Luận văn Nghiên cứu tổng hợp gốm Akermanite 2CaO.MgO.2SiO₂ và ảnh hưởng của Oxit TiO₂, ZrO₂ đến cấu trúc và tính chất của gốm

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu tổng hợp gốm Akermanite 2CaO.MgO.2SiO₂ và ảnh hưởng của Oxit TiO₂, ZrO₂ đến cấu trúc và tính chất của gốm

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- VŨ THỊ MAI ANH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP GỐM AKERMANITE 2CaO.MgO.2SiO2 VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA OXIT TiO2, ZrO2 ĐẾN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA GỐM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2011
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- VŨ THỊ MAI ANH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP GỐM AKERMANITE 2CaO.MgO.2SiO2 VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA OXIT TiO2, ZrO2 ĐẾN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA GỐM Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 60 44 25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nghiêm Xuân Thung Hà Nội – Năm 2011
3. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 1 Chƣơng 1- TỔNG QUAN ........................................................................................................ 2 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU GỐM ................................................ 2 1.1.1. Vật liệu gốm ............................................................................................ 2 1.1.2. Các phƣơng pháp tổng hợp gốm ............................................................. 3 1.1.2.1. Phương pháp sol-gel .................................................................. 3 1.1.2.2. Phương pháp đồng kết tủa ........................................................ 3 1.1.2.3. Phương pháp phân tán rắn - lỏng ............................................. 4 1.1.2.4. Phương pháp điều chế gốm truyền thống .................................. 4 1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ BẬC BA CaO-MgO-SiO2............................. 4 1.2.1. Khái quát về các oxit trong hệ CaO-MgO-SiO2 ...................................... 5 1.2.1.1. Canxi oxit (CaO) ..................................................................... 5 1.2.1.2. Magie oxit (MgO) ..................................................................... 5 1.2.1.3. Silic oxit (SiO2) ......................................................................... 6 1.2.2. Khái quát về các oxit TiO2, ZrO2 ............................................................ 6 1.2.2.1. Titan (IV) oxit: .......................................................................... 6 1.2.2.2. Ziriconi đioxit: ........................................................................... 7 1.2.3 Giới thiệu về talc ....................................................................................... 7 1.2.3.1. Nguồn gốc hình thành talc ........................................................ 7 1.2.3.2. Thành phần hóa học và thành phần khoáng talc ...................... 8 1.2.3.3. Cấu trúc của talc ...................................................................... 9 1.2.3.4. Tính chất của talc ................................................................... 10 1.2.3.5. Ứng dụng của talc ................................................................... 11 1.2.4. Khái quát về gốm hệ CaO- MgO-SiO2 ....................................... 11 1.3. GIỚI THIỆU VỀ GỐM AKERMANITE: 2CaO.MgO.2SiO2 ...................... 13 1.3.1. Cấu trúc của Akermanite ................................................................... 13 1.3.2. Tính chất của gốm Akermanite (2CaO.MgO.2SiO2) ............................. 14 1.3.3. Ứng dụng của gốm Akemanite .............................................................. 14 1.4. GIỚI THIỆU PHẢN ỨNG GIỮA PHA RẮN .............................................. 14 1.4.1. Cơ chế phản ứng giữa các pha rắn ........................................................ 14 1.4.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến phản ứng giữa các pha rắn ......................... 15 1.4.3. Phản ứng phân hủy nhiệt nội phân tử ................................................... 15 1.5. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................... 16
4. 1.5.1. Phƣơng pháp phân tích nhiệt ................................................................ 16 1.5.2. Phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ tia X .................................................. 17 1.5.3. Hình ảnh quét bằng kính hiển vi điện tử SEM ..................................... 18 1.5.4. Phƣơng pháp xác định các tính chất vật lí ............................................. 19 1.5.4.1. Xác định độ co ngót khi nung .................................................. 19 1.5.4.2. Xác định độ hút nước .............................................................. 19 1.5.4.3. Xác định khối lượng riêng bằng phương pháp Acsimet .......... 20 1.5.4.4. Xác định cường độ nén ........................................................... 20 1.5.4.5. Hệ số giản nở nhiệt ................................................................. 21 1.5.4.6. Độ bền sốc nhiệt ...................................................................... 22 1.5.4.7. Độ chịu lửa ............................................................................. 22 Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................................. 24 2.1. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN ......................................... 24 2.1.1. Mục tiêu của luận văn ........................................................................... 24 2.1.2. Các nội dung nghiên cứu của luận văn ................................................. 24 2.2. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT ...................................................... 24 2.2.1. Hóa chất ................................................................................................ 24 2.2.2. Dụng cụ .................................................................................................. 24 2.3. THỰC NGHIỆM ........................................................................................... 25 2.3.1. Chuẩn bị mẫu ......................................................................................... 25 2.3.2. Cách làm ................................................................................................ 26 2.4. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH GỐM AKERMANITE ..................................................................... 27 2.4.1. Phân tích nhiệt mẫu nghiên cứu ................................................. 27 2.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành gốm Akermanite ....................................................................................................... 27 2.4.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành gốm bằng phương pháp XRD. ............................................................. 28 2.4.2.2.Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành gốm bằng phương pháp SEM .............................................................. 28 2.4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến các tính chất cơ, lý của vật liệu ........................................................................................... 28 2.4.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành tinh thể Akermanite ............................................................ 28
5. 2.4.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành Akermanite bằng phương pháp XRD ..... 28 2.4.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành Akermanite bằng phương pháp SEM .......................... 29 2.4.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến các tính chất của vật liệu ........................................................ 29 Chƣơng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................................... 31 3.1. Kết quả phân tích nhiệt của các mẫu nghiên cứu .......................................... 31 3.1.1. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu M1 (talc, SiO2, canxi cacbonat) ......... 31 3.1.2. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu M2 (talc, SiO2, CaCO3, TiO2) ............ 32 3.1.3. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu M7 (talc, SiO2, CaCO3, ZrO2) ........... 33 3.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành Akermanite ........... 34 3.2.1. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X ( X- Ray) ........................................... 34 3.2.2. Kết quả ảnh SEM ....................................................................... 39 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến tính chất của vật liệu ........... 40 3.3. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành akermanite và tính chất của gốm .......................................................................... 40 3.3.1. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X ( X- Ray) ........................................... 40 3.3.2. Kết quả ảnh SEM ................................................................................... 43 3.3.3. Ảnh hƣởng của titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến các tính chất của vật liệu .................................................................................................................... 45 3.3.3.1. Độ co ngót ................................................................................ 45 3.3.3.2. Độ hút nước ............................................................................. 48 3.3.3.3. Độ xốp, khối lượng riêng ......................................................... 49 3.3.3.4. Cường độ kháng nén ............................................................... 51 3.3.3.5. Hệ số giãn nở nhiệt .................................................................. 51 3.3.3.6. Độ bền sốc nhiệt ...................................................................... 52 3.3.3.7. Độ chịu lửa .............................................................................. 53 KẾT LUẬN ............................................................................................................................. 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 56
6. MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Phương pháp gốm truyền thống để sản xuất vật liệu gốm ................................... 4 Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể talc ................................................................................................ 9 Hình 1.3. Hệ bậc ba CaO – MgO – SiO2 ............................................................................. 12 Hình 1.4. Cấu trúc akermanite ............................................................................................... 13 Hình 1.5. Sơ đồ khối của thiết bị phân tích nhiệt ................................................................. 17 Hình 1.6. Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg ...................................................................... 18 Hình 1.7. Sơ đồ khối các bộ phận của kính hiển vi điện tử quét ........................................ 19 Hình 1.8. Mô hình thiết bị đo cường độ kháng nén ............................................................. 21 Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp mẫu M1 ................................................... 31 Hình 3.2. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp mẫu M2 ................................................... 32 Hình 3.3. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp mẫu M7 ................................................... 33 Hình 3.6.Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1050 .............................................................. 35 Hình 3.6.Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1100 .............................................................. 36 Hình 3.6.Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1150 .............................................................. 36 Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1200 ............................................................. 37 Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cƣờng độ pha akermanite vào nhiệt độ ............. 39 Hình 3.9.Ảnh SEM của mẫu 1 ................................................................................................ 39 Hình 3.10.Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha Akermanite vào hàm lượng titan (IV) oxit. .................................................................................................................................... 42 Hình 3.11.Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha Akermanite vào hàm lượng ziriconi (IV) oxit. ...................................................................................................................... 42 Hình 3.12. Ảnh SEM của mẫu M1 ......................................................................................... 44 Hình 3.13. Ảnh SEM của mẫu M7 ......................................................................................... 44 Hình 3.14. Ảnh SEM của mẫu M11 ...................................................................................... 45 Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn độ co ngót của các mẫu với hàm lượng TiO2 khác nhau ..... 47 Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn độ co ngót của các mẫu với hàm lượng ZrO2 khác nhau ... 47 Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn độ hút nước phụ thuộc vào hàm lượng TiO2 ......................... 49 Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn độ hút nước phụ thuộc vào hàm lượng ZrO2 ........................ 49
7. MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Thông số cấu trúc của talc .................................................................................... 10 Bảng 1.2. Tiêu chuẩn chất lượng khoáng talc theo ISO (ISO 3262) [20] ......................... 11 Bảng 2.1: Thành phần các khoáng trong các mẫu .............................................................. 26 Bảng 3.1.Cường độ pic đặc trưng của các pha tinh thể phụ thuộc vào nhiệt độ nung .... 38 Bảng 3.2. kết quả xác định các tính chất vật lí của các mẫu ở nhiệt độ nung khác nhau........................................................................................................................ 40 Bảng 3.3. Các pic đặc trƣng của các pha tinh thể...............................................41 Bảng 3.4. Kết quả xác định độ co ngót của các mẫu với hàm lượng titan (IV) oxit khác nhau. ......................................................................................................................................... 46 Bảng 3.5. Kết quả xác định độ co ngót của các mẫu với hàm lƣợng ziriconi (IV) oxit khác nhau. .......................................................................................................................................... 46 Bảng 3.6. Kết quả đo độ hút nước của các mẫu với hàm lượng TiO2 khác nhau ............ 48 Bảng 3.7. Kết quả đo độ hút nước của các mẫu với hàm lượng ZrO2 khác nhau ............ 48 Bảng 3.8. Độ xốp và khối lƣợng riêng của các mẫu với hàm lƣợng titan(IV) oxit khác nhau nung ở 12000C trong 1h .......................................................................................................... 50 Bảng 3.9. Độ xốp và khối lƣợng riêng của các mẫu với hàm lƣợng ziriconi (IV) oxit khác nhau nung ở 12000C trong 1h ................................................................................................ 50 Bảng 3.10. Kết quả đo cường độ nén .................................................................................... 51 Bảng 3.11. Hệ số giãn nở nhiệt của các mẫu ....................................................................... 52 Bảng 3.12. Độ bền sốc nhiệt của các mẫu ............................................................................ 52 Bảng 3.13. Độ chịu lửa của các mẫu .................................................................................... 53
8. BẢNG CHÚ GIẢI CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU, ĐƠN VỊ ĐO DTA: Phân tích nhiệt vi sai TG: Đƣờng khối lƣợng SEM: Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) XRD: Nhiễu xạ tia X TEM: Kính hiển vi điện tử truyền qua (Tranmission Electron Microscope) TOT: Tệp ba lá trong lớp silicat lớp Ng-Np: Lƣỡng chiết suất a: Thông số ô mạng theo phƣơng OX b: Thông số ô mạng theo phƣơng OY c: Thông số ô mạng theo phƣơng OZ dhkl: Khoảng cách giữa các mặt thuộc họ(hkl)
9. Luận văn thạc sỹ khoa học Hoá học vô cơ MỞ ĐẦU Công nghiệp gốm sứ là một trong những ngành cổ truyền được phát triển rất sớm. Từ hơn 9000 năm trước công nguyên vật liệu gốm đã được con người biết đến và sử dụng. Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, vật liệu gốm càng ngày càng được sử dụng rộng rãi, đặc biệt sự ra đời của nhiều loại gốm mới với nhiều đặc tính ưu việt đang trở thành đề tài được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm nghiên cứu. Gốm Akermanite (2CaO.MgO.2SiO2) được biến tính bởi các nguyên tố kim loại là một trong những loại gốm mới có nhiều tính chất vượt trội: như có độ bền cơ học cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, không phản ứng với axit, bazơ, với tác nhân oxi hóa, có hoạt tính sinh học, không có tính độc với sự phát triển của tế bào Với những đặc tính như vậy nên gốm Akermanite được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau: công nghệ xây dựng, công nghệ điện, điện tử, sinh học Do vậy, việc nghiên cứu tổng hợp gốm Akermanite sẽ góp phần vào sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu gốm. Hiện nay có rất nhiều phương pháp tổng hợp gốm Akermanite: Phương pháp truyền thống, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp khuếch tán pha rắn vào pha lỏng Trong đó, phương pháp gốm truyền thống có nhiều ưu điểm về cách phối trộn nguyên liệu ban đầu dẫn đến sự đồng nhất cao về sản phẩm. Không những thế, xu thế hiện nay, người ta đi tổng hợp gốm Akermanite từ các khoáng chất có sẵn trong tự nhiên như: đá vôi, khoáng talc, thạch anh để thu được Akermanite có giá thành rẻ mà vẫn giữ được những đặc tính quan trọng. Với mục đích sử dụng nguồn nguyên liệu khoáng sản sẵn có của Việt Nam để sản xuất các vật liệu gốm phục vụ cho sự phát triển kinh tế của đất nước, tôi chọn đề tài cho luận văn : “Nghiên cứu tổng hợp gốm Akermanite 2CaO.MgO.2SiO2 và ảnh hưởng của oxit TiO2, ZrO2 đến cấu trúc và tính chất của gốm ”. Vũ Thị Mai Anh-CHHK20 1
10. Luận văn thạc sỹ khoa học Hoá học vô cơ Chƣơng 1- TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU GỐM 1.1.1. Vật liệu gốm [6] Gốm là loại vật liệu có cấu trúc tinh thể bao gồm các hợp chất giữa kim loại và á kim như: kim loại với oxi (các oxit), kim loại với nitơ (các nitrua), kim loại với cacbon (các cacbua), kim loại với silic (các silixua), kim loại với lưu huỳnh (các sunfua) Liên kết chủ yếu trong vật liệu gốm là liên kết ion, tuy nhiên cũng có trường hợp liên kết cộng hóa trị đóng vai trò chính. Vật liệu gốm có nhiều đặc tính quí về cơ, nhiệt, điện, từ, quang do đó đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các ngành công nghiệp. Về đặc tính cơ, vật liệu gốm có độ rắn cao nên được dùng làm vật liệu mài, vật liệu giá đỡ Về đặc tính nhiệt, vật liệu gốm có nhiệt độ nóng chảy cao, đặc biệt là hệ số giãn nở nhiệt thấp nên được dùng làm các thiết bị đòi hỏi có độ bền nhiệt, chịu được các xung nhiệt lớn (lót lò, bọc tàu vũ trụ ). Về đặc tính điện, độ dẫn điện của vật liệu gốm thay đổi trong một phạm vi khá rộng từ dưới 10 -1.cm-1 đến 10-12 -1.cm-1. Có loại vật liệu gốm trong đó phần tử dẫn điện là electron như trong kim loại, cũng có loại vật liệu gốm trong đó ion đóng vai trò là phần tử dẫn điện. Do đó ta có thể tổng hợp nhiều loại vật liệu gốm kĩ thuật khác nhau như gốm cách điện, gốm bán dẫn, gốm siêu dẫn điện Đặc tính từ của vật liệu gốm rất đa dạng. Ta có thể tổng hợp được gốm nghịch từ, gốm thuận từ, gốm sắt từ, gốm phản sắt từ với độ từ cảm thay đổi từ 0 đến 10 phụ thuộc rất đa dạng vào nhiệt độ cũng như từ trường ngoài. Về đặc tính quang, ta có thể tổng hợp được các loại vật liệu có các tính chất quang học khác nhau như vật liệu phát quang dưới tác dụng của dòng điện (chất điện phát quang), vật liệu phát quang dưới tác dụng của ánh sáng (chất lân quang) hoặc các loại gốm sử dụng trong thiết bị phát tia laze. Vũ Thị Mai Anh-CHHK20 2