope

การทดสอบดัชนีหักเหแสง (Refractive index)

Abbe Refractometer


การวัดดัชนีหักเหแสงด�วยเครื่อง Refractometergemologyproject.com

ควบคุมคุณภาพผลิตภัณฑ'แก�ว- Soda-lime glass 1.52- Crystal glass > 1.53

ค�าดัชนีหักเหแสงของแก�ว

www.asdlib.org/onlineArticles/elabware/thompson/Glass/Glass(RI)PFaculty.pdf

การทดสอบความแข็งที่ผิวแก�ว (Hardness)

การทดสอบความแข็งที่ผิวแก�วด�วยหัวกดวิกเกอร' (Vickers micro hardness indentation)

http://www.ssi.shimadzu.com/products/product.cfm?product=hmv-ad

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221912000167


ค�าความแข็งวิกเกอร' (Vickers hardness)

HV = (2F sin136o/2) / d2

HV = 1.854 F/d2

http://www.astm.org/SNEWS/MJ_2010/e0405_mj10.html


ค�าความแข็งนูป (Knoop hardness)

HK = P/0.07L2

ตารางค�าความแข็งของแก�ว

Glass Types Vickers (GPa) Knoop hardness

Zinc silicate crown glass 5.36±±±±0.09 580±±±±10

Lead-borosilicate dense flint glass

3.04±±±±0.07 319±±±±8

Float glass 5.28±±±±0.05 569±±±±6

Borosilicate glass 5.35±±±±0.11 577±±±±13

Fused silica glass 6.78±±±±0.40 730±±±±45

http://glass-fracture.org/Documents/Trevor%20Complete%20Thesis.pdf


การทดสอบความแข็งแรงของแก�วความแข็งแรงดัด (bending strength)

http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=flexural_strength_tests_of_ceramics

http://www.glassonweb.com/news/index/12591/

การทดสอบความแข็งแรงของการดัด


ค�าความแข็งแรงการดัด (Bending strength)


3 point bending

4 point bending

F is the load (force) at the fracture point (N)L is the length of the support span (mm)b is width (mm)d is thickness (mm)

ตารางเปรียบเทียบค�าความแข็งแรงดัด bending strength

Materials Bending strength (MPa)

Float glass 42-50

Décor glass 42

Thermal toughened glass 200

Wire glass 30

95% Alumina ceramic 248

Zirconia (ZrO2-Y2O3) 1000http://www.matbase.com/material/glass/safety-glass/properties


ขอบคุณครับ
