Nghiên cứu tổng hợp chất màu trên cơ sở kẽm cromit

Các chất màu oxit, đặc biệt là oxit phức hợp cấu trúc spinen thường được sử dụng làm chất màu cho gốm, do bền ở nhiệt độ cao và bền trong môi trường men nóng chảy.. Trong tổng hợp chất m

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu trong luận văn là trung thực, được các tác giả cho phép sử dụng và không sao chép ở bất cứ một tài liệu khoa học nào

HỌC VIÊN

Bùi Hiếu Trung

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Xuân Thành, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Công nghệ các chất

Vô cơ - Viện Kỹ Thuật Hoá học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, đóng góp

ý kiến và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp

MỞ ĐẦU

Trên thế giới, đặc biệt là ở các nước phát triển, sản xuất chất màu đã được nghiên cứu và đi vào thương mại từ lâu, hình thành một ngành công nghiệp sản xuất chất màu khá hoàn chỉnh, cung cấp ra thị trường nhiều sản phẩm với chất lượng cao, mẫu mã đa dạng, phong phú, đem lại lợi ích kinh tế to lớn Trong những năm gần đây một số nước như Trung Quốc, Thái Lan, Indonexia, Hàn Quốc … cũng đầu tư nghiên cứu và cho ra đời nhiều sản phẩm, cung cấp ra thị trường và bán sang Việt Nam với giá thành cao

Hiện nay nước ta chưa có một cơ sở nào sản xuất và cung cấp ra thị trường các sản phẩm chất màu thương mại với quy mô công nghiệp Trong khi đó nhu cầu sử dụng chất màu dùng cho sơn tại Việt Nam ngày càng lớn với những yêu cầu ngày càng khắt khe về chất lượng, mẫu mã, chủng loại

Các chất màu oxit, đặc biệt là oxit phức hợp cấu trúc spinen thường được sử dụng làm chất màu cho gốm, do bền ở nhiệt độ cao và bền trong môi trường men nóng chảy Nguồn nguyên liệu cho sản xuất chất màu có thể đi từ các hóa chất sẵn có hoặc qua tái chế từ các nguồn hóa chất thải

Từ nhận định trên, luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp chất màu

trên cơ sở kẽm crômit” từ hóa chất sẵn có và đi từ nguồn kẽm thải và áp dụng tạo

màu cho gốm, do vậy có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng

Các nhiệm vụ của đề tài:

- Nghiên cứu tổng hợp chất màu kẽm crômit theo phương pháp đốt cháy gel

- Nghiên cứu điều chế kẽm oxit từ bã thải và ứng dụng trong việc tổng hợp chất màu kẽm cromit pha tạp sắt

- Khảo sát tạo màu cho men gốm

Hình 1.1: Sóng ánh sáng

Phổ của bức xạ điện từ trải rộng từ tia γ (do các chất phóng xạ phát ra) có bước

thấy nằm trong một vùng hẹp của phổ với bước sóng từ 0,4µm đến 0,7µm

Hình 1.2: Dải bức xạ điện từ

1.1.1 Tính hạt của ánh sáng

Ánh sáng là một đề tài luôn thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới Đến nay lý thuyết về ánh sáng đã được làm sáng tỏ và được dùng làm cở sở để giải thích rất nhiều hiện tượng tự nhiên Theo quan điểm lượng tử, bức xạ điện từ là các hạt lượng tử hay photon Mỗi photon mang một năng lượng ε được xác định bởi

1.1.2 Tương tác giữa ánh sáng và vật rắn

Khi chùm photon chiếu vào một chất rắn, sự tương tác diễn ra, điều này liên quan đến lý thuyết lượng tử Theo nguyên lý tán xạ bức xạ điện từ của Huygen, khi các photon đến gần tiếp xúc với một chất rắn, các vectơ điện trường và từ trường của các photon tới cặp đôi với các vectơ điện trường và từ trường của các electron trong các nguyên tử của chất rắn Tương tác này gồm 4 thành phần, cụ thể là:

R - bức xạ được phản xạ; A - bức xạ được hấp thụ;

T - bức xạ được truyền qua; S - bức xạ được tán xạ

Cơ chế này được minh họa ở hình 1.3 như sau:

Hình 1.3: Cơ chế tương tác của photon với chất rắn

Ta có: Io = IR + IA + IT + IS (1.1)

Trong đó:

Io là cường độ ánh sáng tới

Trong trường hợp hấp thụ, năng lượng của photon làm thay đổi năng lượng của nguyên tử hoặc phân tử trong chất rắn, dẫn đến làm nóng lên ở vị trí hấp thụ Khi photon truyền qua chất rắn (coi như chất rắn là trong suốt đối với chiều dài sóng photon), không có tương tác nào xảy ra Khi phản xạ (tán xạ), photon có thể va chạm đàn hồi hoặc không đàn hồi với các nguyên tử chất rắn Ở trường hợp va chạm đàn hồi bước sóng không thay đổi, còn va chạm không đàn hồi làm thay đổi bước sóng của các photon Điều này có nghĩa là một phần năng lượng hấp thụ tạo ra trạng thái “kích thích”, ở đó electron được chuyển lên vùng năng lượng cao hơn Trường hợp bước sóng photon phát ra không bị thay đổi, photon được gọi là “tán xạ” và sự phản xạ là một va chạm đàn hồi

Các công thức có thể áp dụng đối với các tính chất quang học của chất rắn:

quá trình không phụ thuộc vào bước sóng của photon tới, trong khi R và A chủ yếu là phụ thuộc vào bước sóng

Trường hợp sự hấp thụ là rất nhỏ so với sự tán xạ, chất màu có màu trắng Trường hợp sự hấp thụ là cao hơn nhiều so với sự tán xạ ở trong vùng ánh sáng nhìn thấy, chất màu có màu đen Ở các chất màu có màu khác, sự hấp thụ là chọn lọc (phụ thuộc bước sóng) Chẳng hạn, một chất có màu lục khi chúng chỉ cho tia màu lục đi qua hoặc nó hấp thụ tia màu đỏ và cho tất cả các tia khác đi qua Bảng 1.1 sau chỉ ra màu của các chất theo bước sóng ánh sáng bị hấp thụ

Bảng 1.1: Màu của các chất theo bước sóng ánh sáng bị hấp thụ

Bước sóng của vạch

hấp thụ (nm)

Năng lượng kJ/mol

1.1.3 Các nguyên tố gây màu

Các nguyên tố gây màu ở các chất rắn thường là các ion kim loại chuyển tiếp ở trạng thái oxy hóa khác nhau Nguyên tố kim loại chuyển tiếp là các nguyên tố mà phân lớp d hoặc f chưa được điền đầy đủ các electron Trong bảng hệ thống tuần hoàn

các nguyên tố chuyển tiếp bắt đầu từ chu kì 4 đến chu kì 7, ở các nhóm B Các nguyên

tố chuyển tiếp được hình thành bằng cách mất đi electron lớp ngoài cùng Dưới tác dụng của trường tinh thể có sự phân tách mức năng lượng của các ion kim loại chuyển tiếp và do vậy chúng có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy và do vậy chúng có màu

Trong tổng hợp chất màu, các ion kim loại chuyển tiếp được đưa vào phối liệu dưới dạng các oxit hoặc muối có khả năng phân hủy nhiệt tạo thành oxit ở nhiệt độ cao trong quá trình nung phối liệu màu

1.2 Chất màu trên cơ sở mạng Spinel

Trong đó A là cation hóa trị 2 và B là cation hóa trị 3 Mạng lưới spinen gồm các ion

tưởng tượng ghép 8 khối lập phương tâm mặt lại với nhau

Hình 1.4 Tế bào mạng củ tinh th spine

Số ion oxi gồm:

Số hốc O (còn gọi là nhân mạng B) gồm :

8 tâm của 8 lập phương bé: 8 x 1 = 8

24 cạnh biên của lập phương bé: 24 x 1/4 = 6

6 cạnh nằm trong lập phương : 6 x 1 = 6

→ Tổng số hốc O = 32 Như vậy, mỗi tinh thể spinel có 64 + 32 = 96 gốc T và O Mà số cation trong một nhân mạng chỉ có 8 + 16 = 24 cation Nghĩa là chỉ 1/4 số hốc trống chứa cation, còn 3/4 hốc trống để không

1.3 Các phương pháp s d ng chất màu cho gốm

Theo đặc tính sử dụng, các chất màu gốm xứ được chia thành hai loại: chất màu nhẹ lửa và chất màu nặng lửa Xét về khả năng chịu nhiệt, màu trong xương sứ và chất màu dưới men chịu nhiệt cao nhất, tiếp đến là màu trong men và sau cùng là màu trang trí trên men Lý do là vì nhiệt độ thiêu kết xương sứ cao hơn nhiều nhiệu độ chảy của men và nhiệt độ chảy của men cao hơn nhiệt độ chảy của màu trang trí trên men, chính

vì vậy mà sản phẩm được nung một lần, hai lần hoặc ba lần theo thứ tự nhiệt độ nung lần sau thấp hơn lần trước

1.3.1 M

Yêu cầu của loại màu này là phải chịu nhiệt độ cao (vì xương sứ phải nung ở nhiệt độ cao mới đạt độ kết khối đáp ứng các chỉ tiêu quy định) Chất màu được nghiền trộn với xương sứ để tạo hỗn hợp đồng nhất, ví dụ: gốm sứ mỹ nghệ, gốm sứ dân dụng

theo loại sản phẩm Do nung ở nhiệt độ cao, nên chủng loại màu trong xương rất hạn chế, nhiều chất màu dễ bị biến đổi màu sắc khi nung ở nhiệt độ cao

1.3.2

Màu trong men thường được tạo ra bằng cách đưa trực tiếp một số hợp chất gây màu hoặc chất màu tổng hợp bền nhiệt vào men Tùy theo khả năng chịu nhiệt của mỗi kim loại màu để dùng men có nhiệt độ nung chảy thích hợp Chất màu cho gốm sứ vẫn

có thể phản ứng một phần với các oxit trong men, vì vậy người ta phải lưu ý sự phù hợp của hệ chất màu với thành phần của men Độ mịn của màu có ảnh hưởng tới cường

độ màu, cũng như sự đồng đều màu men Cụ thể, màu có cỡ hạt càng mịn cho màu men có cường độ càng cao và khả năng đồng đều màu cũng cao Sự phân bố màu trong men được phân thành hai cơ chế dựa trên bản chất của chúng như sau:

+ Sự tạo màu trong men bằng các phân tử màu: Các phân tử màu được tạo ra từ các oxit khác nhau của sắt, coban, niken, mangan, crom, đồng, vanadi … hòa tan được trong men nóng chảy Màu men trong trường hợp này rất dễ thay đổi về màu sắc bởi sự tương tác hóa học phức tạp chính các oxit gây màu với thành phần men dưới tác động của nhiệt độ nung , môi trường nung, cũng như sự phụ thuộc vào số phối trí của oxit gây màu tồn tại trong men

+ Sự tạo màu trong men bằng các chất màu không tan trong men: Đó chính là những chất màu có cấu trúc bền nhiệt, không bị tan trong men nóng chảy mà chỉ phân

bố đều trong men Các chất màu này có thể là những chất màu tổng hợp bền nhiệt hoặc các khoáng thiên nhiên bền có màu Trường hợp này màu trong men sẽ ổn định hơn và bền hơn với các tác nhân hóa học, ánh sáng, khí quyển…

1.3.3

- Màu trên men: Màu này dùng để trang trí (vẽ thủ công, in ấn hoặc dán

giấy…) lên sản phẩm gốm đã tráng men và nung chín rồi, sau đó nung lại ở nhiệt độ

màu với chất trợ dung (dạng frit nhiệt độ chảy thấp có chứa nhiều chất chảy như chì, bo…), chất pha loãng (cao lanh, silica, oxit nhôm…) và dầu hữu cơ, hoặc với nước thì

có thêm phụ gia hữu cơ dẻo và chống lắng Chất trợ dung có nhiệt độ chảy thấp hơn nhiệt độ chảy của men, có tác dụng làm cho màu vẽ lên sản phẩm chóng khô cứng, sau khi nung màu được bám chắc vào men, đồng thời là tăng độ ánh của màu Chủng loại của chất màu trên men rất phong phú Màu trên men thì có cường độ bóng rất đẹp và tông màu rất sáng, nhưng về mặt hóa học thì chúng kém bền hơn so với chất màu dưới men, do đó hình vẽ nổi bật lên mặt sứ dễ bị xước mòn

- Màu dưới men: Màu này dùng để trang trí (vẽ thủ công hoặc in ấn) lên sản

phẩm mộc đã sấy khô hoặc chỉ nung sơ bộ, sau đó mới tráng men, rồi tiến hành nung

tiếp xúc với xương mộc vừa tiếp xúc với lớp men do đó đòi hỏi tính chất khắc nghiệt hơn so với loại màu trên men, để sản phẩm không bị rạn nứt thì hệ số dãn nở nhiệt không chênh lệch nhiều so với xương sứ và men Màu dưới men có chất trợ dung ít hơn và nhiệt độ chảy cao hơn màu trên men Nhờ có một lớp men bóng và trong suốt che phủ trên lớp chất màu nên các chất màu này bám rất chặt trên bề mặt sản phẩm và

có màu rất đẹp, có độ ánh, sáng cao và rất bền Do nung ở nhiệt độ cao, nên chủng loại màu dưới men rất hạn chế, nhiều chất màu dễ bị biến đổi màu sắc khi đưa lên nhiệt độ

này với đặc tính thẩm mỹ và độ bền vững rất cao đã trở lên quý giá, vì vậy mở rộng và

phát triển chủng loại chất màu dưới men đang là một nhiệm vụ quan trọng trong lĩnh vực tổng hợp chất màu gốm sứ hiện nay

1.4 Kỹ thuật tổng hợp chất màu

1.4.1 Phương pháp gốm

Chất màu cho gốm sứ thường được chế tạo theo phương pháp gốm truyền thống Có thể mô tả phương pháp gốm truyền thống theo dạng sơ đồ khối dưới đây:

Hình 1.5: Phương pháp gốm truyền thống đ sản xuất vật liệu gốm

Phối liệu tạo màu thường được nghiền trộn kỹ đến một độ mịn thích hợp trong máy nghiền bi ướt hoặc khô Phối liệu để tạo các chất màu thường bao gồm:

- Các oxit hoặc hydroxit, các muối có khả năng phân hủy ở nhiệt độ cao tạo ra oxit

- Các chất khoáng hóa: Là các chất giúp thúc đẩy nhanh quá trình tổng hợp chất màu, hạ bớt nhiệt độ nung cần thiết Chất chảy được sử dụng thường gặp là:

+ Muối của các kim loại kiềm (chủ yếu là cacbonat)

+ Hợp chất của flo (NaF, CaF2, AlF3, Na2SiF6)

Các tông màu khác nhau có thể tạo thành khi thay đổi tỷ lệ các chất đưa vào trong thành phần của chúng hoặc bằng con đường khác nhờ việc khác nhau khi lựa chọn các nguyên liệu sử dụng (các oxit, các muối cacbonat…), hoặc bằng các phương pháp chuẩn bị các hỗn hợp oxit kim loại, hoặc nhiệt độ nung kết thúc quá trình hoặc đặc trưng của ngọn lửa hoặc mức độ sạch cũng như độ mịn nguyên liệu ban đầu

Hỗn hợp nghiền được kiểm tra kỹ về độ mịn qua các sàng thích hợp, nếu nghiền ướt thì phải sấy khô, đôi khi người ta còn ép thành viên và được chứa vào các bao nung trước khi đưa vào lò nung Phối liệu màu thường được nung ở khoảng nhiệt độ từ

900°C - 1400°C, trong những khoảng thời gian xác định tùy theo từng loại màu Hỗn hợp được nghiền và rửa bằng nước hoặc ngâm chiết với axit HCl 5% để loại bỏ chất chảy, các hợp phần chưa sạch Cuối cùng chúng được đem nghiền mịn tới cỡ hạt từ 1-30μm Việc khống chế cỡ hạt rất quan trọng vì độ chói sẽ giảm với cỡ hạt thô Nếu nghiền quá mịn, chất màu dễ bị hòa tan trong pha thủy tinh lỏng

1.4.2 Phương pháp đồng kết tủa

Đây là phương pháp đang được sử dụng rộng rãi để tổng hợp vật liệu Phương pháp này cho phép khuếch tán các chất tham gia phản ứng khá tốt, tăng đáng kể bề mặt tiếp xúc của các chất phản ứng do đó có thể điều chế được sản phẩm mong muốn ở nhiệt độ nung tạo sản phẩm thấp

Một điều quan trọng ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm là thành phần của vật liệu, do đó khi tiến hành phản ứng đồng kết tủa Phải làm sao thu được pha kết tủa có thành phần mong muốn

Phương pháp đồng kết tủa có các thuận lợi sau:

+ Cho sản phẩm tinh khiết vì quá trình sử dụng các phân tử tiền chất không phải

là các khối vật liệu lớn

+ Tính đồng nhất của sản phẩm cao, dễ điều khiển tỉ lệ hóa học Quá trình cho phép lấy những lượng chất ban đầu chính xác trộn với nhau theo tỉ lệ hóa học của sản phẩm đạt được như mong muốn Điều này đặc biệt quan trọng trong tổng hợp vật liệu cao cấp, đòi hỏi tỉ lệ chính xác cao của các cấu tử

+ Điều chỉnh tính chất thông qua điều chỉnh các yếu tố điều kiện của phản ứng như: pH, nhiệt độ, nồng độ, tốc độ của sự thủy phân, sự kết tinh ảnh hưởng của hình thái học, độ lớn và tính chất của các hạt sản phẩm cuối cùng

+ Tổng hợp ở nhiệt độ thấp vì sản phẩm đồng nhất và kích thước hạt nhỏ hơn phương pháp gốm do đó sự lớn lên của tinh thể có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp

1.4.3 Phương pháp sol - gel

Trong phương pháp này quá trình đầu tiên diễn ra là quá trình đông tụ tiền chất

để hình thành dạng sol, dạng đồng nhất của các hạt oxit siêu nhỏ trong chất lỏng Giai đoạn này có thể điều chỉnh bằng sự thay đổi pH, nhiệt độ và thời gian phản ứng, xúc tác, nồng độ tác nhân, tỷ lệ nước

Các hạt sol lớn lên và đông tụ thành mạng polime liên tục hay gel chứa các bẫy dung môi Phương pháp làm khô sẽ xác định các tính chất của sản phẩm cuối cùng: gel

có thể được nung nóng để loại trừ các tác nhân dung môi, gây áp lực lên mao quản và làm xụp đổ mạng gel, hoặc làm khô siêu tới hạn cho phép loại bỏ các phân tử dung môi

mà không sụp đổ mạng gel Sản phẩm cuối cùng thu được từ phương pháp làm khô được đem nung tạo sản phẩm

Phương pháp sol - gel được quan tâm nhiều vì nó thành công trong lĩnh vực tổng hợp vật liệu cấp hạt nano

1.4.4 Phương pháp đốt cháy gel

Kĩ thuật này được tiến hành tương tự phương pháp sol - gel Đặc điểm của phương pháp này ở thành phần của gel tạo thành có cấu tử đóng vai trò chất oxi hóa (chẳng hạn các gốc nitrat) và cấu tử đóng vai trò chất khử (chẳng hạn các gốc axetat, polime PVA) Phản ứng cháy xảy ra khi nung tiền chất làm tăng nhanh nhiệt độ mẫu đến nhiệt độ tổng hợp cần thiết

1.5 Đánh giá chất lượng bột màu tổng hợp

Bột màu tổng hợp thường được đánh giá theo một số chỉ tiêu kỹ thuật sau đây:

- Tông màu, gam màu hay sắc thái màu:

- Chỉ tiêu này thể hiện tính đơn màu của bột màu, thể hiện gam màu đặc trưng của bột màu

- Cường độ màu: Cường độ màu chỉ độ đậm nhạt của màu Nó phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ chất màu có trong chúng

- Độ bền màu: Chỉ tiêu này được đánh giá bằng cách so sánh sự thể hiện màu khi nung mẫu ở nhiều nhiệt độ khác nhau, số lần khác nhau trong cùng các điều kiện khác Độ bền màu khi nung phụ thuộc vào loại khoáng chất màu, bản chất hoá lý của thành phần phối liệu, nhiệt độ nung, thời gian nung, môi trường nung

- Độ phân tán: Độ phân tán của bột màu thể hiện khả nǎng phân tán của chúng vào phối liệu gốm sứ khi sử dụng Bột màu có độ phân tán càng cao thì hiệu quả thể hiện màu càng tốt

- Độ ẩm: Độ ẩm có liên quan trực tiếp tới tỷ lệ thực bột màu khi sử dụng

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Các thiết bị và hóa chất cần thiết

- Các thiết bị chụp phân tích nhiệt, chụp SEM, XRD

- Cối nghiền, máy khuấy từ, các thiết bị chuẩn độ khác

2.1.2 Hóa chất:

- Muối Cr(NO3)3.9H2O tinh khiết

- Bã thải kẽm do công ty Công nghệ hoá chất Minh Phú cung cấp

- Cao lanh và tràng thạch Phú thọ

2.2 Tổng hợp chất màu ZnCr 2 O 4 theo phương pháp đốt cháy gel

Các muối Zn(CH3COO)2.2H2O, Cr(NO3)3.9H2O, được lấy theo đúng tỷ lện số mol thành phần chất cần điều chế Hòa tan chúng trong nước cất, đem khuấy và gia

Nung tiền chất ở các nhiệt độ khác nhau Mẫu sau nung được xác định đặc tính đem đi chụp phân tích XRD và SEM để xác định cấu trúc mạng và cỡ hạt thu được

2.3 Nghiên cứu điều chế kẽm oxit từ bã thải và ứng d ng trong việc tổng hợp chất màu kẽm cromit pha tạp sắt

2.3.1 Điều chế kẽm oxit từ bã thải kẽm

2.3.1.1 Nghiên cứu hoà tan bã thải kẽm bằng axit sunfuric

Cân chính xác 10g bã thải kẽm cho vào cốc thủy tinh, thêm nước cất và một lượng axit H2SO4 96% cần thiết Điều kiện thích hợp về lượng axit sử dụng, thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng và tỷ lệ rắn - lỏng được khảo sát theo phưong pháp đơn biến – thay đổi một biến và cố định các biến còn lại Sau phản ứng, lọc rửa dung dịch

và định mức thành 250ml (dung dịch A) Phần cặn bã rắn không tan đem sấy khô và cân

Hàm lượng kẽm có trong dung dịch A được xác định theo phương pháp chuẩn

độ complexon Cụ thể lấy 25ml dung dịch A đem định mức tiếp 250ml sau đó lấy 10ml

từ dung dịch vừa định mức xong đem đi chuẩn độ bằng EDTA 0,1M với chất chỉ thị ETOO, dung dịch đệm pH = 10

2.3.1.2 Điều chế kẽm oxit

Dung dịch sau hoà tan ở điều kiện hoà tan thích hợp sao cho có pH~5-6, được

1M cần thiết cho đến lúc pH dung dịch khoảng 8 Lọc rửa kết tủa thu được cho đến hết

phương pháp XRD và SEM

2.3.1.3 Tổng hợp chất màu kẽm cromit pha tạp sắt theo phương pháp phản ứng pha rắn

Các nguyên liệu ZnO thu hồi, Cr2O3 và Fe2O3 được lấy chính xác theo đúng tỉ lệ

trong thời gian 30 phút và sau đó nung mẫu thu được ở 11000C trong 1h Sản phẩm tao thành được đánh giá khi chụp XRD và tạo màu cho men gốm

2.3.2 Nghiên cứu tạo màu cho men gốm

Trong phép phân tích nhiệt, người ta thường sử dụng hai phương pháp là phương pháp phân tích nhiệt vi sai DTA hoặc DSC và phương pháp phân tích nhiệt trong lượng TGA

* Phương pháp phân tích nhiệt vi sai

Nguyên tắc:

Khi đốt nóng một mẫu, việc xuất hiện các hiệu ứng nhiệt rất nhỏ sẽ khó hoặc không phát hiện được bằng các kỹ thuật đo thông thường Vì vậy, phải dùng phương pháp DTA hoặc DSC Phương pháp DTA và DSC sử dụng một cặp pin nhiệt điện và một điện kế để đo sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật khi đốt nóng chúng Trong hai vật đó, một vật là vật liệu cần nghiên cứu và vật kia có tính trơ về nhiệt Nếu mẫu bị đốt nóng có biến đổi thì bao giờ cũng kèm theo các hiệu ứng nhiệt và lúc đó trên đường DTA hoặc đường DSC sẽ xuất hiện các đỉnh (pic) tại điểm mà mẫu có sự biến đổi

Phương pháp này cho ta biết sơ bộ về các hiệu ứng nhiệt xảy ra, định tính và sơ

bộ về định lượng các hợp phần có trong mẫu mà chúng ta khảo sát

* Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)

Nguyên tắc:

Phương pháp này dựa vào sự thay đổi trọng lượng của mẫu cần nghiên cứu khi

ta đem nung nóng mẫu đó Khi mẫu được đốt nóng, trọng lượng của mẫu bị thay đổi là

cacbonat, ), SO2 (phân huỷ các hợp phần sunfua) hay do mẫu bị mất nước vật lý (ẩm – hấp phụ), nước cấu trúc (nước hiđrat – nước kết tinh trong tinh thể mẫu) Nếu cân liên tục một mẫu bị đốt nóng, ta có thể biết sự thay đổi về trọng lượng của mẫu ứng với

sự thay đổi về nhiệt độ

Kết hợp hai phương pháp DTA và TGA cho phép xác định sự biến thiên trọng lượng, hiệu ứng nhiệt tương ứng theo nhiệt độ đốt nóng Đây là những thông số cho phép ta xác định được lượng nước hyđrat cũng như xác lập các phản ứng phân huỷ nhiệt có thể có cũng như dự đoán các thành phần sau từng giai đoạn tăng nhiệt độ

Các mẫu phân tích nhiệt được ghi giản đồ phân tích nhiệt trên máy Labsys TG/DSC STERAM của Pháp tại trung tâm Hóa vật liệu, khoa Hóa – trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Chế độ phân tích nhiệt như sau:

+ Môi trường không khí

2.3.2.1.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Nguyên tắc:

Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một quy luật xác định Khi chùm tia Rơnghen tới bề mặt tinh thể và đi vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng lưới này đóng vai trò như một cấu tử nhiễu xạ đặc biệt Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X tới sẽ tạo thành các tâm phát ra các tia phản xạ Mặt khác, các nguyên tử,

ion này được phân bố trên các mặt phẳng song song Do đó, hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau được tính như sau:

Trong đó:

d: là độ dài khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song

Hình 2.1: Sự nhiễu xạ tia X trên bề mặt tinh th

Theo điều kiện giao thoa, để các sóng phản xạ trên hai mặt phẳng cùng pha thì hiệu quang trình phải bằng số nguyên lần độ dài bước sóng Do đó:

n =1,2,3,

Đây là hệ thức Vufl- Bragg, là phương trình cơ bản để nghiên cứu cấu trúc

d theo hệ thức Vufl- Bragg So sánh giá trị d tìm được với d chuẩn sẽ xác định được thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu Vì vậy, phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật chất