Nghiên cứu tổng hợp vật liệu gốm thủy tinh hệ cao mgo sio2 từ talc phú thọ và ảnh hưởng của b2o3, al2o3 kích thước nano đến cấu trúc và tính chất của vật liệu

Tiến hành thực nghiệm: Nghiên cứu thành phần hóa học của nguyên liệu đầu; chuẩn bị hỗn hợp mẫu từ nguyên liệu đầu talc và đolomit; cách làm; phân tích nhiệt mẫu nghiên cứu; khảo sát ảnh

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu gốm thủy tinh hệ

và tính chất của vật liệu

Lương Viết Cường

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS chuyên ngành: Hóa vô cơ; Mã số: 60 44 25 Người hướng dẫn: PGS.TS Nghiêm Xuân Thung

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Tổng quan về gốm thủy tinh; hệ bậc ba (CaO-MgO-SiO2); phản ứng giữa các

pha rắn Trình bày các phương pháp nghiên cứu: Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X ( XRD); phương pháp phân tích nhiệt ( DTA-TG); phương pháp quan sát vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM); phương pháp xác định các tính chất cơ lý Tiến hành thực nghiệm: Nghiên cứu thành phần hóa học của nguyên liệu đầu; chuẩn bị hỗn hợp mẫu

từ nguyên liệu đầu talc và đolomit; cách làm; phân tích nhiệt mẫu nghiên cứu; khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành gốm thuỷ tinh; nghiên cứu mẫu gốm thủy tinh trên cơ sở nguyên liệu đầu là talc và đolomit; nghiên cứu ảnh hưởng của Al2O3, B2O3 đến sự hình thành tinh thể diopsit trong gốm thuỷ tinh hệ bậc 3: CaO - MgO - SiO2 Đưa ra kết quả và thảo luận: kết quả nghiên cứu nguyên liệu; ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành gốm thuỷ tinh hệ CaO - MgO - SiO2; ảnh hưởng của hàm lượng Al2O3 và B2O3 đến sự hình thành cấu trúc và tính chất của vật

liệu gốm thuỷ tinh

Keywords: Hóa vô cơ; Vật liệu gốm; Gốm thủy tinh; Nano; Phú Thọ

Content

MỞ ĐẦU

Gốm sứ và thuỷ tinh là những vật liệu rất gần gũi với cuộc sống của con người Được sử dụng và phát triển rất sớm Trong vài thập niên trở lại đây, người ta bắt đầu nghiên cứu một loại vật liệu mới bắt nguồn từ thuỷ tinh nhưng có cấu trúc tinh thể Vật liệu này có những tính chất của thuỷ tinh và gốm gọi là gốm thuỷ tinh

Gốm thuỷ tinh là những vật liệu đa tinh thể có cấu trúc vi mô mà được tạo thành bởi sự kết tinh kiểm soát của thuỷ tinh

Gốm thủy tinh hệ CaO - MgO - SiO2 có những tính chất cơ học, hoá học nổi trội như sức bền, chịu mài mòn, hệ số giản nở nhiệt thấp, có những đặc điểm về mặt thẩm mĩ vì thế có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điện điện tử, vật liệu gia dụng

Với mục đích sử dụng nguồn nguyên liệu khoáng sản sẵn có ở Việt Nam để sản xuất, các

vật liệu gốm phục vụ cho sự phát triển kinh tế đất nước, em chọn đề tài cho luận văn: "Nghiên

cứu tổng hợp vật liệu gốm thuỷ tinh hệ CaO-MgO- SiO 2 từ talc Phú Thọ và ảnh hưởng của

Al 2 O 3 , B 2 O 3 , kích thước nano đến cấu trúc và tính chất của vật liệu"

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về gốm thuỷ tinh

1.1.1 Gốm thuỷ tinh

Gốm thuỷ tinh là những vật liệu đa tinh thể được tạo thành khi những thành phần thuỷ tinh thích hợp được nhiệt luyện và điều chỉnh quá trình kết tinh Trong gốm thuỷ tinh thường tồn tại 50% - 95% thể tích là tinh thể còn lại là pha thuỷ tinh còn dư

1.1.1.1 Tính chất của gốm thuỷ tinh

- Độ bền cao đối với các lực va đập và lực biến dạng

- Có thể điều chỉnh thành phần hoá học

- Bền nhiệt hơn vật liệu thuỷ tinh có cùng thành phần

- Tính cách nhiệt tốt, đặc biệt khi thành phần không chứa kiềm

- Tính chất quang phụ thuộc vào pha tinh thể có trong đó

- Khác với vật liệu gốm sản xuất theo phương pháp nén ép thông thường gốm thuỷ tinh có

độ rỗng bằng không

1.1.1.2 Ứng dụng của gốm thuỷ tinh

- Bền khi giảm nhiệt độ một cách đột ngột nên được sử dụng để sản xuất các bộ phận để xử

lý nhiệt độ cao của vật liệu

- Độ chống mài mòn cao được sử dụng để làm các bộ phận chịu lực hoặc để phủ lên kim loại làm các khớp nối kín của kim loại và gốm

- Độ bền nhiệt cao, đặc biệt là đối với các xung nhiệt nên được sử dụng để làm lớp vỏ bảo

vệ đầu mũi tên lửa,…

- Chi phí sản xuất thấp và kỹ thuật đơn giản có thể sử dụng để sản xuất các đồ dân dụng chất lượng cao như nồi nấu, mặt bếp từ

1.1.3 Các phương pháp điều chế gốm thuỷ tinh

1.1.3.1 Phương pháp thông thường

1.1.3.2 Phương pháp cải tiến (một giai đoạn)

1.1.3.3 Phương pháp petrurgic

1.1.3.4 Phương pháp bột [10]

Có thể mô tả phương pháp bột theo dạng sơ đồ sau:

Hình 1.1 Phương pháp bột sản xuất gốm thủy tinh

1.2.5 Khái quát về hệ gốm thuỷ tinh CaO - MgO - SiO2 [13]

Trong hệ CaO - MgO - SiO2, điểm dễ chảy nhất ứng với thành phần % về số mol như sau: 8,0MgO, 61,4SiO2, 30,6CaO ở nhiệt độ 13200C được thể hiện trên giản đồ bậc ba Trong hệ

có các hợp chất 3 cấu tử:

- Diopsit: CaO.MgO.2SiO2

- Monticellit: CaO.MgO.SiO2

- Merwinit: 3CaO.MgO 2SiO2

- Akermanit: 2CaO.MgO.SiO2

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X [1]

2.2 Phương pháp phân tích nhiệt [1]

2.3 Phương pháp quan sát vi cấu trúc bằng hiển vi điện tử quét (SEM)

2.4 Phương pháp xác định các tính chất cơ lý [5,8]

Các tính chất cơ lý của vật liệu cách nhiệt ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của chúng trong quá trình sử dụng

2.4.1 Hệ số giãn nở nhiệt

2.4.2 Cường độ

Chuẩn bị

Phối liệu

Nghiền trộn

Ép viên Nung Ủ

Sản phẩm

2.4.3 Độ rỗng

2.4.4 Xác định khối lượng riêng bằng phương pháp Acsimet

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 3.1 Mục tiêu của luận văn

"Nghiên cứu tổng hợp vật liệu gốm thuỷ tinh hệ CaO - MgO - SiO2 từ talc Phú Thọ và ảnh hưởng của Al2O3, B2O3 kích thước nano đến cấu trúc và tính chất của vật liệu"

3.2 Thực nghiệm

3.2.1 Nghiên cứu thành phần hóa của nguyên liệu đầu

3.2.1.1 Phân tích thành phần khoáng talc

3.2.1.2 Khảo sát sự phân hủy nhiệt của talc

3.2.1.3 Phân tích thành phần khoáng đolomit

3.2.1.4 Khảo sát sự phân hủy nhiệt đolomit

3.2.2 Chuẩn bị hỗn hợp mẫu từ nguyên liệu đầu: talc và đolomit

Mẫu được chuẩn bị theo tỷ lệ là: CaO : MgO : SiO2 = 1 : 1: 2, phụ gia là Na2O (3%) và thêm Al2O3, B2O3 với nguyên liệu đầu là talc và đolomit có thành phần trong Bảng 3.1, Bảng 3.2:

Bảng 3.1 Thành phần khoáng trong các mẫu có sử dụng talc

Mẫu Talc

(% )

Quarzt (% )

CaO (% )

Na 2 CO 3 (Na 2 O): (% )

Al(OH) 3 (Al 2 O 3 ): (% )

H 3 BO 3 (B 2 O 3 ): (% )

Bảng 3.2 Thành phần khoáng trong mẫu sử dụng đolomit

Mẫu Đolomit

(% )

Quarzt (% )

CaO (% )

Na 2 CO 3

(Na 2 O): (% )

Al(OH) 3

(Al 2 O 3 ): (% )

H 3 BO 3

(B 2 O 3 ): (% )

3.3.4 Phân tích nhiệt mẫu nghiên cứu

3.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành gốm thuỷ tinh

- Tiến hành nghiền mịn mẫu Mo (talc, SiO2, CaO, Na2CO3) với thành phần trong Bảng 3.1 rồi đem nung ở các nhiệt độ khác nhau và tốc độ nguội lạnh sản phẩm khác nhau như sau:

+ 13000C làm nguội từ từ Ký hiệu mẫu là 1300N

+ 13000C làm lạnh đột ngột Ký hiệu mẫu là 1300L

+ 13500C làm nguội từ từ Ký hiệu mẫu là 1350N

+ 13500C làm lạnh đột ngột Ký hiệu mẫu là 1350L

Các mẫu sản phẩm thu được sau khi nung chảy được tiến hành xác định thành phần pha, cấu trúc tinh thể và tính chất cơ lý (độ xốp, độ hút nước, khối lượng riêng )

3.3.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hình thành gốm thủy tinh bằng phương pháp XRD

3.3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến các tính chất cơ lý của vật liệu

3.3.6 Nghiên cứu mẫu gốm thủy tinh trên cơ sở nguyên liệu đầu là talc và đolomit

3.3.7 Nghiên cứu ảnh hưởng của Al2O3, B2O3 đến sự hình thành tinh thể diopsit trong gốm thuỷ tinh hệ bậc 3: CaO - MgO - SiO2

3.3.7.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Al 2 O 3 , B 2 O 3 đến sự hình thành tinh thể bằng phương pháp XRD

Đem mẫu đi phân tích nhiễu xạ XRD trên máy D8 ADVANCE BRUKEK - Đức góc quay

5  700, bức xạ Cu - K tại Khoa Hoá học Trường ĐHKHTN

3.3.7.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của Al 2 O 3 , B 2 O 3 đến sự hình thành tinh thể diopsit bằng phương pháp SEM

- Từ kết quả phân tích XRD chúng tôi xác định được sự hình thành pha tinh thể từ đó chúng tôi tiến hành xác định hình thái học bằng phương pháp SEM tại khoa Vật lý - Trường ĐHKHTN

3.3.7.3 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Al 2 O 3 , B 2 O 3 đến các tính chất của vật liệu

+ Độ hút nước

+ Khối lượng riêng

+ Độ xốp

+ Cường độ kháng nén vật liệu

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Kết quả nghiên cứu nguyên liệu:

4.1.1 Kết quả phân tích nguyên liệu talc và đolomit

4.1.1.1 Kết quả phân tích khoáng talc

Kết quả phân tích hoá học, DTA/TG, XRD khoáng talc được trình bày trên Bảng 4.1

Bảng 4.1 Thành phần hóa học của khoáng talc

Talc

SiO2 (%) Al2O3

(%)

Fe2O3 (%)

CaO

Na2O

60,82 0,19 0,15 0,22 32,16 0,02 0,15 4,51

4.1.1.2 Nghiên cứu khoáng đolomit

Kết quả phân tích hoá học, DTA/TG, XRD khoáng đolomit được đưa ra trình bày trên Bảng 4.2

Bảng 4.2 Thành phần hóa học của mẫu dolomit

(Mg/g)

Mẫu bột

218451

4.1.2 Kết quả phân tích nhiệt của mẫu Mo:

Kết quả phân tích nhiệt DTA/TG của mẫu Mo thu được trên Hình 4.1

Hình 4.1 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu Mo

4.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên liệu đầu: talc và đolomit đến sự hình thành tinh thể diopsit của gốm thủy tinh

Kết quả thu được đưa ra ở Bảng4.3:

Bảng 4.3 Cường độ pha tinh thể diopsit phụ thuộc vào nguyên liệu đầu

Mẫu Pha tinh thể diopsit CaMgSi 2 O 6

 ( 0 ) I(Cps) Tỷ lệ (%)

4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành gốm thuỷ tinh hệ CaO - MgO - SiO 2

4.2.1 Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X

Kết quả phân tích XRD của các mẫu với các quá trình làm lạnh từ từ và làm lạnh nhanh được thể hiện trên Bảng 4.4:

Bảng 4.4 Cường độ píc pha tinh thể diopsit phụ thuộc vào nhiệt độ nung

Pha tinh thể diopsit CaMgSi 2 O 6

Mẫu  ( 0 ) d (A 0 ) I(Cps)

4.2.2 Kết quả ảnh SEM

Kết quả thu được trên Hình 4.2:

Hình 4.2 Ảnh SEM của mẫu 1350N

4.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến tính chất của vật liệu

Kết quả thu được ở trong Bảng 4.5:

Bảng 4.5 Tính chất vật lý của mẫu ở các nhiệt độ nung khác nhau

Mẫu Độ xốp

(%)

Độ hút nước (%)

Khối lượng riêng (g/cm 3 )

Dựa vào Bảng 4.4 ta thấy mẫu 1350N có tính chất cơ lý tốt nhất (độ hút nước: 7,72%, độ

xốp: 20,08%, khối lượng riêng: 2,46 %)

4.3 Ảnh hưởng của hàm lượng Al 2 O 3 và B 2 O 3 đến sự hình thành cấu trúc và tính chất của vật liệu gốm thuỷ tinh

4.3.1 Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X

Các pha được hình thành với cường độ píc đặc trưng của các mẫu được trình bày ở Bảng 4.6, Hình 4.3 và Bảng 4.7, Hình 4.4

Bảng 4.6 Cường độ píc đặc trưng của pha tinh thể diopsit

Mẫu  ( 0 ) d (A 0 ) I(Cps) Tỷ lệ (%)

Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha diopsit

vào hàm lượng Al 2 O 3

Nhìn vào đồ thị ta thấy rằng mẫu M4 ứng với lượng Al2O3 với hàm lượng 4% cho kết quả cường độ píc cao nhất và thu được hàm lượng pha diopsit: 80,25%,

Bảng 4.7 Cường độ pic đặc trưng của pha tinh thể diopsit

Mẫu  ( 0 ) d (A 0 ) I(Cps) Tỷ lệ (%)

M6 30 2,983 330 49,79

Hình 4.4 Đồ thị biểu hiện sự phụ thuộc cường độ pha diopsit vào hàm lượng B 2 O 3

4.3.2.Kết quả ảnh SEM

Kết quả được trình bày trên hình 4.5, hình 4.6:

Hình 4.5 Ảnh SEM của mẫu M3 Hình 4.6 Ảnh SEM của mẫu M6

Chúng tôi kết luận: sử dụng Al2O3 và B2O3 làm tác biến tính thấy rằng với hàm lượng

Al2O3 3% và B2O3 1% kết quả cho sản phẩm gốm thủy tinh có ít lỗ trống hơn và sự phân bố kích thước hạt đều hơn

4.3.3 Ảnh hưởng của Al2O3 và B2O3 đến tính chất của vật liệu

4.3.3.1 Ảnh hưởng của Al 2 O 3 độ hút nước, độ xốp, khối lượng riêng, cường độ, hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu

Kết quả được trình bày ở Bảng 4.8:

Bảng 4.8 Kết quả xác định một số tính chất cơ lý của mẫu chứa Al 2 O 3

xốp(%)

Độ hút nước(%)

Khối lượng riêng(g/cm 3 )

FN (KN)

RN (N/cm 2 )

Hệ số giãn nở nhiệt α (*10 -6 / 0 C)

M1 32,14 8,645 2,10 34 3977.2 1,9624

M2 40,21 8,967 1,88 67 8335

M3 26,11 2,372 2,32 125 15550 2,3161

M4 32,99 3,372 2,36 126,.4 15725

M5 30,81 7,751 2,19 94 12460

Nên chúng ta có thể thấy việc sử dụng hàm lượng Al2O3 3% (mẫu M3) cho ta tính chất

cơ, lý của sản phẩm tốt hơn

4.3.3.2 Ảnh hưởng của B 2 O 3 đến độ hút nước, độ xốp, khối lượng riêng, cường độ nén ,

hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu

Kết quả được trình bày ở Bảng 4.9

Bảng 4.9 Kết quả xác định tính chất cơ lý của mẫu chứa B 2 O 3

(%)

Độ hút nước(%)

Khối lượng riêng(g/cm 3 )

F N (KN)

R N (N/cm 2 )

Hệ số giãn nở nhiệt

α (*10 -6

/ 0 C)

M7 32,29 10,37 2,12 50 6220.1

M8 46,81 13,15 1,84 60 7018.7

M9 40,50 16,86 1,99 37 4328.2 3.1738

M10 37,93 25,56 1,80 11 1557.0

Nhìn vào Bảng 4.9 nhận thấy mẫu M6 có độ xốp, độ hút nước và khối lượng riêng là thấp

nhất và cường độ nén của vật liệu là cao nhất Do đó việc sử dụng hàm lượng B2O3 1% sẽ cho tính chất cơ, lý của sản phẩm là tốt nhất

KẾT LUẬN

Sau quá trình nghiên cứu chúng tôi đã thu được một số kết quả như sau:

1 Xác định được thành phần hóa học và thành phần pha của mẫu talc: 3.MgO.4SiO2.2H2O; (SiO2 = 60,82%; MgO = 32,16%; Al2O3= 0,19%; CaO= 0,22% ) và đolomit: 5MgCO3.3CaCO3.FeCO3 ;(MgO = 22.6%, CaO = 20%, FeO = 8,6%)

2 Điều chế gốm thủy tinh tại nhiệt độ nung 13500C với quá trình làm lạnh từ từ sản phẩm gốm thủy tinh thu được có pha tinh thể diopsit cường độ pic cao nhất và độ tinh khiết đạt 72,92%

3 Đã điều chế được gốm thủy tinh diopsit có độ tinh khiết: 89,92% từ talc Phú Thọ, SiO2, CaO và bổ sung phụ gia Na2O làm chất trợ dung

4 Với hàm lượng của Al2O3 3% và B2O3 1% cho các kết quả tốt nhất về tính chất cơ, lý, hình thái cấu trúc có các hạt tinh thể trên nền pha thuỷ tinh phân bố đồng đều

References

TIẾNG VIỆT

1 Vũ Đăng Độ (2006), Các phương pháp vật lý trong hoá học, NXB Đại học Quốc gia

Hà Nội

2 Nguyễn Văn Hạnh, Nguyễn Thị Thanh Huyền (12-2004), Một số kết quả thí nghiệm

thăm dò sơ bộ khả năng tuyển mẫu talc vùng Phú Thọ, Viện khoa học Vật liệu - Viện khoa học và Công nghệ Việt Nam

3 Trịnh Hân, Nguỵ Tuyết Nhung (2007), Cơ sở hoá học tinh thể, NXB Đại học Quốc gia

Hà Nội

4 Nguyễn Đăng Hùng (2006), Công nghệ sản xuất vật liệu chịu lửa, NXB Bách khoa Hà

Nội

5 Huỳnh Đức Minh - Nguyễn Thành Công (2009), "Công nghệ gốm sứ", NXB Khoa học

và kỹ thuật

6 Nghiêm Xuân Thung (2008), Hóa học silicat, Giáo trình chuyên đề cho cao học

7 Phan Văn Tường (2007), Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, NXB Đại học quốc

gia Hà Nội

8 Phạm Xuân Yên, Huỳnh Đức Minh, Nguyễn Thu Thuỷ (1995), Kỹ thuật sản xuất gốm

sứ, NXB Khoa học kỹ thuật

TIẾNG ANH

9 A.M.Kalinkin, A A Politov, E.V Kalinkin, O.A Zalkind and V V Boldyrev, (2006),

"Mechanochemical Interaction of Calcium Carbonate with Diopside and Amorphous Silica",

Chemistry for Sustainable Development, pp, 333 - 343

10 Bandford, A W., Akatas, Z., and Woodburn, E.T., (1998), "Powder Technology",

vol 98, pp.61-73

11 D.U Tulyvanov, S.A Gathopoulos, J.M.Ferreira, (2006) Synthesis of glass-ceramics

in CaO-MgO-SiO 2 system with B 2 O 3 , P 2 O 5 , Na 2 O and CaF 2 additives Journal of the European

ceramic society, vol.26, 1463 -1471

12 Finch, C.B, Clark G.W (1974) Czocharalski growth and characterization of crystal Akermanite Ca2MgSi2O7.J.crystal Growth 23, 295-298

13 J.B Ferguson and H.E Merwin (2008), "The ternary system CaO-MgO-SiO 2 ",

Geophysical laboratory, Carnegie Institution or Washington

14 J.J.Rayner and G.Brown (1972), "The crystal structure of talc", clay and clay

mineral, vol 21, pp.103-114.S

15 J Stephen Huebner, Donald E.Voigt 5 N.F Cano, J.M Yauri, S.Watanabe (2008)

Thermoluminescence of natural and synthetic diopside Journal of Luminescence 128, pp

1185-1190

16 L.Bozadjiev, L.Doncheva, (2006), "Methods for diopsdie synthesis", Journal of the

Universtity of Chemical Technology and Metallurgy, 41,2