KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: HOÁ VÔ CƠ Đề tài: TỔNG HỢP MỘT SỐ CHẤT MÀU TRÊN NỀN TINH THỂ MULLITE, ZIRCON VÀ ZINCITE

8 MỞ ĐẦU Trong đời sống xã hội ngày nay, các sản phẩm gốm sứ mỹ nghệ, gốm sứ dân dụng và gốm sứ công nghiệp không những rất đa dạng, phong phú về chủng loại, mẫu mã và hình dạng mà còn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA HÓA

  

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

TỔNG HỢP MỘT SỐ CHẤT MÀU TRÊN NỀN TINH THỂ MULLITE, ZIRCON VÀ ZINCITE

GVHD: TS Phan Thị Hoàng Oanh SVTH: Ngô Thanh Trinh

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Tháng 05 năm 2013

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA HÓA

  

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

TỔNG HỢP MỘT SỐ CHẤT MÀU TRÊN NỀN TINH THỂ MULLITE, ZIRCON VÀ ZINCITE

GVHD: TS Phan Thị Hoàng Oanh SVTH: Ngô Thanh Trinh

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Tháng 05 năm 2013

2

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Hóa lý, Khoa Hóa, Trường Đại học

Sư phạm TP Hồ Chí Minh

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Cô Phan Thị Hoàng Oanh, Khoa Hóa, Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều

kiện cho tôi hoàn thành khóa luận này Sự tận tụy, nhiệt tình, sự động viên của cô trong những lúc khó khăn và những bài học đáng quý từ cô sẽ luôn là hành trang cho tôi trên mọi nẻo đường

Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Khoa Hóa, Trường Đại học Sư phạm TP

Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt khóa luận này

Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn Thầy Huỳnh Kì Phương Hạ Chủ nhiệm Bộ môn Kỹ thuật Hóa Vô Cơ Và Cô Nguyễn Thị Kim Liên quản lí Phòng thí nghiệm Bộ môn Kỹ thuật Hóa Vô cơ Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận

lợi cho tôi sử dụng lò nung bên Trường Bách Khoa để hoàn thành tốt bài khóa luận này

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè, đã động viên, giúp đỡ trong

suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận

Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô, quý độc giả đã đọc, đóng góp ý

kiến, chia sẻ khóa luận này

Xin chân thành cảm ơn!

Ngô Thanh Trinh

3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 10

1.1 Giới thiệu về gốm sứ [9] 10

1.2 Chất màu cho gốm sứ 11

1.2.1 Bản chất màu sắc của khoáng vật [3,4] 11

1.2.2 Chất màu cho gốm sứ [1,4] 12

1.2.3 Một số loại mạng tinh thể nền thông dụng tạo màu cho gốm sứ [1] 13

1.3 Nguyên nhân gây màu của khoáng vật [10] 14

1.3.1 Sự chuyển electron nội 15

1.3.2 Sự chuyển điện tích trong cùng một cấu trúc tinh thể đối với các ion nằm cạnh nhau 15

1.3.3 Sự chuyển điện tử trong các khuyết tật của cấu trúc tinh thể 16

1.3.4 Sự chuyển mức các dải năng lượng 16

1.4 Một số oxit gây màu thông dụng [4] 16

1.4.1 Nhôm oxit (Al 2 O 3 ) 16

1.4.2 Crom oxit ( Cr 2 O 3 ) 17

1.4.3 Coban oxit ( CoO) 17

1.4.4 Kẽm oxit ( ZnO) 18

1.4.5 Sắt oxit ( Fe 2 O 3 ) 18

1.4.6 Zirconi oxit ( ZrO 2 ) 18

1.4.7 Magie oxit ( MgO) 18

1.4.8 Đồng oxit (CuO) 18

1.5 Phân loại màu theo vị trí trang trí giữa men và màu [1] 19

1.5.1 Màu trên men 19

1.5.2 Màu dưới men 19

1.5.3 Màu trong men 20

1.6 Một số phương pháp tổng hợp chất màu [4, 7] 20

1.6.1 Phương pháp gốm truyền thống 20

1.6.2 Phương pháp đồng kết tủa 21

4

1.6.3 Phương pháp sol – gel 22

1.6.4 Phương pháp khuếch tán rắn - lỏng 22

1.6.5 Vai trò của chất khoáng hóa 23

1.7 Một số loại chất màu trang trí khác [1] 23

1.8 Silica tro trấu [11] 24

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Nội dung nghiên cứu 26

2.2 Các phương pháp nghiên cứu 27

2.2.1 Phương pháp tổng hợp chất màu [5] 27

2.2.2 Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTG) 27

2.2.3. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) 28

2.2.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 28

2.3 Dụng cụ, thiết bị và hóa chất 29

2.3.1 Dụng cụ và thiết bị 29

2.3.2 Nguyên liệu, hóa chất 29

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 30

3.1 Khảo sát tổng hợp chất màu xanh coban trên nền zincite ZnO 30

3.1.1 Tổng hợp chất màu Zn 0,9 Co 0.09 Zr 0,01 O 30

3.1.2 Khả năng phát màu và độ bền màu của màu xanh coban – zincite 34

3.1.3 Khảo sát sản phẩm sau khi tráng men ở 1200 0 C lưu trong 3 giờ 35

3.2 Tổng hợp chất màu xanh lá mạ trên nền Zircon 40

3.2.1 Điều chế SiO 2 từ tro trấu 40

3.2.2 Tổng hợp chất màu xanh lá mạ trên nền zircon ZrSiO 4 41

3.2.2.1 Tổng hợp chất màu xanh lá mạ Zr 1-x Cr x SiO 4 41

3.2.2.2 Tổng hợp chất màu xanh lá mạ Zr 1-x Cu x SiO 4 49

3.3 Tổng hợp chất màu xanh lá trên nền mullite 3Al 2 O 3 2SiO 2 54

3.3.1 Ảnh hưởng của thành phần nguyên liệu đến nhiệt độ nung thiêu kết 56

3.3.2 Kết quả khảo sát bột màu ở 1200 0 C lưu trong 3 giờ 58

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 61

4.1 Kết luận 61

4.2 Đề xuất 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

5

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 3.1 Quy trình tổng hợp chất màu xanh coban 33

Hình 3.2 Giản đồ DTG – DTA – TG của mẫu Zn0,9Co0,1O 34

Hình 3.3 Giản đồ XRD của mẫu Zn0.9Co0,09Zr0,01O ở 10000 C – 3 giờ 35

Hình 3.4 Giản đồ XRD của mẫu Zn0,9Co0,09Zr0,01O ở 12000 C – 3 giờ 36

Hình 3.5 Mẫu tráng men 37

Hình 3.6 Quy trình thử nghiệm màu men 37

Hình 3.7 Mẫu Zn0,9Co0,09Zr0,01O 10000C – 3 giờ - 0,5g – 3 giờ 38

Hình 3.8 Mẫu Zn0,9Co0,09Zr0,01O 10000C – 3 giờ - 0,75g – 3 giờ 38

Hình 3.9 Mẫu Zn0,9Co0,09Zr0,01O 12000C – 3 giờ - 0,5g – 3 giờ 39

Hình 3.10 Mẫu Zn0,9Co0,09Zr0,01O 12000C – 3 giờ - 0,75g – 3 giờ 39

Hình 3.11 Giản đồ XRD tráng men của mẫu Zn0,9Co0,09Zr0,01O 12000C – 3 giờ - 0,75g – 3 giờ 40

Hình 3.12 Mẫu Zn0,9Co0,09Zr0,01O 10000C – 3 giờ -0,75g – 2 giờ 40

Hình 3.13 Mẫu Zn0,9Co0,09Zr0,01O 12000C – 3 giờ - 0,75g – 2 giờ 41

Hình 3.14 Quy trình điều chế silica tro trấu 42

Hình 3.15 Giản đồ DTG của mẫu ZCR1 44

Hình 3.16 Giản đồ TG – DSC của mẫu ZCR1 45

Hình 3.17 Giản đồ DTG của mẫu ZCR2 45

Hình 3.18 Giản đồ TG – DSC của mẫu ZCR2 46

Hình 3.19 Giản đồ XRD của mẫu ZCR1 ở 10000 C – 3 giờ 47

Hình 3.20 Giản đồ XRD của mẫu ZCR1 ở 12000C – 3 giờ 47

Hình 3.21 Giản đồ XRD của mẫu ZCR2 ở 12000C – 3 giờ 48

Hình 3.22 Mẫu ZCR2 – 12000 C – 3 giờ - 0,5g – 3 giờ 49

Hình 3.23 Mẫu ZCR2 – 12000C - 3 giờ - 0,75g – 3 giờ 49

Hình 3.24 Giản đồ XRD tráng men của mẫu ZCR2 50

Hình 3.25 Giản đồ so sánh của mẫu ZCR2 trước và sau khi tráng men 50

Hình 3.26 Giản đồ XRD của mẫu ZCU1 ở 12000C – 3 giờ 53

6

Hình 3.27 Giản đồ XRD của mẫu ZCU2 ở 12000C – 3 giờ 53

Hình 3.28 Mẫu ZCU1 – 12000 C – 3 giờ - 0,5 g – 3 giờ 54

Hình 3.29 Mẫu ZCU1 – 12000C - 3 giờ - 0,75 g – 3 giờ 55

Hình 3.30 Mẫu ZCU2 - 12000 C – 3 giờ - 0,5 g – 3 giờ 55

Hình 3.31 Mẫu ZCU2 - 12000C – 3 giờ - 0,75 g – 3 giờ 56

Hình 3.32 Giản đồ TG – DTG của mẫu MR – Al(OH)3 59

Hình 3.33 Giản đồ TG – DTG của mẫu MR – AlCl3.6H2O 60

Hình 3.34 Giản đồ XRD của mẫu MR1 61

Hình 3.35 Giản đồ XRD của mẫu MR2 61

Hình 3.36 Giản đồ XRD của mẫu MR3 62

7

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Bước sóng của ánh sáng trông thấy và màu 13

Bảng 1.2 Một số mạng tinh lưới tinh thể dùng tổng hợp chất màu cho gốm sứ 14

Bảng 3.1 Thành phần phối liệu của mẫu zincite mang màu 32

Bảng 3.2 Thành phần hóa học của tro trấu (%) 43

Bảng 3.3 Thành phần phối liệu của hệ Zircon - Cr theo cát 43

Bảng 3.4 Thành phần phối liệu của hệ Zircon - Cr theo tro trấu 43

Bảng 3.5 Thành phần phối liệu của mẫu Zr0,9Cr0,1SiO4 44

Bảng 3.6 Thành phần phối liệu của hệ Zircon - Cu theo cát 51

Bảng 3.7 Thành phần phối liệu của hệ Zircon - Cu theo tro trấu 52

Bảng 3.8 Thành phần phối liệu của mẫu Zr0,9Cu0,1SiO4 52

Bảng 3.9 Thành phần phối liệu của mẫu mullite MR1 57

Bảng 3.10 Thành phần phối liệu của mẫu mullite MR2 58

Bảng 3.11 Thành phần phối liệu của mẫu mullite MR3 58

Bảng 3.12 Thành phần phối liệu của mẫu MR1 và MR2 58

Bảng 3.13 Thành phần phối liệu của mẫu MR1 và MR3 59

8

MỞ ĐẦU

Trong đời sống xã hội ngày nay, các sản phẩm gốm sứ mỹ nghệ, gốm sứ dân dụng và gốm sứ công nghiệp không những rất đa dạng, phong phú về chủng loại, mẫu

mã và hình dạng mà còn được trang trí, phủ các loại chất màu khác nhau với nhiều chi tiết tấu hoa văn rất đẹp làm cho giá trị thẩm mỹ của các sản phẩm này được nâng lên rất cao Nghệ thuật trang trí các sản phẩm gốm sứ bằng các chất màu gốm sứ đã và đang được phổ biến rất rộng rãi và ngày càng được hoàn thiện nâng lên một tầm cao mới, đáp ứng thõa mãn cho mọi nhu cầu sử dụng của con người Phủ các chất màu trên

bề mặt các sản phẩm gốm sứ bảo đảm cho các hình ảnh trang trí nghệ thuật của chúng

có độ bền vĩnh cửu Khác với các chất màu hữu cơ, các chất màu gốm sứ có độ bền rất cao chống lại các tác động của ánh sáng, của nhiệt độ, môi trường và bền mãi với thời gian

Nhưng chi phí màu cho sản xuất gốm sứ là khá lớn, chiếm tới hơn 20% chi phí nguyên liệu và đa số chúng vẫn phải nhập từ nước ngoài vào với giá thành cao Trung bình mỗi năm lượng màu cần nhập khẩu khoảng 5000 tấn, trong đó có khoảng 700 tấn màu xanh lá, 700 tấn màu xanh dương, 1000 tấn màu đen, 1000 tấn màu nâu

Tại Việt Nam, trong những năm gần đây ngành công nghiệp gốm sứ tuy có phát triển Năm 2005 đạt công suất 120 triệu m3 gạch ốp lát, ceramic và granit Nhưng ngành công nghiệp gốm sứ vẫn còn gặp rất nhiều khó khăn Do lĩnh vực chất màu vẫn còn rất mới mẻ mà đòi hỏi của chất màu phải bền nhiệt ( đến 1200oC), bền cơ…trong khi các khoáng tự nhiên thường có thành phần không ổn định, lẫn nhiều tạp chất gây khó khăn cho quá trình tổng hợp cũng như hạn chế trong việc sử dụng Ngoài ra cho đến nay, vẫn chưa có một nhà máy sản xuất chất màu nào ra đời nhằm phục vụ cho ngành sản xuất gốm sứ Những điều này đã làm hạn chế rất lớn khả năng cạnh tranh của các sản phẩm gốm sứ Việt Nam trên thị trường cũng như trên thế giới Vì vậy việc nghiên cứu tổng hợp các chất màu nhân tạo nhằm phục vụ cho ngành công nghiệp gốm sứ ở nước ta, đã trở thành một nhu cầu hết sức cần thiết

Một trong các khoáng tinh thể nền cho nhiều màu đẹp là Mullite và Zircon có thành phần là silica Tuy nhiên, nguồn silica trong tự nhiên chủ yếu tồn tại trong đất

9

sét và cát nên khả năng phản ứng chưa cao, điều kiện phản ứng khắc nghiệt Gần đây người ta đã tìm ra một nguồn giàu silica có hoạt tính cao hơn ( tồn tại ở dạng vô định hình) trong vỏ trấu, điều này mở ra nhiều hướng phát triển cho nhiều ngành sử dụng silica

Việt Nam là một nước có truyền thống nông nghiệp, cây lương thực chủ yếu là cây lúa Sau mỗi lần thu hoạch người dân thường đốt rơm rạ, vỏ trấu để bắt đầu một vụ mùa mới, điều này đã tác động xấu tới môi trường gây ô nhiềm môi trường SiO2 trong trấu có nhiều ứng dụng bởi hoạt tính cao của nó, ở đây tôi sử dụng SiO2 để tổng hợp chất nền Mullite và Zircon trong điều chế màu cho gốm sứ Việc sử dụng silica tro trấu giúp nâng cao giá trị cây lúa, hạn chế ô nhiễm môi trường sau mỗi lần thu hoạch và hạ giá thành sản phẩm

Với những lí do trên tôi xin chọn đề tài “Tổng hợp một số chất màu trên nền

chất màu cho gốm sứ, hạ giá thành sản phẩm, tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm gốm Việt Nam trên thị trường

10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Danh từ gốm dùng để chỉ chung những sản phẩm mà nguyên liệu để sản xuất có thể đi từ đất sét hoặc cao lanh như đồ đất nung, gạch ngói, chum vại và đồ sứ

Ngày nay danh từ gốm sứ dịch từ chữ ceramic được mở rộng hơn nhiều, sản phẩm gốm sứ chẳng những bao gồm các loại sản xuất từ đất sét, cao lanh mà còn bao gồm các loại sản phẩm được sản xuất từ nguyên liệu không thuộc silicat như titanat, ferit… Như vậy đồ gốm là những sản phẩm được tạo hình từ nguyên liệu dạng bột, khi nung ở nhiệt độ cao, chúng kết khối, rắn như đá và cho nhiều đặc tính quý: cường độ

cơ học cao, bền nhiệt, bền hoá, bền điện Một số loại gốm kỹ thuật còn có các tính chất đặc biệt như tính áp điện, tính bán dẫn hoặc có độ cứng cao

Với thuộc tính nêu trên, sản phẩm gốm sứ được dùng hầu khắp trong các lĩnh vực từ dân dụng đến các ngành công nghiệp hiện đại bao gồm kỹ thuật điện, vô tuyến điện tử, truyền tin và truyền hình, tự động hoá và kỹ thuật điều khiển, du hành và chinh phục vũ trụ Do đó, ngày nay nhu cầu sử dụng những vật liệu gốm ngày càng nhiều, chính điều đó đã thúc đẩy ngành khoa học về vật liệu gốm cũng ngày càng phát triển Khoa học về vật liệu gốm sứ trước hết nhằm nghiên cứu thành phần pha của vật liệu, giải thích và làm sáng tỏ các quá trình biến đổi của chúng Từ đó xác định điều kiện công nghệ thích hợp, tạo nên những vật liệu mới có hình dạng xác định, thành phần pha và những tính chất được dự báo trước Việc nghiên cứu cấu trúc vi mô của vật liệu đang có xu hướng của quá trình tạo nên những vật liệu mới Quá trình này thúc đẩy những biến đổi về mặt công nghệ, dẫn tới việc sử dụng nguyên liệu tổng hợp,

những thiết bị được điều khiển nghiêm ngặt bởi thông số công nghệ

Có nhiều cách phân loại, mỗi cách dựa trên các cơ sở khác nhau:

− Phân loại theo cấu trúc và tính chất của sản phẩm: gốm thô, gốm mịn, gốm đặc biệt

− Phân loại theo mặt hàng: gạch, ngói, sành, sành đá vôi, sứ frít, sứ xương, sứ corum…

− Phân loại theo lĩnh vực sử dụng

11

Màu sắc bao gồm:

- Sắc thái màu (đơn màu): là các màu đặc trưng như xanh, đỏ, tím, vàng,…

- Tông màu: chỉ sự biến đổi trong phạm vi một đơn màu Chẳng hạn: màu xanh gồm xanh lục, xanh da trời, xanh blue…

- Cường độ màu: khả năng phát màu

Trong thực tế, màu sắc của vật chất bao gồm 8 màu cơ bản: trắng, đen, đỏ, da cam, vàng, lục, lam và tím Từ các màu cơ bản đó, có thể phối chế thành vô vàn tong màu khác nhau Về nguyên tắc, màu sắc mà mắt ta phân biệt được là do vật chất hấp thụ ánh sáng một cách chọn lọc, sự hấp thụ này do bản thân cấu tạo cũng như liên kết hóa học của chất màu quyết định

Ánh sáng phát ra với các bước sóng khác nhau, nhưng mắt người chỉ có thể cảm nhận được ánh sáng có bước sóng trong vùng khả kiến từ 400nm đến 780nm Cảm giác màu sắc là một chuỗi các quá trình sinh lý và tâm lý phức tạp khi bức xạ trong vùng khả kiến chiếu vào võng mạc của mắt Một tia màu với một khoảng bước sóng xác định khi đập vào võng mạc sẽ gây cho ta một cảm giác về một màu sắc xác định Màu của một vật thể tùy thuộc vào bước sóng của ánh sáng bị phản xạ hay bị hấp thụ trên vật thể đó Trong trường hợp vật thể trong suốt, màu sắc tùy thuộc vào bước sóng của ánh sáng truyền qua nó

Nếu ánh sáng chiếu vào vật thể mà bị khuếch tán hoàn toàn hoặc đi qua hoàn toàn thì đối với mắt ta chất đó có màu trắng hoặc không màu

Nếu vật hấp thụ hoàn toàn tất cả các tia của ánh sáng trắng thì ta thấy vật đó có màu đen

Nếu sự hấp thụ chỉ xảy ra ở một khoảng nào đó của vùng khả kiến thì các bức xạ ở khoảng còn lại khi đến mắt sẽ gây cho ta cảm giác về một màu nào đó

Bảng 1.1 Bước sóng của ánh sáng trông thấy và màu

Bước sóng của bức xạ bị

12

Chất màu cho gốm sứ về bản chất là khoáng vật tự nhiên hay nhân tạo có màu Chất màu cho đồ gốm phải có các đặc trưng sau: bền màu dưới tác dụng của nhiệt độ cao, bền với các tác nhân hóa học, bền với ánh sáng, với khí quyển, không biến đổi màu dưới tác dụng của men nóng chảy ở nhiệt độ cao

Trong tự nhiên có rất nhiều khoáng có màu và có khả năng bền màu ở nhiệt độ cao Tuy nhiên chúng có hàm lượng màu không cao và thường lẫn nhiều tạp chất, đồng thời thành phần của các khoáng thường không ổn định, gây khó khăn cho việc gia công và trang trí sản phẩm

Yêu cầu của chất màu gốm ngày nay là phải bền, ổn định trong quá trình sản xuất cũng như quá trình sử dụng Do vậy, chất màu thông thường được sử dụng cho gốm sứ

là những chất màu tổng hợp bền nhiệt

Chất màu cho gốm sứ thuộc hệ dung dịch rắn (dung dịch rắn trộn lẫn hay thay thế) Như vậy cấu trúc của chất màu là không hoàn chỉnh, nghĩa là có sự biến dạng về cấu trúc làm thay đổi thông số mạng lưới của tinh thể Mặt khác, sự biến dạng không chỉ xảy ra ở một dải điện tử nhất định mà cả ở các dải lân cận làm cho chất màu không chỉ hấp thụ một bức xạ có bước sóng nhất định mà có thể hấp thụ cả một dải gồm nhiều