Tổng hợp chất màu cho gốm sứ trên nền khoáng spinen magie ferit

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA: TỰ NHIÊN - KỸ THUẬT --- ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TỔNG HỢP CHẤT MÀU CHO GỐM SỨ TRÊN NỀN KHOÁNG SPINEN MAGIE FERIT Giảng viên hướng dẫn Sinh vi

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA TỰ NHIÊN - KỸ THUẬT

-

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

TỔNG HỢP CHẤT MÀU CHO GỐM SỨ TRÊN NỀN KHOÁNG SPINEN MAGIE FERIT

Quảng Bình, năm 2013

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA: TỰ NHIÊN - KỸ THUẬT

-

TỔNG HỢP CHẤT MÀU CHO GỐM SỨ TRÊN NỀN KHOÁNG SPINEN MAGIE FERIT

Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện Nguyễn Mậu Thành Dương Đình Quân

Nguyễn Thị Thiên Nga

Quảng Bình, năm 2013

Trang 3

HỘI ĐỒNG NGHIỆM THU

-

- Chủ tịch:

- Thư ký:

- Ủy viên phản biện 1:

- Ủy viên phản biện 2:

- Ủy viên Hội đồng:

Trang 4

A MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Từ thủa sơ khai tới nay, các sản phẩm làm từ gốm sứ đều có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất Cùng với công nghệ hiện đại các sản phẩm gốm sứ ngày càng

đa dạng về chủng loại và tính đa năng ngày càng cao Các sản phẩm gốm sứ không chỉ để

làm đẹp, trang trí mà còn làm các vật liệu kỹ thuật cao trong nghành công nghiệp điện

tử

Hiện tại nghành công nghiệp gốm sứ đang có bước phát triển nhanh chóng do các sản phẩm gốm sứ ngày càng đáp ứng được thị hiếu của khách hàng Tuy vậy giá cả các

sản phẩm gốm sứ đang còn cao, một phần là do nước ta phải nhập chất màu từ nước ngoài

với giá thành rất cao

Sản xuất chất màu cho gốm sứ là một nghành tương đối mới ở nước ta Ở nước ta vẫn chưa có một nhà máy nào sản xuất chất màu phục vụ cho sản xuất gốm sứ, do đó mà

sức cạnh tranh của gốm Việt còn thấp Trong tự nhiên nước ta có nhiều khoáng vật có

màu nhưng hàm lượng không cao, nhiều tạp chất, không đáp ứng được tiêu chuẩn chất

màu gốm sứ Chất màu cho gốm sứ phải vừa chịu được tác động của nhiệt độ, phải có đặc

tính hóa lí tốt, hơn nữa phải có màu sắc đẹp

Các hợp chất spinen có giá trị rất lớn trong kỹ thuật Chúng được sử dụng làm bột màu, vật liệu chịu lửa, vật liệu kỹ thuật điện tử, đá quý,… Do đó vấn đề nghiên cứu tổng

hợp spinen và các tính chất, cơ, điện của chúng là đối tượng nghiên cứu của nhiều nhà

khoa học

Trong công nghiệp sản xuất chất màu cho gốm sứ thì các cấu trúc mạng lưới tinh thể thường dùng là: Spinen, Zircon, cordierrit, corundum, grenat trong đó hệ tinh thể

spien là phong phú nhất Các chất màu thuộc hệ này thường có màu sắc tươi sáng, bền

nhiệt và bền hóa tốt do đó được sử dụng rất phổ biến

Xuất phát từ thực tế cấp thiết trên chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là: "Tổng hợp chất màu cho gốm sứ trên nền khoáng spinen magie ferit"

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Từ hóa chất và dụng cụ có sẵn trong phòng thí nghiệm, tổng hợp spinen và chất màu

Trang 5

- Nghiên cứu sản phẩm sau khi tổng hợp tổng hợp được và khả năng tạo màu của

nó

3 Khách thể và đối tượng nghiên cứu

Spinen và chất màu cho gạch men, gốm sứ

4 Tình hình nghiên cứu

Spinen magie ferit và chất màu pha tạp đồng đã được nghiên cứu tổng hợp và có

ứng dụng rỗng rãi trên thế giới tuy nhiên ở Việt Nam đây còn là một công việc khá mới

mẻ và chưa được quan tâm nhiều

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

Xây dựng được quy trình tổng hợp spinen trong phòng thí nghiệm

6 Phạm vi đề tài

- Nội dung: Tổng hợp spinen magie ferit và chất màu pha tạp đồng

- Thời gian: 6 tháng bắt đầu từ 11/2012 và kết thúc 4/2013

- Địa điểm: Phòng thí nghiệm thực hành hoá học - Trường Đại học Quảng Bình

7 Phương pháp nghiên cứu

- Tra cứu tài liệu nói về các phương pháp tổng hợp chất màu

- Phương pháp thực nghiệm, phòng thí nghiệm

- Áp dụng các phương pháp vật lý hiện đại để nghiên cứu cấu trúc spinen

8 Đóng góp của đề tài

+ Về mặt khoa học: Xây dựng và bổ sung thêm phương pháp tổng hợp spinen và

chất màu trong phòng thí nghiệm

+ Về mặt thực tiễn: Đánh giá phản ứng tổng hợp spinen ở pha rắn

9 Cấu trúc đề tài

Đề tài có cấu trúc gồm 3 phần

A Mở đầu:

1 Lý do chọn đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Khách thể và đối tượng nghiên cứu

4 Tình hình nghiên cứu đề tài

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

6 Phạm vi đề tài

Trang 6

7 Phương pháp nghiên cứu

8 Đóng góp của đề tài:

9 Cấu trúc của đề tài

B Nội dung

Chương 1: Tổng quan về lý thuyết

Chương 2: Nội dung và thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và thảo luận

C Kết luận, kiến nghị

Trang 7

B NỘI DUNG Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT

1.1 CÁC KHÁI NIỆM GỐM SỨ

Hình 1.1 Một số sản phẩm gốm sứ

Gốm là danh từ chỉ những sản phẩm được gia công từ những nguyên liệu chủ yếu là cao lanh và đất sét được tạo hình, sấy và nung đến nhiệt độ kết khối Có thể chia gốm

thành hai loại theo cấu trúc của nó:

- Gốm thô: Là các sản phẩm chưa kết khối hoặc kết khối chưa cao, thường có màu nâu vò lẫn sắt, có thể tráng men hoặc không tráng men, bề mặt thô, cấu trúc không sít đặc,

cỡ hạt lớn

+ Vật liệu xây nhà: gạch chỉ, gạch rỗng, khối sành rỗng, tấm panen

+ Vật liệu lợp: ngói lợp + Sản phẩm ống sành, chum, vại + Sản phẩm trang trí: sành lát diện, gạch lát, các tấm hoa văn

- Gốm mịn: là những sản phẩm có độ kết khối cao, đồng nhất, cỡ hạt mịn, độ hút nước bé Sản phẩm thường được bọc một lớp men mỏng, đa số có màu trắng

+ Những sản phẩm có độ kết khối cao, sít đặc, cứng gồm sứ điện, sứ vệ sinh, sứ

dân dụng, sành dạng đá, sành dân dụng, sành chịu axit và sành chịu lửa

+ Những sản phẩm xốp: ít cứng hơn gồm bán sứ dân dụng, sành

+ Vật liệu chịu lửa: thiết bị làm việc được ở nhiệt độ cao như gạch dinat, samot, cromanhedi

+ Gốm đặc biệt: dùng trong lỹ thuật radio, trong kỹ thuật điện và điện tử, buồng

Trang 8

đốt phản ứng hạt nhân, động cơ phản lực và tên lửa, các loại chịu lửa cao cấp

Vật liệu gốm sứ có đặc tính chung là có độ cứng cao, bền nhiệt và bền với môi trường nhưng có nhược điểm chung là giòn và dễ vỡ khi va chạm Vật liệu gốm có thể

phân chia thành 2 loại theo nguyên liệu và phương pháp sản xuất là gốm truyền thống và

gốm kỹ thuật

* Gốm truyền thống Gốm truyền thống thường làm từ cao lanh và đất sét, thành phần của nó chủ yếu là

silicat và aluminat Các công đoạn sản xuất gốm truyền thống thường là trộn phối liệu, tạo

hình, sấy khô và nung kết khối Một số sản phẩm đòi hỏi tính thẩm mĩ thì có thêm giai

đoạn tráng men và trang trí màu

* Gốm kỹ thuật Là hỗn hợp các oxit nguyên chất của các nguyên tố đất hiếm, ferit, zirconat, cacbua của các kim loại

1.2 CHẤT MÀU

1.2.1 Màu sắc

Bảng 1.1 Màu tia bị hấp thụ và màu tia ló trong vùng khả kiến

Bước sóng của dải hấp thụ

Chất màu cho gốm sứ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, có khả năng bền màu

Trang 9

dưới tác dụng của điều kiện khắc nhiệt

Màu của khoáng vật là do chúng hấp thụ ánh sáng có chọn lọc, nếu hấp thụ toàn bộ

ánh sáng trắng chiếu vào nó thì có màu đen, ngược lại nếu nó phản xạ toàn bộ các tia sáng

thì có màu trắng Khi chất màu hấp thụ một trong số các tia sáng thì chùm tia ló sẽ có

màu

1.2.2 Các yếu tố gây màu

Các khoáng vật có màu là do việc hấp thụ có chọn lọc các tia sáng, điều này được giải thích là do sự chuyển dịch điện tử trong phân tử chất màu dẫn tới sự hấp thụ bức xạ

điện từ bao gồm: Sự chuyển điện tử lên các mức năng lượng cao hơn trong các nguyên tố,

các ion hay giữa chúng với nhau, sự chuyển điện tử do khuyết tật hay sự chuyển mức

năng lượng

a Sự chuyển dịch electron trong các nguyên tố gây màu

Trong ion các kim loại chuyển tiếp có các electron ở phân lớp d và phân lớp f Khi chưa có kích thích, các electron này có mức năng lượng thấp chuyển động ở trạng thái cơ

bản Khi bị kích thích, có ánh sáng chiếu vào thì các electron này sẽ hấp thụ năng lượng

thích hợp ứng với một tia nào đó trong chùm ánh sáng chiếu vào để chuyển lên obitan có

mức năng lượng cao hơn (gọi là trạng thái kích thích) làm cho ánh sáng truyền qua có

màu

Khoáng vật có màu do sự chuyển mức năng lượng của các electron thuộc phân lớp 3d thường xảy ra trong các ion kim loại chuyển tiếp như Cr3+, Fe3+, Fe2+,… Còn với các

nguyên tố họ lantanoit màu được tạo ra thông qua sự chuyển mức năng lượng của các

electron 4f như các khoáng của nguyên tố họ f

b Sự chuyển electron giữa các nguyên tố trong cùng một tinh thể

Trong một tinh thể electron có thể chuyển từ nguyên tố này sang nguyên tố khác, giữa ion này với ion khác do sự kích thích bởi các tia sóng có mức năng lượng cao như tia

cực tím Electron có thể dễ dàng chuyển dịch khi các nguyên tố ở gần nhau, trong một

nguyên tố có nhiều mức oxi hóa và giữa các ion đồng hình thay thế

c Sự chuyển electron do khuyết tật trong mạng lưới tinh thể

Về mặt nhiệt động học sự hình thành khuyết tật ở một mức độ nào đó là có thuận lợi về mặt năng lượng Tinh thể hoàn thiện là tinh thể mà trong đó các tiểu phân (nguyên

Trang 10

tử, ion ) được phân bố vào đúng vị trí nút mạng lưới của nó một cách hoàn toàn có trật

tự Tinh thể hoàn thiện như vậy chỉ là trường hợp lí tưởng và ở 00K Khi nhiệt độ tăng lên

thì các tiểu phân ở các mạng lưới dao động mạnh dần và có thểrời khỏi vị trí của nó để đi

vào các hốc trống giữa các nút mạng, còn vị trí nút mạng của nó thì trở thành lỗ trống

Mạng lưới lúc này sẽ có chỗ mất trật tự Có thể nói tất cả các tinh thể thực đều là mạng

lưới không hoàn thiện và có chứa các loại khuyết tật khác nhau Ngay như đơn tinh thể

kim cương được gọi là hoàn thiện nhất cũng có chứa khuyết tật tuy với nồng độ rất

nhỏ(<1%) Phần lớn các tinh thể thực có nồng độ khuyết tật tới trên 1%

1.2.3 Các tiêu chuẩn để đánh giá chất màu gốm sứ

- Gam màu: là tính đơn màu của màu sắc

- Tông màu: là tên gọi 1 màu, mô tả sắc điệu của màu, được quy định bởi bước sóng trội của màu

- Độ sáng: được đánh giá bằng phần trăm các tia phản chiếu so với tổng của chùm tia tới

- Cường độ màu: là khả năng phát màu

- Độ bền màu: là khả năng chống chịu của các chất màu trước các điều kiện so sánh

- Độ phân tán: là sự phân bố các hạt màu lên bề mặt sản phẩm

- Độ thuần sắc (độ bão hòa): mức độ tinh khiết của màu, được đánh giá bằng tỉ lệ

của độ ánh thành phần đơn sắc so với độ ánh chung Màu đơn sắc có độ thuần sắc

100% Màu vô sắc có độ thuần sắc 0%

- Độ sáng: mức độ sáng tối của 1 màu, được đánh giá bằng phần trăm của tia phản chiếu so với tổng chùm tia tới

1.2.4 Cơ sở hóa lí về tổng hợp chất màu cho gốm sứ

Các chất màu gốm sứ được tổng hợp trên cơ sở đưa các ion kim loại vào mạng lưới tinh thể của một chất nền Việc này xảy ra giữa các oxit, các muối trong pha rắn

Ion gây màu trong trạng thái xâm nhập, thay thế hoặc ở dạng tạp chất, vì có cấu trúc không hoàn chỉnh mà mạng lưới tinh thể bị biến đổi dẫn tới sự thay đổi cấu trúc lớp

vỏ điện tử dẫn tới sự hấp thụ ánh sáng có chọn lọc

Trang 11

1.2.5 Các nguyên tố gây màu và một số hợp chất tạo màu phổ biến

Các chất màu thường chứa các oxit các nguyên tố hóa trị II như Cu, Be, Mg, Ca,

Sr, Ba, Zn, Cd, Pb, Mn, Fe, Co, Ni, các nguyên tố hóa trị III như Al, Cr, Mn, Fe, Ga, In,

La, Ti, V, Sb Trong các nguyên tố này các phân lớp điện tử d, f chưa được lấp đầy điện

tử, vì vậy khi bị kích thích thì nó có thể phân mức năng lượng và hấp thụ có chọn lọc ánh

sáng

Bảng 1.2 Các hệ nguyên tố hóa học cơ bản sử dụng để sản xuất chất mầu gốm sứ

Màu

Xanh Xanh lá

Co-Zn Co-Cr-Zn Pb-Sb-Sn PbCrO 4

Fe-Cr-Mn

F e-Cr-Co-

C r-Cu

B aCrO 4

S rCrO 4

Z

Trang 12

nCrO 4

Việc sử dụng các hệ hóa học trên có thể tạo ra một dãy các tông màu khác nhau khi thay đổi tỉ lệ các chất trong thành phần của chúng

a Hợp chất của côban ( Co)

Oxit coban CoO - bột màu ô liu, ở nhiệt độ 2800oC bắt đầu phân hủy giải phóng oxy, ở 18oC nó hấp thụ oxy tạo thành Co3O4 Thu nhận CoO bằng cách đun nóng Co hoặc

Co(OH)2 và Co(CO3)2

Clorit coban CoCl2.6H2O - tinh thể màu đỏ hoặc màu da cam, ở 49oC mất 2 phân tử nước, ở 58oC mất thêm 2 phân tử nước ở 90oC còn lại 1 phân tử nước, nó bị mất nước

hoàn toàn tạo ra CoCl2 ở 140oC có màu xanh tím

Nitrat coban Co(NO3)2.6H2O - tinh thể màu đỏ rực, hút nước và dễ tan trong nước

Sunfat coban CoSO4.7H2O - tinh thể màu hồng, dễ tan trong nước

Cacbonat coban CoCO3 - màu hồng, dễ phân hủy, dễ tan trong axit Axetat coban (CH3COO)2Co - tinh thể màu đỏ, tan trong nước

Co3O4 - bột màu nâu

Co2O3 - bột màu đen xám, không tan trong nước, tan trong axit tách O2 và tạo muối hóa trị II

b Các hợp chất của Crôm ( Cr )

Ôxit crôm Cr2O3 - hạt tinh thể khó nóng chảy, màu xanh lá cây sẫm, không tan trong nước cũng như axit hay kiềm đặc biệt nó rất bền với môi trường Trong thiên nhiên

thường gặp FeO.Cr2O3

Hidroxit crôm Cr(OH)3.2H2O - bột vô định hình màu xám hay là xanh xám, tan trong axit, không tan trong nước

Clorua crôm CrCl3.6H2O - tồn tại ở dạng tinh thể hoặc bột nhỏ màu xanh lá cây sẫm, không tan trong nước, tan trong axit

Nitrat crôm Cr(NO3)3.9H2O - tinh thể màu đen, dễ tan trong nước

Sunfat crôm Cr2(SO4)3.6H2O - bột màu xanh lá cây hoặc các phiến màu xanh lá

cây sẫm, tan trong nước

Phèn crôm K2Cr2(SO4).12H2O - các tinh thể màu tím sẫm, tan trong nước

Trang 13

Crômit FeO.Cr2O3 có màu nâu đen, thường chứa tạp chất magie hoặc nhôm khi ở

dạng khoáng

Anhidric crôm CrO3 - tinh thể màu đỏ sẫm ngậm nước, là chất oxi hóa mạnh

Bicrômat kali K2Cr2O7 - tinh thể màu vàng da cam, dễ tan trong nước, ở nhiệt độ

cao dễ phân hủy

c Các hợp chất sắt ( Fe )

Sunfat sắt FeSO4.7H2O - tinh thể màu xanh lá cây sáng, dễ tan trong nước

Oxit sắt Fe2O3 - dạng bột màu gạch từ đỏ nho đến đỏ sẫm

Clorua sắt FeCl3.6H2O - tinh thể màu vàng, rất hút ẩm, tan trong nước, rượu và ete

Nitrat sắt Fe(NO3)3.9H2O - tinh thể trong suốt màu tím nhạt, tan trong nước

d Hợp chất mangan ( Mn )

Sunfat mangan MnSO4.nH2O ( n=1:7) có màu hồng nhạt Oxit mangan Mn2O3 - dạng bột màu nâu sẫm hoặc màu đen, ở nhiệt độ lớn hơn

940oC nó phân hủy tạo ra Mn3O4 và O2

Mangan dioxit MnO2 - bột màu đen, là một oxit lưỡng tính

e Hợp chất niken ( Ni )

Oxit niken NiO - bột màu vàng, bền ở nhiệt độ cao Không tan trong NH3 và axit đậm đặc

Nitrat niken Ni(NO3)2.6H2O - dạng tinh thể màu xanh lá cây pha vàng, tan trong nước và rượu

Sunfat niken NiSO4.7H2O - tinh thể màu xanh lá cây pha vàng, tan trong nước

Axetat niken (CH3COO)2Ni - tinh thể màu xanh lá cây, tan trong nước

Oxit niken Ni2O3 - bột màu đen, không tan trong nước, thường chứa một lượng nước thay đổi

f Các hợp chất của đồng ( Cu )

Oxit đồng Cu2O - bột tinh thể màu đỏ tươi, không tan trong nước

Oxit đồng CuO - dạng bột hoặc cục xốp màu đen, không tan trong nước nhưng tan trong dung dịch NH3 tạo ra dung dịch màu xanh

Nitrat đồng Cu(NO3)2.3H2O - tinh thể màu xanh đen, tan tốt trong nước và rượu

Sunfat đồng CuSO4.5H2O - tinh thể lớn màu xanh tím, dễ tan trong nước

Trang 14

g Các hợp chất của kẽm ( Zn )

Oxit kẽm ZnO - bột màu trắng, không tan trong nước, đun nóng có màu vàng, để

nguội trở về màu trắng

Clorit kẽm ZnCl2 - tinh thể màu trắng, tan trong nước

Sunfat kẽm ZnSO4.7H2O - tinh thể mịn màu trắng, rất dễ tan trong nước

Axetat kẽm (CH3COO)2Zn.2H2O - tinh thể màu trắng, dễ tan trong nước

h Các hợp chất của chì ( Pb )

Chì oxit PbO - bột vô định hình màu vàng

Axetat chì (CH3COO)2Pb - tinh thể màu trắng, tan trong nước

Minium Pb3O4 - bột tinh thể mịn có màu từ đỏ da cam tới đỏ

1.2.6 Phân loại màu theo vị trí trang trí giữa men và màu

- Màu trên men hay chất màu nhẹ lửa: Chất màu trên men được sử dụng để trang trí các sản phẩm gốm xốp và sứ, chúng được phủ một lớp mỏng lên bề mặt sản phẩm đã

phủ men và nung sơ bộ Chúng tạo ra trên bề mặt một lớp phim mỏng, gắn chặt với

xương gốm khi nung trong lò nung ở nhiệt độ 7200C- 8500C Các chất màu sau khi nung

thường có độ bóng đẹp và tông màu rất sáng nhưng độ bền kém hơn so với các chất màu

dưới men Các loại màu trên men có chủng loại khá phong phú

- Màu dưới men hay màu nặng lửa: Chất màu dưới men thường được phủ trực tiếp lên các sản phẩm đã nung sơ bộ hoặc đã sấy khô sau đó được phủ men và nung cùng

nhau Các chất màu này bám chặt trên sản phẩm và có màu rất đẹp tuy vậy số lượng chất

màu loại này là không nhiều do phải chịu được nhiệt độ rất cao Do vậy các chất màu như

vậy trở nên rất quý giá và nội dung nghiên cứu của rất nhiều công trình

- Màu trong men: Chất màu được tổng hợp từ trước rồi được vào trong men Các hạt màu sẽ phân bố, hòa tan lẫn vào men nóng chảy

1.3 PHẢN ỨNG GIỮA CÁC PHA RẮN

1.3.1 Phản ứng giữa các pha rắn theo cơ chế khuếch tán Wagner

Khác với phản ứng ở pha khí và pha lỏng, các phản ứng ở pha rắn thường rất khó

xảy ra ở điều kiện thường, nó chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao nhưng với tốc độ chậm, do các

phân tử chất rắn tồn tại ở trạng thái tinh thể, liên kết rất chặt chẽ với nhau trong mạng tinh

thể Phản ứng diễn ra qua hai giai đoạn là:

Trang 15

Giai đoạn 1: Chuyển chất tới vùng phản ứng - miền khuếch tán (Tạo mầm) Giai đoạn 2: Thực hiện phản ứng trên bề mặt - miền động học (phát triển mầm) -> Giai đoạn chậm nhất quyết định tốc độ phản ứng

MgO + Fe2O3 -> MgFe2O4

Phản ứng là thuận lợi về mặt nhiệt động nhưng về mặt động học thì phản ứng xảy

ra rất chậm ngay cả khi được đun nóng ở nhiệt độ cao Trong quá trình phản ứng phải làm

đứt một số liên kết trong các chất, và phải khuếch tán được các ion vào miền động học do

vậy đòi hỏi một năng lượng rất lớn

Mô hình phản ứng:

Trên bề mặt Fe2O3/MgFe2O4: 3Mg2+ + 4Fe2O3 ->2Fe3+ + 3MgFe2O4

Ion Mg2+ và O2- khuếch tán qua lớp sản phẩm sang Fe2O3 và ngược lại ion Fe3+ và

O2- khuếch tán qua MgO do đó mà sản phẩm được tạo thành từ cả hai phía

Định dạng
Số trang	31
Dung lượng	1 MB