Luận văn Nghiên cứu tổng hợp gốm Monticelite CaO.MgO.SiO₂ và ảnh hưởng của Oxit Fe₂O₃, Cr₂O₃ đến cấu trúc và tính chất của gốm

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu tổng hợp gốm Monticelite CaO.MgO.SiO₂ và ảnh hưởng của Oxit Fe₂O₃, Cr₂O₃ đến cấu trúc và tính chất của gốm

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THU HIỀN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP GỐM MONTICELITE CaO.MgO.SiO2 VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA OXIT Fe2O3, Cr2O3 ĐẾN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA GỐM. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI, 2011
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THU HIỀN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP GỐM MONTICELITE CaO.MgO.SiO2 VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA OXIT Fe2O3, Cr2O3 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, 2011
3. Luận văn tốt nghiệp bộ môn Hoá học vô cơ MỤC LỤC Trang 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 1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ BẬC BA CaO-MgO-SiO2 .................. 5 1.2.1. Khái quát về các oxit trong hệ CaO-MgO-SiO2 ..................................... 5 1.2.2. Khái quát về các oxit Fe2O3, Cr2O3 ......................................................... 6 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 .................................................................................. 8 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 MONTICELITE ......................................... 13 1.3.1. Cấu trúc của Monticelite ....................................................................... 13 1.3.2. Tính chất của gốm Monticelite ............................................................. 14 1.3.3. Ứng dụng của gốm Monticelite ............................................................ 14 1.4. GIỚI THIỆU PHẢN ỨNG GIỮA PHA RẮN ................................... 15 1.4.1. Cơ chế phản ứng giữa các pha rắn ...................................................... 15 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 ................................................. 16 Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................................... 17 2.1. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN .................................... 17 2.1.1. Mục tiêu của luận văn ........................................................................... 17 2.1.2. Các nội dung nghiên cứu của luận văn ................................................. 17 2.2. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT ............................................... 17 2.2.1. Hóa chất ................................................................................................ 17 2.2.2. Dụng cụ .................................................................................................. 17 Nguyễn Thu Hiền 1 Lớp cao học K20
4. Luận văn tốt nghiệp bộ môn Hoá học vô cơ 2.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................. 18 2.3.1. Phƣơng pháp phân tích nhiệt ............................................................... 18 2.3.2. Phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ tia X ................................................ 19 2.3.3. Hình ảnh quét bằng kính hiển vi điện tử SEM .................................... 20 2.3.4. Phƣơng pháp xác định các tính chất vật lí ........................................... 21 2.4. THỰC NGHIỆM ................................................................................. 25 2.4.1. Chuẩn bị mẫu ........................................................................................ 25 2.4.2. Cách làm ................................................................................................ 25 2.4.3. Phân tích nhiệt của các mẫu nghiên cứu ............................................. 26 2.4.4. Khảo sát ảnh hƣởng của Crom (III) oxit , Sắt (III) oxit đến sự hình thành Monticelite. ............................................................................................ 26 2.4.5. Khảo sát và xây dựng quy trình điều chế gốm monticelite .................. 28 Chƣơng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................................... 30 3.1. Kết quả phân tích nhiệt của các mẫu nghiên cứu ............................. 30 3.1.1. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu M1 (talc, MgO, canxi cacbonat) ..... 30 3.1.2. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu M2 (talc, MgO, CaCO3, Cr2O3) ...... 31 3.1.3. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu M7 (talc, MgO, CaCO3, Fe2O3) ...... 32 3.2. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng crom(III) oxit , sắt(III) oxit đến sự hình thành Monticelite và tính chất của gốm ................................................... 33 3.2.1. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X ( X- Ray) .......................................... 33 3.2.2. Kết quả ảnh SEM .................................................................................. 37 3.2.3. Ảnh hƣởng của crom (III) oxit và sắt (III) oxit đến các tính chất của vật liệu .................................................................................................................... 39 3.2.3.2. Độ hút nƣớc ........................................................................................ 41 3.2.3.4. Cƣờng độ kháng nén .......................................................................... 44 3.3. Xây dựng quy trình điều chế gốm Monticelite................................... 46 3.3.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành Monticelite 3.3.2. Xác định các tính chất của vật liệu ......................................................... 51 3.3.3. Quy trình điều chế gốm Monticelite ..................................................... 53 KẾT LUẬN .............................................................................................................................. 54 . TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 55 Nguyễn Thu Hiền 2 Lớp cao học K20
5. Luận văn tốt nghiệp bộ môn Hoá học vô cơ DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ DANH MỤC 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) [29] ......................... 11 Bảng 1.3 : Tính chất của Monticelite .14 Bảng 2.1: Thành phần các khoáng trong các mẫu .............................................................. 25 Bảng 3.1. Các pic đặc trưng của các pha tinh thể ............................................................... 34 Bảng 3.2. Kết quả xác định độ co ngót của các mẫu với hàm lượng crom (III) oxit khác nhau. ......................................................................................................................................... 39 Bảng 3.3. Kết quả xác định độ co ngót của các mẫu với hàm lượng sắt (III) oxit ........... 40 khác nhau. ................................................................................................................................ 40 Bảng 3.4. Kết quả đo độ hút nước của các mẫu với hàm lượng Cr2O3 khác nhau .......... 41 Bảng 3.5. Kết quả đo độ hút nước của các mẫu với hàm lượng Fe2O3 khác nhau .......... 42 Bảng 3.6. Độ xốp và khối lượng riêng của các mẫu với hàm lượng crom (III) oxit khác nhau nung ở 12000C trong 1h ................................................................................................ 43 Bảng 3.7. Độ xốp và khối lượng riêng của các mẫu với hàm lượng sắt (III) oxit khác nhau nung ở 12000C trong 1h ................................................................................................ 43 Bảng 3.8. Kết quả đo cường độ nén ...................................................................................... 44 Bảng 3.9. Hệ số giãn nở nhiệt của các mẫu ......................................................................... 45 Bảng 3.10. Độ bền sốc nhiệt của các mẫu ................................................................ 45 Bảng 3.11. Độ chịu lửa của các mẫu ........................................................................ 45 Bảng 3.12.Cường độ pic đặc trưng của các pha tinh thể phụ thuộc vào nhiệt độ nung .. 49 Bảng 3.13. Các tính chất vật lý của mẫu ở các nhiệt độ nung khác nhau ......................... 51 Bảng 3.14. Các tính chất của mẫu M11- 12000C ................................................................ 52 DANH MỤC 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 Nguyễn Thu Hiền 3 Lớp cao học K20
6. Luận văn tốt nghiệp bộ môn Hoá học vô cơ Hình 2.1. Sơ đồ khối của thiết bị phân tích nhiệt ................................................................. 19 Hình 2.2. Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg ...................................................................... 20 Hình 2.3. Sơ đồ khối các bộ phận của kính hiển vi điện tử quét......................................... 21 Hình 2.4. Mô hình thiết bị đo cường độ kháng nén ............................................................. 23 Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp .................................................................. 30 Hình 3.2. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp .................................................................. 31 Hình 3.3. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp .................................................................. 32 Hình 3.4.Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha Monticelite vào hàm lượng crom (III) oxit. .................................................................................................................................... 35 Hình 3.5.Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha Monticelite vào hàm lượng sắt (III) oxit. .............................................................................................................................. 36 Hình 3.6. Ảnh SEM của mẫu M3 ........................................................................................... 37 Hình 3.7. Ảnh SEM của mẫu M6 ........................................................................................... 38 Hình 3.8.Ảnh SEM của mẫu M7...............................................................................38 Hình 3.9.Ảnh SEM của mẫu 11.............................................................................................. 39 Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn độ co ngót của các mẫu với hàm lượng Cr2O3 khác nhau .. 40 Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn độ co ngót của các mẫu với hàm lượngFe2O3 khác nhau ... 41 Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn độ hút nước phụ thuộc vào hàm lượng Cr2O3 ...................... 42 Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn độ hút nước phụ thuộc vào hàm lượng Fe2O3 ...................... 43 Hình 3.14. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1050 ........................................................... 47 Hình 3.15. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1100 ..47 Hình 3.16.Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1150 ............................................................ 48 Hình 3.17. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1200 ..48 Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha Monticelite vào nhiệt độ ......... 50 Hình 3.19.Ảnh SEM của mẫu M 11.......................................................................50 Nguyễn Thu Hiền 4 Lớp cao học K20
7. Luận văn tốt nghiệp bộ môn 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 Monticelite (CaO.MgO.SiO2) [15,19,25] 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 Monticelite 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 Monticelite sẽ góp phần vào sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu gốm. Hiện nay có rất nhiều phương pháp tổng hợp gốm Monticelite đã được các tác giả [ 10,12,13] nghiên cứu: 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 Monticelite từ các khoáng chất có sẵn trong tự nhiên [23,28] như: đá vôi, khoáng talc, thạch anh để thu được Monticelite 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 Monticelite CaO.MgO.SiO2 và ảnh hƣởng của oxit Fe2O3, Cr2O3 đến cấu trúc và tính chất của gốm ”. Nguyễn Thu Hiền 1 Lớp cao học K20
8. Luận văn tốt nghiệp bộ môn Hoá học vô cơ Chƣơng 1- TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU GỐM 1.1.1. Vật liệu gốm [10] 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. Nguyễn Thu Hiền 2 Lớp cao học K20
9. Luận văn tốt nghiệp bộ môn Hoá học vô cơ Vật liệu gốm đã góp phần đặc biệt quan trọng đối với sự phát triển của mọi ngành khoa học kỹ thuật và công nghiệp cuối thế kỉ XX như công nghệ vật liệu xây dựng, công nghệ chế tạo máy, giao thông vận tải, công nghệ thông tin, kỹ thuật điện, từ, quang, công nghệ chinh phục vũ trụ 1.1.2. Các phƣơng pháp tổng hợp gốm [10] 1.1.2.1. Phƣơng pháp sol-gel Ƣu điểm : - Có thể tổng hợp được gốm dưới dạng bột với cấp hạt cỡ micromet, nanomet. - Có thể tổng hợp gốm dưới dạng màng mỏng, dưới dạng sợi đường kính <1mm. - Nhiệt độ tổng hợp không cần cao. Nguyên tắc của phương pháp [10,21] này là tạo ra các dung dịch theo đúng tỉ lệ hợp thức của sản phẩm và trộn lẫn với nhau tạo thành hệ sol, sau đó chuyển từ dạng sol thành gel rồi sấy khô để thu được sản phẩm . Phương pháp này cũng mắc phải một số khó khăn đó là chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như thành phần nguyên liệu ban đầu, cách thức thực hiện quá trình thủy phân các hợp chất của Si, Ca và Al rất nhạy cảm với những thay đổi (xúc tác axit-bazơ, sử dụng nhiệt duy trì trong quá trình thủy phân, thời gian thủy phân,chất phân tán, chất chống keo tụ...). Là quá trình tổng hợp rất phức tạp, phải sử dụng dung môi để thủy phân các hợp chất cơ kim (thường là các alkoxide) rất đắt tiền, nên hạn chế phần nào ứng dụng của nó trong thực tế. 1.1.2.2. Phƣơng pháp đồng kết tủa Các chất ở dạng dung dịch rồi tiến hành kết tủa đồng thời, sản phẩm thu được tiến hành lọc, rửa rồi sấy, nung. Phương pháp này cho phép khuếch tán các chất tham gia phản ứng khá tốt, tăng đáng kể diện tích bề mặt tiếp xúc của các chất phản ứng. Nhưng với phương pháp này gặp khó khăn là phải đảm bảo tỉ lệ hợp thức của các chất trong hỗn hợp kết tủa đúng với sản phẩm gốm mong muốn. 1.1.2.3. Phƣơng pháp phân tán rắn - lỏng Nguyễn Thu Hiền 3 Lớp cao học K20
10. Luận văn tốt nghiệp bộ môn Hoá học vô cơ Nguyên tắc của phương pháp này là phân tán pha rắn ban đầu vào pha lỏng, rồi tiến hành kết tủa pha rắn thứ hai. Khi đó, các hạt pha kết tủa sẽ bám xung quanh hạt pha rắn ban đầu, làm cho mức độ phân bố của chúng đồng đều hơn, tăng diện tích tiếp xúc cũng như tăng hoạt tính của các chất tham gia phản ứng, do đó làm giảm nhiệt độ phản ứng xuống thấp hơn nhiều so với phương pháp gốm truyền thống. Vì vậy, phương pháp này được sử dụng khá nhiều trong kỹ thuật tổng hợp vật liệu. Tuy nhiên nhược điểm lớn của phương pháp này rất khó khăn trong việc đảm bảo tỷ lệ hợp thức của sản phẩm. 1.1.2.4. Phƣơng pháp điều chế gốm truyền thống Có thể mô tả phương pháp gốm truyền thống theo dạng sơ đồ sau: Chuẩn bị Nghiền Ép viên Nung Sản Phối liệu Trộn phẩm Hình 1.1. Phƣơng pháp gốm truyền thống để sản xuất vật liệu gốm Trong sơ đồ: Giai đoạn chuẩn bị phối liệu: tính toán thành phần của nguyêu liệu ban đầu (đi từ các ôxit, hiđroxit, hoặc các muối vô cơ...) sao cho đạt tỷ lệ hợp thức của sản phẩm muốn điều chế. Giai đoạn nghiền, trộn: nghiền mịn nguyên liệu để tăng diện tích tiếp xúc giữa các chất phản ứng và khuyếch tán đồng đều các chất trong hỗn hợp. Khi nghiền ta có thể cho một lượng ít dung môi vào cho dễ nghiền [12,18,22] . Phải chọn loại dung môi nào để trong quá trình nghiền dễ thoát ra khỏi phối liệu ( có thể dùng rượu etylic, axeton ). Giai đoạn ép viên: nhằm tăng độ tiếp xúc giữa các chất phản ứng. Kích thước và độ dày của viên mẫu tùy thuộc vào khuôn và mức độ dẫn nhiệt của phối liệu. Áp lực nén tùy thuộc vào điều kiện thiết bị có thể đạt tới vài tấn/cm2. Dùng thiết bị nén tới hàng trăm tấn thì trong viên phối liệu vẫn chứa khoảng 20% thể tích là lỗ xốp và Nguyễn Thu Hiền 4 Lớp cao học K20