Luận văn Nghiên cứu tổng hợp vật liệu gốm thủy tinh hệ CaO-MgO-SiO₂ từ Talc Phú Thọ và ảnh hưởng của B₂O₃, Al₂O₃ kích thước Nano đến cấu trúc và tính chất của vật liệu

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu tổng hợp vật liệu gốm thủy tinh hệ CaO-MgO-SiO₂ từ Talc Phú Thọ và ảnh hưởng của B₂O₃, Al₂O₃ kích thước Nano đến cấu trúc và tính chất của vật liệu

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- LƯƠNG VIẾT CƯỜNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH HỆ CaO-MgO-SiO2 TỪ TALC PHÚ THỌ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA B2O3 , Al2O3 KÍCH THƯỚC NANO ĐẾN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2012
2. Luận văn tốt nghiệp Hóa học vô cơ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- LƯƠNG VIẾT CƯỜNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH HỆ CaO-MgO-SiO2 TỪ TALC PHÚ THỌ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA B2O3 , Al2O3 KÍCH THƯỚC NANO ĐẾN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU 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 2012 ii Lương Viết Cường CHH-K21
3. Luận văn tốt nghiệp Hóa học vô cơ BẢNG CHÚ GIẢI CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU, ĐƠN VỊ ĐO DTA : Phân tích nhiệt vi sai TG : Đường nhiệt khối lượng SEM : Kính hiển vi điện từ quét (Scanning Electron Microscope) XRD : Nhiễu xạ tia X TOT : Tệp ba lớp silicat Ng-Np : Lưỡng chiết suất a : Thông số ô mạng theo phương OX b : Thông số ô mạng theo OY c : Thông số ô mạng theo OZ dhkl : Khoảng cách giữa các mặt thuộc họ (hkl) ii Lương Viết Cường CHH-K21
4. Luận văn tốt nghiệp Hóa học vô cơ MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................... 2 1.1. Giới thiệu chung về gốm thuỷ tinh .................................................................. 2 1.1.1. Gốm thuỷ tinh .................................................................................................. 2 1.1.2. Quá trình kết tinh của thuỷ tinh ..................................................................... 3 1.1.3. Các phương pháp điều chế gốm thuỷ tinh ..................................................... 7 1.2. Giới thiệu chung về hệ bậc ba: CaO - MgO - SiO2 ........................................ 9 1.2.1. Khái quát các oxit trong hệ: ........................................................................... 9 1.2.2. Khái quát các oxit: Al2O3, B2O3, Na2O ......................................................... 11 1.2.3. Giới thiệu talc ................................................................................................ 12 1.2.4 Giới thiệu đolomit ........................................................................................... 16 1.2.5. Khái quát hệ gốm thuỷ tinh CaO - MgO - SiO2 ........................................... 17 1.3. Giới thiệu phản ứng giữa các pha rắn ........................................................... 20 1.3.1. Phản ứng giữa các pha rắn .......................................................................... 20 1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng giữa các pha rắn ................... 23 CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................... 26 2.1. Phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ tia X ( XRD) ............................................ 26 2.2. Phƣơng pháp phân tích nhiệt ( DTA-TG) .................................................... 27 2.3. Phƣơng pháp quan sát vi cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) 28 2.4. Phƣơng pháp xác định các tính chất cơ lý .................................................... 29 2.4.1. Hệ số giãn nở nhiệt ....................................................................................... 29 2.4.2. Cường độ ....................................................................................................... 30 2.4.3. Độ rỗng .......................................................................................................... 31 2.4.4. Xác định khối lượng riêng bằng phương pháp Acsimet ............................. 31 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM ............................................................................ 33 3.1. Mục tiêu và nội dung của luận văn ................................................................ 33 3.1.1. Mục tiêu của luận văn .................................................................................. 33 3.1.2. Các nội dung nghiên cứu của luận văn ....................................................... 33 3.2. Dụng cụ, thiết bị và hoá chất .......................................................................... 33 3.2.1 Hoá chất .......................................................................................................... 33 iii Lương Viết Cường CHH-K21
5. Luận văn tốt nghiệp Hóa học vô cơ 3.2.2. Các dụng cụ ................................................................................................... 34 3.3. Thực nghiệm .................................................................................................... 34 3.3.1. Nghiên cứu thành phần hóa học của nguyên liệu đầu ............................... 34 3.3.2. Chuẩn bị hỗn hợp mẫu từ nguyên liệu đầu talc và đolomit....................... 35 3.3.3. Cách làm ........................................................................................................ 36 3.3.4. Phân tích nhiệt mẫu nghiên cứu .................................................................. 36 3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành gốm thuỷ tinh ................................................................................................................... 36 3.3.6 Nghiên cứu mẫu gốm thủy tinh trên cơ sở nguyên liệu đầu là talc và đolomit ..................................................................................................................... 37 3.3.7. Nghiên cứu ảnh hưởng của Al2O3, B2O3 đến sự hình thành tinh thể diopsit trong gốm thuỷ tinh hệ bậc 3: CaO - MgO - SiO2 ................................................. 37 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 39 4.1. Kết quả nghiên cứu nguyên liệu .................................................................... 39 4.1.1 Kết quả phân tích nguyên liệu talc và đolomit.............................................. 39 4.1.2. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu Mo ........................................................... 42 4.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên liệu đầu: talc và đolomit đến sự hình thành tinh thể diopsit của gốm thủy tinh .. 44 4.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành gốm thuỷ tinh hệ CaO - MgO - SiO2 .................................................................................................. 45 4.2.1. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X .................................................................. 45 4.2.2. Kết quả ảnh SEM .......................................................................................... 46 4.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến tính nhất của vật liệu .......................... 47 4.3. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Al2O3 và B2O3 đến sự hình thành cấu trúc và tính chất của vật liệu gốm thuỷ tinh ..................................................................... 48 4.3.1. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X .................................................................. 48 4.3.2.Kết quả ảnh SEM ........................................................................................... 54 4.3.3. Ảnh hưởng của Al2O3 và B2O3 đến tính chất của vật liệu .......................... 55 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 59 iv Lương Viết Cường CHH-K21
6. Luận văn tốt nghiệp Hóa học vô cơ DANH MỤC HÌNH, BẢNG BIỂU Hình 1.1. Hai giai đoạn nhiệt luyện ........................................................................... 7 Hình 1.2. Một giai đoạn nhiệt luyện .......................................................................... 8 Hình 1.3. Phương pháp bột sản xuất gốm thủy tinh .................................................. 9 Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể talc................................................................................ 14 Bảng 1.1. Thông số cấu trúc của talc ...................................................................... 15 Bảng 1.2. Tiêu chuẩn chất lượng khoáng talc theo ISO (ISO 3262) [20] ............... 16 Hình 1.5. Hệ bậc ba CaO - MgO - SiO2 .................................................................. 19 Bảng 1.3. Giá trị một số hàm nhiệt động ................................................................. 21 Hình 2.1. Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg .......................................................... 26 Hình 2.2. Sơ đồ khối của thiết bị phân tích nhiệt ..................................................... 28 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lí kính hiển vi điện tử quét SEM ........................................ 29 Bảng 3.1. Thành phần khoáng trong các mẫu có sử dụng talc................................ 35 Bảng 3.2. Thành phần khoáng trong mẫu sử dụng đolomit ..................................... 36 Bảng 4.1. Thành phần hóa học khoáng talc ............................................................ 39 Hình 4.1. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu talc ............................................................. 39 Hình 4.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột talc ........................................................ 40 Bảng 4.2. Thành phần hóa học mẫu đolomit ........................................................... 41 Hình 4.3. Giản đồ XRD mẫu đolomit ...................................................................... 41 Hình 4.4. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu đolomit ....................................................... 42 Hình 4.5. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu Mo ............................................................. 43 Hình 4.6. Giản đồ XRD của mẫu Ao .....44 Hình 4.7. Giản đồ XRD của mẫu Mo .. ..44 Bảng 4.3. Cường độ píc đặc trưng của pha tinh thể diopsit phụ thuộc vào nhiệt độ nung .......................................................................................................................... 46 Bảng 4.4. Cường độ pha tinh thể diopsit phụ thuộc vào nguyên liệu đầu ..46 Hình 4.8. Ảnh SEM của mẫu 1350N ........................................................................ 47 v Lương Viết Cường CHH-K21
7. Luận văn tốt nghiệp Hóa học vô cơ Bảng 4.5. Tính chất vật lý của các mẫu ở các nhiệt độ nung khác nhau ................. 47 Bảng 4.6. Cường độ píc đặc trưng của pha tinh thể diopsit .................................... 48 Hình 4.9. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha diopsit vào hàm lượng Al2O3 .................................................................................................................................. 49 Bảng 4.7. Cường độ píc đặc trưng của diopsit ........................................................ 50 Hình 4.10. Đồ thị biểu hiện sự phụ thuộc cường độ pha diopsit vào hàm lượng B2O3. ......................................................................................................................... 50 Hình 4.11. Ảnh SEM của mẫu M3 ........................................................................... 54 Hình 4.12. Ảnh SEM của mẫu M6 .......................................................................... 55 Bảng 4.8. Kết quả xác định độ xốp, độ hút nước, khối lượng riêng,cường độ của mẫu chứa Al2O3 ........................................................................................................ 56 Bảng 4.9. Kết quả xác định độ xốp, độ hút nước, khối lượng riêng, cường độ của mẫu chứa B2O3 ......................................................................................................... 56 vi Lương Viết Cường CHH-K21
8. Luận văn tốt nghiệp Hóa học vô cơ MỞ ĐẦU Gốm sứ và thuỷ tinh là những vật liệu rất gần gũi với cuộc sống của con người. Chúng được con người sử dụng và phát triển rất sớm. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã xuất hiện nhiều loại vật liệu mới với nhiều tính chất ưu việt, ngày càng được phát triển và ứng dụng rộng rãi. Trong vài thập niên trở lại đây, người ta bắt đầu nghiên cứu một loại vật liệu mới bắt nguồn từ thuỷ tinh nhưng có cấu trúc tinh thể. Vật liệu này có những tính chất của thuỷ tinh và gốm gọi là gốm thuỷ tinh. Đây là một vật liệu khá mới và đang trở thành đề tài được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm. Gốm thuỷ tinh là những vật liệu đa tinh thể có cấu trúc vi mô được tạo thành bởi sự kết tinh kiểm soát của thuỷ tinh. Nó là những vật liệu đa tinh thể có hạt nhỏ được tạo thành khi thuỷ tinh với thành phần thích hợp được xử lý nhiệt và trải qua sự kết tinh kiểm soát để có năng lượng thấp hơn. Gốm thủy tinh hệ CaO - MgO - SiO2 có những tính chất cơ học, hoá học nỗi trội như sức bền, chịu mài mòn, hệ số giản nở nhiệt thấp, có những đặc điểm về mặt thẩm mĩ vì thế có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Hiện nay, có rất nhiều phương pháp tổng hợp hệ gốm thuỷ tinh bậc 3 CaO-MgO-SiO2 như là: phương pháp truyền thống, phương pháp Sol-gel, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp khuếch tán pha rắn vào pha lỏng... Trong đó, phương pháp gốm truyền thống có nhiều ưu điểm về cách trộn phối 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 thuỷ tinh từ các khoáng chất có sẵn trong tự nhiên: talc, đá vôi, quartz, để thu được gốm thuỷ tinh giá rẻ mà vẫn giữ được những tính chất quan trọng. Với mục đích sử dụng nguồn nguyên liệu khoáng sản sẵn có ở Việt Nam để sản xuất, các vật liệu gốm phục vụ cho sự phát triển kinh tế đất nước, tôi chọn đề tài cho luận văn: "Nghiên cứu tổng hợp vật liệu gốm thuỷ tinh hệ CaO-MgO- SiO2 từ talc Phú Thọ và ảnh hưởng của Al2O3, B2O3, kích thước nano đến cấu trúc và tính chất của vật liệu". 1 Lương Viết Cường CHH-K21
9. Luận văn tốt nghiệp Hóa học vô cơ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về gốm thuỷ tinh 1.1.1. Gốm thuỷ tinh Thuỷ tinh có xu hướng đạt đến trạng thái thấp hơn về mặt năng lượng khi phải chịu một quá trình nhiệt luyện nào đó. Sự kết tinh trong quá trình sản xuất thuỷ tinh là một khuyết điểm. Tuy nhiên tính chất này có thể được sử dụng để sản xuất một loại vật liệu mới là gốm thuỷ tinh. Gốm thuỷ tinh là những vật liệu đa tinh thể được tạo thành khi những thành phần thuỷ tinh thích hợp được nhiệt luyện và điều chỉnh quá trình kết tinh. Trong gốm thuỷ tinh thường tồn tại 50% - 95% thể tích là tinh thể còn lại là pha thuỷ tinh còn dư. Một hoặc nhiều hơn những pha tinh thể có thể tạo thành trong quá trình nhiệt luyện và thành phần của chúng khác với thuỷ tinh cho trước và do đó thành phần của thuỷ tinh còn dư cũng khác trước. 1.1.1.1. Tính chất của gốm thuỷ tinh Gốm thuỷ tinh có những tính chất quan trọng như: - Độ bền cao đối với các lực va đập và lực biến dạng, nên ống thuỷ tinh thường có độ bền gãy là: 210 - 270 kg/cm2 thì vật liệu gốm thuỷ tinh có kích thước tương đương có độ bền gãy là 2800 - 4200 kg/cm2. Gốm thuỷ tinh cũng có độ chịu mài mòn cao hơn nhiều so với thuỷ tinh thường. - Có thể điều chỉnh thành phần hoá học của gốm thuỷ tinh một cách dễ dàng để thay đổi hệ số giãn nở nhiệt theo mong muốn từ giá trị thấp nhất (gần bằng không) đến cao nhất (2.10-5 K-1). Do đó, có khả năng chọn hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu gốm thuỷ tinh cũng như của vật liệu kim loại. Điều này quan trọng khi chế tạo các khớp nối kín của kim loại với linh kiện bằng gốm thuỷ tinh. Các mẫu gốm thuỷ tinh có hệ số giãn nở nhiệt bé hoặc âm rất bền đối với xung nhiệt. - Vật liệu gốm thuỷ tinh bền nhiệt hơn vật liệu thuỷ tinh có cùng thành phần. - Vật liệu gốm thuỷ tinh có đặc tính cách nhiệt tốt, đặc biệt khi thành phần không chứa kiềm. 2 Lương Viết Cường CHH-K21
10. Luận văn tốt nghiệp Hóa học vô cơ - Tính chất quang của vật liệu gốm thuỷ tinh phụ thuộc vào pha tinh thể có trong đó, nó có thể trong suốt hoặc không trong suốt đối với ánh sáng tuỳ thuộc vào kích thước tinh thể. - Khác với vật liệu gốm sản xuất theo phương pháp nén ép thông thường, gốm thuỷ tinh có độ rỗng bằng không. 1.1.1.2. Ứng dụng của gốm thuỷ tinh Gốm thuỷ tinh vẫn bền khi giảm nhiệt độ một cách đột ngột nên được sử dụng để sản xuất các bộ phận để xử lý nhiệt độ cao của vật liệu, ví dụ như các vỏ lò có sợi đốt ở bên trong. Độ chống mài mòn của gốm thuỷ tinh cao hơn nhiều lần so với kim loại nên vật liệu gốm thuỷ tinh được sử dụng để làm các bộ phận chịu lực hoặc để phủ lên kim loại làm các khớp nối kín của kim loại và gốm. Vật liệu gốm thuỷ tinh có độ bền nhiệt cao, đặc biệt là đối với các xung nhiệt nên được sử dụng để làm lớp vỏ bảo vệ đầu mũi tên lửa, . Ngoài ra với chi phí sản xuất thấp và kỹ thuật đơn giản gốm thuỷ tinh cũng có thể sử dụng để sản xuất các đồ dân dụng chất lượng cao như nồi nấu, mặt bếp từ. 1.1.2. Quá trình kết tinh của gốm thuỷ tinh Sự kết tinh hay hoá mờ của thuỷ tinh để tạo thành gốm thuỷ tinh là một sự biến đổi hỗn tạp và gồm hai giai đoạn: giai đoạn tạo mầm và giai đoạn mầm phát triển thành tinh thể. Trong giai đoạn tạo mầm nhỏ, thể tích ổn định của pha sản phẩm (tinh thể) được tạo thành, thường tại các vị trí ưu tiên trong thuỷ tinh ban đầu. Những vị trí được ưu tiên là các mặt tiếp xúc bên trong thuỷ tinh ban đầu hoặc bề mặt tự do. Sau cùng, thường không mong muốn như kết quả vi cấu trúc gốm thuỷ tinh thường chứa những tinh thể định hướng lớn có hại đến các tính chất cơ học. Tuy nhiên, trong một ít lĩnh vực một cấu trúc định hướng là có lợi, ví dụ cho các thiết bị hoả điện và áp điện, và có thể gia công gốm thuỷ tinh trên máy. Trong đa số trường hợp sự tạo mầm bên trong, cũng biết có sự tạo mầm lớn, được yêu cầu và thành phần thuỷ tinh ban đầu được chọn để chứa dạng tăng cường cho dạng này 3 Lương Viết Cường CHH-K21