Nghiên cứu tách sio2 từ cao lanh phú thọ và ứng dụng trong vật liệu compozit

Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.……………………………………………………………………………4
BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ……………………………………………… 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU .……………………… 8
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ……………………………………………………... 10
1.1 Cao lanh ……………………………………………………………………… 10
1.1.1 Khái niệm ………………………………………………………………… 10
1.1.1.1 Nguồn gốc ……………………………………………………………... 10
1.1.1.2 Tiềm năng quặng cao lanh ở Việt nam ………………………………. 11
1.1.1.3 Phân loại ……………………………………………………………… 12
1.1.1.4 Thành phần hóa học ……………………………………………………12
1.1.1.5 Cấu tạo mạng tinh thể ………………………………………………….13
1.1.2 Các tính chất đặc trƣng cơ bản của cao lanh ……………………………...14
1.1.3 Ứng dụng ………………………………………………………………….16
1.2 Silic đioxit …………………………………………………………………….19
1.2.1 Khái quát …………………………………………………………………..19
1.2.2 Tính chất vật lý ……………………………………………………………19
1.2.3 Tính chất hóa học…………………………………………………………..19
1.2.4 Ứng dụng………………………………………………………………….20
1.3. Vật liệu compozit ……………………………………………………………..20
1.3.1. Khái niệm ………………………………………………………………...20
1.3.2. Phân loại …………………………………………………………………21
1.3.3. Cấu tạo của vật liệu compozit …………………………………………... 21
1.3.3.1. Polyme nền ………………………………………………………….... 21
1.3.3.2. Chất độn (cốt) ………………………………………………………….22
1.3.4. Ứng dụng ……………………………………………………………….. 22
CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM…………………………. 24

2.1 Các phƣơng pháp phân tích ……………………………………………………24

2


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

2.1.1 Phƣơng pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF) ……………………………..24
2.1.2 Phƣơng pháp phân tích nhiệt ……………………………………………..25
2.1.3 Phƣơng pháp phân tích định tính bằng giản đồ XRD …………………….26
2.1.4 Phƣơng pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét SEM ………………………28
2.1.5 Phƣơng pháp phân tích phổ hồng ngoại IR ……………………………..31
2.2 Thực nghiệm…………………………………………………………………. 32
2.2.1 Hóa chất - dụng cụ ………………………………………………………..32
2.2.1.1 Hóa chất ………………………………………………………………...32
2.2.1.2 Dụng cụ ………………………………………………………………...32
2.2.2 Cách tiến hành thí nghiệm………………………………………………...32
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN …………………….34
3.1 Phân tích thành phần, tính chất nguyên liệu ban đầu ………………………..34
3.1.1 Mẫu cao lanh Thanh Sơn - Phú Thọ ………………………………………34
3.1.2 Tinh thể muối NaHSO4 ……………………………………………………35
3.2 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ các chất phản ứng và điều kiện phản ứng ………. 35
3.3 Kết quả phân tích mẫu bã rắn thu đƣợc sau hòa tách ....................................... 36
3.3.1 Kết quả phân tích thành phần hóa học ……………………………………. 36
3.3.2 Kết quả phân tích cấu trúc …………………………………………………38
3.3.3 Kết quả phân tích cỡ hạt ………………………………………………….. 38
3.4 Ứng dụng của SiO2 tách ra từ cao lanh Phú Thọ vào vật liệu compozit ……. 39
3.4.1 Mô tả thí nghiệm …………………………………………………………. 39

3.4.2 Ảnh hƣởng của chất độn SiO2 đến cơ tính của vật liệu compozit ...............40
3.4.3 Ảnh hƣởng của chất độn SiO2 đến nhiệt độ chuyển pha thủy tinh của vật liệu
compozit ................................................................................................................ 43
3.4.4 Kết quả phân tích phổ hồng ngoại IR của mẫu vật liệu compozit .............. 44
KẾT LUẬN ………………………………………………………………………..46
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………47
PHỤ LỤC ………………………………………………………………………….48

3


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các ngành công nghiệp
đang phát triển mạnh, đi kèm với nó là việc nghiên cứu cơ bản đòi hỏi phải đi trƣớc
một bƣớc. Trong công nghệ hóa học và vật liệu, sự phát triển này làm cho nhu cầu
về các hóa chất cơ bản cũng tăng theo. Việc sản xuất trong nƣớc không cung ứng đủ
nhu cầu cho nên hàng năm nƣớc ta phải chi một khoản ngoại tệ rất lớn để nhập các
hóa chất này. Trong khi đó, nƣớc ta lại có nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú,
trữ lƣợng nhiều, nếu chúng ta tận dụng đƣợc triệt để các khoáng sản này bằng cách
tinh chế, sản xuất thành các sản phẩm phục vụ nhu cầu của các ngành công nghiệp
khác thì sẽ góp một phần lớn vào sự phát triển kinh tế của đất nƣớc.
Trong các hóa chất đó phải kể đến các hợp chất của nhôm hay silic. Nhôm và
các hợp chất của nhôm có rất nhiều ứng dụng. Nhôm kim loại đƣợc sử dụng trong
công nghiệp vật liệu (chế tạo vật liệu gia dụng, vật liệu xây dựng, công nghiệp hàng
không…) nhôm sulphat (phèn nhôm) đƣợc sử dụng trong xử lý nƣớc, nhôm

photphat dùng làm chất kết dính chịu nhiệt, chất tạo màng cho sơn vô cơ… Silic
đioxit đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất gốm sứ, gốm kỹ
thuật, sản xuất vật liệu chịu lửa, làm chất độn cho cao su, giấy và cho vật liệu
compozit… Ngày nay, sự phát triển của các loại vật liệu compozit càng khiến cho
nhu cầu sử dụng SiO2 làm chất độn tăng cao.
Để sản xuất silic đioxit, có nhiều loại nguyên liệu chứa SiO2 nhƣ cát, thạch
anh, điatomit, các muối aluminosilicat nhƣ tràng thạch, mica, cao lanh… và các
khoáng sét khác. Thạch anh chứa hàm lƣợng SiO2 cao nhƣng nó tồn tại ở dạng tinh
thể. Hiện nay, phƣơng pháp phổ biến để sản xuất SiO2 vô định hình là cho cát thạch
anh phản ứng với NaOH để tạo ra hợp chất mới chứa silic là Na2SiO3 (hay còn gọi
là thủy tinh lỏng), sau đó từ thủy tinh lỏng ta thu đƣợc SiO2 vô định hình. Ngoài ra
có một lƣợng silic đioxit là sản phẩm phụ của các nhà máy sản xuất axit photphoric
và supe với hàm lƣợng không nhiều. Cách sản xuất này cũng dùng tác nhân NaOH
để phản ứng với SiF4 tạo ra sản phẩm SiO2 vô định hình. SiO2 cũng có thể đƣợc sản

4


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

xuất theo phƣơng pháp hòa tách bằng axit, sử dụng các axit mạnh để phá hủy cấu
trúc khoáng cao lanh rồi hòa tách các muối tan để thu đƣợc bã rắn chứa SiO2 [7].
Tuy nhiên phƣơng pháp này tƣơng đối tốn kém và nguy hiểm, trong khi hiệu suất
tách SiO2 vẫn chƣa thực sự cao.
Thời gian qua, đã có nhiều công trình nghiên cứu sản xuất nhôm oxit đi từ
cao lanh theo phƣơng pháp phản ứng pha rắn với hiệu suất tách khá cao. Ngoài sản
phẩm Al2O3 thì còn một lƣợng lớn bã rắn sau quá trình có chứa hàm lƣợng SiO2
cao, có khả năng thu hồi và ứng dụng vào một số lĩnh vực khác.

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, tôi đã chọn hƣớng nghiên cứu là sản xuất
SiO2 từ nguồn cao lanh tự nhiên, vừa đảm bảo chi phí kinh tế thấp, vừa đảm bảo đạt
yêu cầu về chất lƣợng để sử dụng làm chất độn cho vật liệu compozit. Vấn đề này
cũng đã bƣớc đầu đƣợc nghiên cứu ở một số công trình khoa học. Tuy nhiên với
mỗi quốc gia có các loại cao lanh với thành phần hóa học khác nhau và thành phần
pha khác nhau đòi hỏi phải có một nghiên cứu cụ thể cho từng loại cao lanh cụ thể.
Luận văn này trình bày việc tách silic đioxit từ nguồn nguyên liệu cao lanh Thanh
Sơn - Phú Thọ với natri hydro sulfat theo phƣơng pháp phản ứng pha rắn, đồng thời
cũng khảo sát thử nghiệm ứng dụng sản phẩm SiO2 đó làm thành phần độn trong vật
liệu compozit nền nhựa epoxy gia cƣờng vải thủy tinh.

5


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

STT

KÝ HIỆU,

NỘI DUNG

CHỮ VIẾT TẮT

1

XRF

Huỳnh quang tia X (X-ray Fluorescence)

2

XRD

Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction)

3

TGA

4

DTA

Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis)

5

MKN

Mất khi nung

5

CEC

6

AEC

7

PE

Poly etylen

8

PP

Poly propylen

9

PVC

Poly vinyl clorua

10

BVTV

Bảo vệ thực vật

11

PS

12

ABS

13

PU

Poly uretan

14

UF

Ure-formaldehyt

15

DSC

16

SEM

17

EDXS

18

WDXS

Phân tích nhiệt trọng lƣợng
(Thermal Gravimetric Analysis)

Dung lƣợng trao đổi cation (Cation-Exchange
Capacity)
Dung lƣợng trao đổi anion (Anion-Exchange Capacity)

Poly stiren
Acrylonitrin butadien stiren

Phân tích nhiệt quét vi sai
(Differential scanning calorimetry)
Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
Phổ tán sắc năng lƣợng tia X
(Energy-dispersive X-ray spectroscopy)
Phổ tán sắc bƣớc sóng tia X
(Wavelength-dispersive X-ray spectroscopy)

6


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

Hiển vi điện tử quét có phân tích phân cực

19

SEMPA

(Scanning Electron Microscope with Polarisation
Analysis)
Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy)

20

IR

21

NIR

Phổ hổng ngoại gần (Near Infrared spectroscopy)

22

PA

Chất tinh khiết (Pure Agent)

23

TETA

Trietylen tetramin

24

DMA

Phân tích cơ động lực (Dynamic Mechanical Analysis)

7


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU

STT

KÝ HIỆU

NỘI DUNG

1

Hình 1.1

2

Hình 1.2

3

Hình 1.3

4

Hình 1.4

Vị trí các nhóm OH trong cấu trúc cao lanh.

16

5

Hình 2.1

Nguyên lý phát huỳnh quang tia X.

24

6

Hình 2.2

Phƣơng pháp phân tích huỳnh quang tia X (XRF).

25

7

Hình 2.3

Sự nhiễu xạ tia X trên bề mặt tinh thể.

27

8

Hình 2.4

9

Hình 2.5

10

Hình 2.6

11

Bảng 3.1

12

Hình 3.1

Kết quả XRD mẫu cao lanh chƣa nung.

34

13

Hình 3.2

Kết quả phân tích nhiệt mẫu sau khi trộn.

36

14

Bảng 3.2

15

Hình 3.3

16

Bảng 3.3

17

Hình 3.4

Giản đồ XRD của mẫu bã rắn thu đƣợc.

38

18

Hình 3.5

Đồ thị phân bố cỡ hạt bằng tán xạ laze của mẫu bã

39

Cao lanh trong tự nhiên.
Sơ đồ không gian cấu trúc mạng lƣới tinh thể cấu
trúc Kaolinit.
Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt
Kaolinit.

Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét
(SEM).
Nguyên lý chụp phổ hồng ngoại (IR).
Sơ đồ phƣơng pháp tiến hành thí nghiệm tách SiO2
từ cao lanh.
Thành phần hóa học mẫu cao lanh Thanh Sơn - Phú
Thọ.

Thành phần hóa học mẫu bã rắn thu đƣợc sau hòa
tách.
Phổ EDX của mẫu bã rắn thu đƣợc sau hòa tách.
Thành phần hóa học quy đổi từ thành phần các
nguyên tố của mẫu bã rắn thu đƣợc sau hòa tách.

8

TRANG
10
13

14

28
31
33

34

37
37
38


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

rắn.
Ảnh SEM của mẫu bã rắn.

19

Hình 3.6

20

Hình 3.7

21

Bảng 3.4

Kết quả độ bền uốn của mẫu vật liệu compozit.

41

22

Bảng 3.5

Kết quả độ mài mòn của mẫu vật liệu compozit.

41

23

Hình 3.8

Ảnh SEM của mẫu vật liệu compozit có độn SiO2.

42

24

Hình 3.9

25

Hình 3.10

Sơ đồ tiến hành thí nghiệm chế tạo vật liệu
compozit sử dụng SiO2 làm chất độn.

Kết quả phân tích DMA của mẫu đối chứng và mẫu
vật liệu compozit có độn SiO2.
Đồ thị phổ hồng ngoại IR của mẫu đối chứng và
mẫu vật liệu compozit có độn SiO2.

9

39
40

43

44


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1 Cao lanh
1.1.1 Khái niệm
1.1.1.1 Nguồn gốc:
Cao lanh hay đất cao lanh là một loại đất sét màu trắng, bở, chịu lửa, với
thành phần chủ yếu là khoáng vật kaolinit cùng một số khoáng vật khác nhƣ illit,

montmorillonit, thạch anh,… Cao lanh là một khoáng sản phi kim đƣợc hình thành
do quá trình phong hóa của phenspat chủ yếu là octođaz và anbit. Quá trình phong
hóa trên đƣợc gọi là quá trình cao lanh hóa.
Cao lanh có nguồn gốc tên gọi từ Cao Lĩnh thổ (tức đất Cao Lĩnh, là đất sét
trắng tại Cao Lĩnh), một khu vực đồi tại Giang Tô (Trung Quốc). Các mỏ đất sét
trắng tại đây đƣợc khai thác để làm nguồn nguyên liệu sản xuất đồ sứ Trung Quốc.
Tên gọi kaolinit đƣợc các giáo sĩ ngƣời Pháp du nhập vào châu Âu trong thế kỷ 18
và khi đƣợc phiên âm ngƣợc trở lại tiếng Việt thì nó đã trở thành cao lanh (kaolin).

Hình 1.1: Cao lanh trong tự nhiên.
Cao lanh là một loại khoáng sét tự nhiên rất phổ biến trên thế giới, đây là
một loại khoáng sét dẻo không trƣơng nở, có màu trắng, vàng hoặc nâu đỏ. Cao
lanh đƣợc tìm thấy ở nhiều mỏ khác nhau trên thế giới, ở Việt Nam cao lanh có ở
Yên Bái, Hải Dƣơng, Vĩnh Phúc, Lâm Đồng, Phú Thọ… với trữ lƣợng lớn và chất
lƣợng khá tốt.

10


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

1.1.1.2 Tiềm năng quặng cao lanh ở Việt nam:
Việt Nam là một trong các quốc gia có tiềm năng lớn về cao lanh, phân bố
khá rộng rãi và phổ biến ở nhiều nơi trên lãnh thổ với các loại hình nguồn gốc khác
nhau, trong đó tập trung chủ yếu trong 3 kiểu nguồn gốc, là phong hoá, trầm tích và
nhiệt dịch. Cao lanh nguồn gốc phong hoá tập trung chủ yếu ở Đông Bắc Bộ và ít
hơn ở Trung Bộ và Tây Nguyên. Quặng cao lanh ở nƣớc ta đƣợc phân bố ở nhiều
nơi, trong đó một số mỏ quặng cao lanh đã đƣợc thăm dò, khai thác là:

Mỏ Thạch Khoan - Phú Thọ gồm 4 vùng với tổng trữ lƣợng đã xác định
khoảng 3,2 triệu tấn, trong số đó vùng mỏ cao lanh Hữu Khánh là vùng mỏ có giá
trị công nghiệp với hàm lƣợng quặng nhƣ sau:
SiO2 : 47.5 - 76.1%
Al2O3 : 18 - 49%
Fe2O3 : 0.11 – 2.9%
MKN : 9.81%
Mỏ Trại Mật - Lâm Đồng với tổng trữ lƣợng đã thăm dò là 11 triệu tấn, mỏ
có 4 thân quặng, dày trung bình 20m. hàm lƣợng quặng nhƣ sau:
SiO2 : 22.8 - 65%
Al2O3 : 18 - 49%
Fe2O3 : 0.5 – 7.9%
MKN : 0.16 – 22.5%
Trong trữ lƣợng đã đƣợc thăm dò ở mỏ Trại Mật khoảng 3 triệu tấn là có khả
năng khai thác tốt.
Mỏ cao lanh Tấn Mài (Quảng Ninh), Trúc Thôn (Hải Dƣơng), Tuyên Quang
đã đƣợc khai thác dùng làm gạch chịu lửa cho công ty gang thép Thái Nguyên. Cao
lanh ở Tấn Mài dạng dickit và có thành phần hóa học nhƣ sau:
SiO2 : 43.38%
Al2O3 : 37.43%
Fe2O3 : 0.18%
MKN : 11.1%

11


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

Ngoài ra một số mỏ quy mô nhỏ ở các địa phƣơng nhƣ Yên Bái, Hải Dƣơng,
Đồng Nai,… đã đƣợc sử dụng để khai thác cao lanh làm nguyên liệu sản xuất gốm
sứ dân dụng, gốm sứ kỹ thuật, phèn nhôm.
1.1.1.3 Phân loại:
Có nhiều kiểu phân loại cao lanh khác nhau, phụ thuộc vào nguồn gốc phát sinh,
mục đích sử dụng, độ chịu lửa, độ dẻo, độ xâm tán, hàm lƣợng các oxit…
Theo nguồn gốc phát sinh, có thể chia cao lanh thành hai dạng là phát sinh từ
các nguồn sơ cấp và phát sinh từ các nguồn thứ cấp. Cao lanh sơ cấp sinh ra từ quá
trình phong hóa hóa học hay thủy nhiệt của các loại đá có chứa fenspat nhƣ rhyolit,
granit, gơnai. Cao lanh thứ cấp đƣợc tạo ra từ sự chuyển dời của cao lanh sơ cấp từ
nơi nó sinh ra vì xói mòn và đƣợc vận chuyển cùng các vật liệu khác tới vị trí tái
trầm lắng. Một số cao lanh cũng đƣợc sinh ra tại nơi tái trầm lắng do biến đổi thủy
nhiệt hay phong hóa hóa học đối với acco (arkose), một dạng đá trầm tích mảnh vụn
với hàm lƣợng fenspat trên 25%. Sự khác biệt giữa cao lanh sơ cấp và thứ cấp phụ
thuộc vào bản chất của thành phần cấu tạo oxit sắt, oxit silic [8].
Theo nhiệt độ chịu lửa, cao lanh đƣợc phân thành loại chịu lửa rất cao (trên
1750°C), cao (trên 1730°C), vừa (trên 1650°C) và thấp (trên 1580°C).
Theo thành phần Al2O3 + SiO2 ở trạng thái đã nung nóng, cao lanh đƣợc
phân thành loại siêu bazơ, bazơ hoặc axit.
1.1.1.4 Thành phần hóa học:
Theo các tài liệu, cao lanh là một loại khoáng sét tự nhiên ngậm nƣớc mà
thành phần chính là khoáng vật kaolinit, công thức hóa học đơn giản là
Al2O3.2SiO2.2H2O, công thức lý tƣởng là Al4(Si4O10)(OH)8 với hàm lƣợng SiO2
= 46,54%; Al2O3 = 39,5% và H2O = 13,96% trọng lƣợng. Tuy nhiên, trong thực
tế thành phần lý tƣởng này thƣờng rất ít gặp [8,12], vì ngoài ba thành phần chính
kể trên, thƣờng xuyên có mặt Fe2O3, TiO2, MgO, CaO, K2O, Na2O với hàm
lƣợng nhỏ. Ngoài ra, trong cao lanh nguyên khai còn chứa các khoáng khác nhƣ
haloysit, phlogopit, hydromica, felspat, -quartz, rutil, pyrit... nhƣng hàm lƣợng
không lớn.

12


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

1.1.1.5 Cấu tạo mạng tinh thể:
Cao lanh tồn tại ở nhiệt độ thƣờng chủ yếu dƣới dạng tinh thể của kaolinit.
Kaolinit có cấu trúc lớp 1:1, dạng điocta, với công thức chung là
Al2Si2O5(OH)4.nH2O (n = 0, 2). Cấu trúc tinh thể của kaolinit đƣợc hình thành từ
một lƣới tứ diện liên kết với một mạng bát diện tạo nên một lớp cấu trúc. Chiều dày
của lớp này từ 7,15 – 7,2Å. Mỗi lớp cấu trúc đƣợc phát triển liên tục trong không
gian theo hƣớng trục a và b. Các lớp cấu trúc đƣợc chồng xếp song song với nhau
và tự ngắt quãng theo hƣớng trục c (hình 1.2).

Hình 1.2: Sơ đồ không gian cấu trúc mạng lưới tinh thể cấu trúc Kaolinit.
Các tứ diện quay đỉnh chung về phía mạng bát diện. Ở vị trí đỉnh chung của
tứ diện và bát diện là ion OH-. Giữa hai mặt đó xuất hiện một lực liên kết giữ chặt
các lớp lại làm cho mạng tinh thể kaolinit ít di động, hấp thụ nƣớc và không trƣơng
nở. Trong cấu trúc của kaolinit cứ 3 vị trí tâm bát diện thì có hai vị trí bị chiếm giữ
bởi ion Al3+ còn một vị trí bỏ trống. Chính vì vậy kaolinit thuộc nhóm điocta.

13


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

1.1.2 Các tính chất đặc trưng cơ bản của cao lanh
Tính chất cơ bản của cao lanh thƣờng đề cập là tính chất trao đổi ion, tính
chất hấp phụ và tính chất xúc tác. Do bề mặt của kaolinit không lớn, thƣờng dao
động từ 15 – 20m2/g tƣơng ứng với khả năng hấp phụ kém của kaolinit làm chất xúc
tác mà chỉ sử dụng nó với vai trò chất nền.
Cao lanh có màu trắng, trắng xám, dạng đặc sít hoặc là những khối dạng đất
sáng màu, tập vảy nhỏ, tinh thể đơn vị dạng hình lục lăng liên kết thành các tấm
nhỏ, mỏng, đƣờng kính khoảng 0,2 - 12µm, khối lƣợng riêng khoảng 2,1 - 2,6
g/cm3, độ cứng 1 - 2,5; có khả năng trao đổi cation khoảng 2 - 15 meq/100g và
phụ thuộc nhiều vào kích thƣớc của hạt, nhƣng các phản ứng thay thế cation xảy
ra với tốc độ rất lớn .
Khi ngấm nƣớc, nó có tính dẻo, nhƣng không có hiện tƣợng co giãn. Đây là
tính chất đƣợc biết đến sớm nhất của cao lanh, ngƣời ta dùng nó ở dạng hồ quánh để
định hình và nung thiêu kết để tạo ra các đồ gốm sứ.
Cao lanh có tính chất trao đổi anion và cation vào trong mạng tinh thể của
mình. Sự trao đổi cation thƣờng đƣợc nghiên cứu nhiều hơn và khả năng ứng dụng
rộng hơn so với anion. Các cation trao đổi thƣờng là Ca2+, Mg2+, NH4+, Na+, K+,
H+. Các anion trao đổi thƣờng là SO42-, Cl-, PO43-, NO3-.
Đại lƣợng đặc trƣng cho dung lƣợng trao đổi đƣợc tính bằng mili đƣơng
lƣợng trao đổi trên 100g mẫu. Dung lƣợng trao đổi cation (CEC) và anion (AEC)
của cao lanh rất nhỏ, thông thƣờng CEC chỉ khoảng 3 ÷15 meq/100g và AEC
khoảng 20,3 meq/100g.

Hình 1.3: Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt Kaolinit.

14


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

Bề mặt của kaolinit đƣợc chia thành bề mặt trong và bề mặt ngoài. CEC ở bề
mặt ngoài phụ thuộc nhiều vào sự gãy liên kết và sự tăng khuếch tán bề mặt hay sự
giảm kích thƣớc hạt. CEC ở bề mặt trong phản ánh toàn bộ điện tích âm chƣa cân
bằng trong mạng lƣới cấu trúc. Dung lƣợng trao đổi ion nói chung và CEC nói riêng
là tín hiệu cho biết số ion hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion
hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc cation hấp phụ lên
bề mặt ngoài của kaolinit. Hình 1.3 cho thấy rõ vị trí trao đổi ion ở bên ngoài hay
bên trong hạt kaolinit.
Cao lanh có khả năng hấp phụ kém. Độ hấp phụ của nó khoảng từ 1 ÷ 3% và chủ
yếu là hấp phụ bề mặt. Do vậy cao lanh ít có giá trị sử sụng làm chất hấp phụ.
Nhiệt độ nóng chảy của cao lanh: 1750 ÷ 1787oC. Khi nung nóng, cao lanh
có hiệu ứng thu nhiệt, pic ở 510 - 600oC liên quan đến sự mất nƣớc kết tinh và hiện
tƣợng không định hình của khoáng vật. Hai píc toả nhiệt từ 960 - 1000 và 1200oC
liên quan đến quá trình mulit hoá của các sản phẩm cao lanh không định hình, với
píc 1200oC là quá trình kết tinh của silic đioxit vô định hình để tạo thành cristobalit.
Việc nghiên cứu những biến đổi cấu trúc cao lanh khi nung chính là cơ sở
cho những ứng dụng của cao lanh trong nhiều ngành công nghiệp vật liệu và hoá
chất. Trong cao lanh cũng nhƣ nhiều loại khoáng sét khác có chứa một lƣợng nƣớc
nhất định khi còn ở nhiệt độ thấp (nhiệt độ thƣờng). Nhìn chung, nƣớc trong cấu
trúc khoáng sét đƣợc chia làm 3 loại: (1) nƣớc hấp phụ trong lỗ xốp, trên bề mặt và
xung quanh các hạt phân tử khoáng rời rạc; (2) nƣớc ở dạng hydrat, nƣớc ở dạng
xen kẽ giữa các lớp khoáng; (3) nƣớc nằm trong các khe, hốc giữa các đơn vị cấu
trúc dài (các nhóm OH cấu trúc). Nếu khoáng chứa loại (1) sẽ tốn ít năng lƣợng
nhất khi tiến hành loại bỏ nƣớc.
Các phân tử nƣớc trong cao lanh thuộc loại (1), chỉ là nƣớc hấp phụ bề mặt
và một số nằm trong lỗ xốp, do đó sẽ dễ dàng mất đi khi cao lanh bị nung nóng từ
100 ÷ 150oC. Khi cao lanh bị nung đến khoảng nhiệt độ 550 ÷ 700oC, nƣớc trong
cấu trúc (nhóm OH trong mạng lƣới) sẽ dần mất hết và kèm theo sự phá vỡ cấu trúc

15


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

cao lanh. Khi nhiệt độ tăng đến 900oC thì cấu trúc tinh thể cao lanh bị sập hoàn
toàn.
Việc xác định sự mất dần các nhóm OH ở các vị trí là dựa vào phƣơng pháp
nhiệt vi sai (DTA). Ngoài ra bằng phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA)
ngƣời ta xác định đƣợc khi nung cao lanh, song song với sự tăng nhiệt độ là sự giảm
của trọng lƣợng (lƣợng mất khi nung).

Hình 1.4: Vị trí các nhóm OH trong cấu trúc cao lanh.
Quá trình xử lý nhiệt cao lanh còn dẫn tới các pha khuyết tật, tuy nhiên các
pha khuyết tật này lại hoạt động hơn đối với quá trình kết tinh. Sơ đồ sau diễn tả
quá trình xử lý cao lanh bởi các nhiệt độ khác nhau.
550  650 C
 2Al2Si2O7 + 4H2O
2Al2Si2O5(OH)4 
0

925950 C
 Al4Si3O12 + SiO2
2Al2Si2O7 
0

1050 C

 2Al6Si2O23 + 5SiO2
3Al4Si3O12 
0

1.1.3 Ứng dụng
Cao lanh đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp nhƣ:
công nghiệp gốm sứ, giấy, sơn, cao su, sợi thuỷ tinh, chất dẻo, vật liệu xây dựng,
gạch chịu lửa, làm xúc tác cho công nghệ lọc dầu… Nhờ có khả năng hấp thụ đặc
biệt không chỉ các chất béo, chất đạm mà còn có khả năng hấp thụ cả các loại vi rút
và vi khuẩn, vì vậy, cao lanh đƣợc ứng dụng cả trong các lĩnh vực y tế, dƣợc phẩm,
mỹ phẩm....

16


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

Công nghiệp sản xuất giấy: trong công nghiệp giấy, cao lanh đƣợc sử dụng
làm chất độn tạo cho giấy có mặt nhẵn hơn, tăng độ kín, giảm độ thấu quang và làm
tăng độ ngấm mực in tới mức tốt nhất. Loại giấy thông thƣờng chứa 20% cao lanh,
có loại chứa tới 40%. Thông thƣờng, một tấn giấy cần 250 - 300 kg cao lanh. Chất
lƣợng cao lanh dùng làm giấy đƣợc xác định bởi độ trắng, độ phân tán và mức độ
đồng đều của các nhóm hạt.
Công nghiệp sản xuất đồ gốm: công nghiệp sản xuất sứ, gốm sứ dân dụng, sứ
mỹ nghệ, dụng cụ thí nghiệm, sứ cách điện, sứ vệ sinh,… đều sử dụng chất liệu
chính là cao lanh; chất liệu kết dính là sét chịu lửa dẻo, có màu trắng. Chất lƣợng
cao lanh đòi hỏi rất cao và phải khống chế các oxit tạo mầu (Fe2O3 và TiO2). Hàm
lƣợng Fe2O3 không đƣợc quá 0,4 - 1,5%; TiO2 không quá 0,4 - 1,4%; CaO không

quá 0,8% và SO3 không quá 0,4%.
Sản xuất vật liệu chịu lửa: trong ngành sản xuất vật liệu chịu lửa, ngƣời ta
dùng cao lanh để sản xuất gạch chịu lửa, gạch nửa axit và các đồ chịu lửa khác.
Trong ngành luyện kim đen, gạch chịu lửa làm bằng cao lanh chủ yếu đƣợc dùng để
lót lò cao, lò luyện gang, lò gió nóng. Các ngành công nghiệp khác cần gạch chịu
lửa với khối lƣợng ít hơn, chủ yếu để lót lò đốt, nồi hơi trong luyện kim mầu và
công nghiệp hóa học, ở nhà máy lọc dầu, trong công nghiệp thủy tinh và sứ, ở nhà
máy xi măng và lò nung vôi.
Chế tạo sợi thuỷ tinh: một lĩnh vực khác cũng sử dụng cao lanh tăng nhanh
hàng năm đó là dùng làm nguyên liệu vào của sản xuất sợi thuỷ tinh. Trong thành
phần của cao lanh có chứa cả silica và alumina, chất có trong thành phần của sợi
thuỷ tinh. Cao lanh đƣợc sử dụng đồng thời với một lƣợng nhỏ sắt và titan. Nguyên
nhân tăng nhu cầu sử dụng cao lanh trong lĩnh vực này bởi vì hạn chế khi sử dụng
nguyên liệu amiăng, loại chất gây hại cho sức khoẻ.
Lĩnh vực chất độn: cao lanh đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực làm chất
độn giấy, nhựa, cao su, hƣơng liệu,… Cao lanh có tác dụng làm tăng độ rắn, tính
đàn hồi, cách điện, độ bền của cao su, tăng độ cứng và giảm giá thành sản phẩm của

17


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

các chất dẻo nhƣ PE, PP, PVC... Trong sản xuất da nhân tạo (giả da), Cao lanh có
tác dụng làm tăng độ bền, độ đàn hồi.
Sản xuất xà phòng: Cao lanh có tác dụng đóng rắn khi sản xuất, hấp thụ dầu
mỡ khi sử dụng. Lĩnh vực sản xuất xà phòng yêu cầu cao lanh có độ hạt dƣới rây
0,053mm lớn hơn 90%; không lẫn cát, không lắng cặn trƣớc 8 giờ, hàm lƣợng

Fe2O3 ≤ 2-3%, TiO2 ≤ 1%; chất bazơ trao đổi ≤ 0,8-2% và cacbonat ≤ 15 - 20%.
Sản xuất gia công thuốc BVTV: Ở Mỹ, Chilê, Israel... cao lanh đã đƣợc dùng
để tăng hiệu quả sử dụng phân bón và thuốc BVTV với một số loại cây nhƣ: bông,
cây họ bầu bí, ớt, khoai tây, đậu nành, dâu tây, củ cải đƣờng, cà chua,.. Cao lanh
cũng đƣợc pha trộn với thuốc BVTV giúp giảm tác hại của côn trùng, nấm, vi
khuẩn và cháy nắng với cây trồng. Cao lanh đƣợc coi là một loại thuốc trừ sâu sinh
học. Khi hỗn hợp với thuốc BVTV, cao lanh có thể có hoạt tính với loại thuốc này
hoặc cũng có thể là thành phần trơ đối với loại thuốc khác. Cao lanh có độ hấp thụ
và khuếch tán lớn, bám tốt, trơ hóa học, tạp chất sắt thấp, không gây cháy lá, … nên
đƣợc sử dụng nhiều làm phụ gia, chất mang cho các loại thuốc BVTV dạng khô nhƣ
thuốc bột, hạt, bột thấm nƣớc, hạt phân tán trong nƣớc,… Công nghệ sản xuất thuốc
BVTV cần sử dụng cao lanh có độ khuếch tán lớn, cỡ hạt 22 μm từ 40 đến 75%.
Tổng hợp zeolit: cao lanh là nguyên liệu chính để tổng hợp zeolit, loại chất đƣợc
ứng dụng nhiều trong công nghiệp nhƣ hấp phụ, làm chất xúc tác…
Sản xuất sơn: cao lanh đƣợc sử dụng trong công nghiệp sơn có tác dụng tăng
độ bao phủ vì cao lanh các hạt cấu tạo chồng chéo nhau nó có đặc tính thấm nƣớc
bởi tính hấp thụ, có thể thay thế cho TiO2 do chi phí sử dụng TiO2 đắt hơn nhiều so
với cao lanh [8].
Trong các lĩnh vực khác, cao lanh đƣợc sử dụng làm nguyên liệu sản xuất xi
măng trắng, các chất tráng trong xây dựng, nguyên liệu trong sản xuất nhôm, phèn
nhôm…

18


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

1.2 Silic đioxit

1.2.1 Khái quát
Silic đioxit là một hợp chất hóa học còn có tên gọi khác là silica, là một oxit
của silic có công thức hóa học là SiO2 và nó có độ cứng cao đƣợc biết đến từ thời cổ
đại. Phân tử SiO2 không tồn tại ở dạng đơn lẻ mà liên kết với nhau thành một phân
tử rất lớn. Silic đioxit có hai dạng cấu trúc là tinh thể và vô định hình. Trong tự
nhiên nó tồn tại chủ yếu ở dạng tinh thể hoặc vi tinh thể (thạch anh, tridimit,
cristobalit, đá mã não), đa số silica tổng hợp nhân tạo đều đƣợc tạo ra ở dạng bột
hoặc dạng keo và có cấu trúc vô định hình. Một số dạng silica có cấu trúc tinh thể
có thể đƣợc tạo ra ở áp suất và nhiệt độ cao nhƣ coesit và stishovit.
1.2.2. Tính chất vật lý.
SiO2 là chất rắn màu trắng, khó nóng chảy, khó sôi (SiO2 nguyên chất sôi ở
2590oC). khi làm nguội chậm khối nóng chảy ta thu đƣợc dạng vô định hình (dạng
thủy tinh) là thủy tinh thạch anh. Những đặc trƣng của các dạng nhƣ sau
Thạch anh α (tam phƣơng): d = 2,646; tcp ( thạch anh β) 573oC.
Thạch anh β (lục phƣơng): d = 2,533; tnc = 1550oC.
Tridimit α (tứ phƣơng): d = 2,265; tcp ( tridimit β) =163oC
Tridimit β (lục phƣơng): d = 2,2192; tcp ( cristobalit β) = 1470oC
Cristobalit α (tứ phƣơng): d = 2.334;
Cristobalit β (lập phƣơng) d = 2.194; tnc = 1720oC
1.2.3. Tính chất hóa học.
Dạng tinh thể ít có khả năng phản ứng, dạng vô định hình hoạt động hơn. Rất
ít tan trong nƣớc, khi kết tủa đƣợc dạng hidrat SiO2.nH2O từ dung dịch. SiO2 thể
hiện tính axit, phản ứng với kiềm trong dung dịch và khi nóng chảy, nó không phản
ứng với oxy, clo và brom nhƣng rất dễ bị flo hóa.
SiO2 + 2F2  SiF4 + O2.
SiO2 + 4HF  SiF4 + 2H2O.
SiO2 + 2NaOH  Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2CO3  Na2SiO3.

19

Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

1.2.4 Ứng dụng.
Với SiO2 tinh thể, đƣợc ứng dụng nhiều trong xây dựng, trong việc sản xuất
các vật liệu gốm. Thạch anh tinh khiết đƣợc dùng làm thấu kính hay lăng kính. Cát
thạch anh tinh khiết đƣợc dùng để điều chế thủy tinh, sứ.
Ngƣời ta còn dùng SiO2 để làm chất chịu lửa gọi là dinat. Dinat đƣợc điều
chế bằng cách nung thạch anh nghiền nhỏ với 2 – 2,5% vôi ở 1700oC. Gạch diant
chỉ mềm ở 1700oC nên đƣợc dùng để lót lò mactin.
Đối với silic đioxit vô định hình, là SiO2 tổng hợp đƣợc ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất và cổ điển nhất là làm
chất độn, chất tăng cƣờng lực cho cao su: cao su tự nhiên, cao su butadiene –
styrene và cao su lƣu hóa. Khi dùng SiO2 làm chất độn cho cao su để làm lốp ô tô
thì có tác dụng tăng quãng đƣờng chạy của lốp lên gấp hai lần. Silica kết tủa đƣợc
dung nhiều để làm chất độn trong cao su sản xuất đế giầy, vì nó có tác dụng làm cho
đế giày xốp, mềm, nhẹ và bền hơn. Ứng dụng này sử dụng khoảng 40% silica kết
tủa.
SiO2 còn đóng vai trò nhƣ một chất mang vì nó có tính hút nƣớc (khoảng
70% khối lƣợng), làm cho chất lỏng trở nên khô và có thể trộn với chất khác ở bất
kì tỉ lệ nào. Do đó nó thƣờng dùng làm chất mang của một số phụ gia trong thức ăn
gia súc, thuốc bảo vệ thực vật.
Ở Việt Nam, việc sử dụng SiO2 vẫn chủ yếu là dạng tinh thể trong công nghệ
gốm sứ. Việc sản xuất SiO2 làm phụ gia chƣa đƣợc quan tâm nhiều, và mới chỉ ứng
dụng để làm chất hút ẩm nhƣ silicagen.
1.3. Vật liệu compozit
1.3.1. Khái niệm

Vật liệu compozit là vật liệu đƣợc chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu
khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ƣu việt hơn hẳn vật
liệu ban đầu. Vật liệu compozit đƣợc cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo
cho compozit có đƣợc các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các
thành phần của compozit liên kết, làm việc hài hoà với nhau.

20


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

1.3.2. Phân loại
Vật liệu compozit đƣợc phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật
liệu thành phần.
* Phân loại theo hình dạng:
+ Vật liệu compozit độn dạng sợi:
Khi vật liệu tăng cƣờng có dạng sợi, ta gọi đó là compozit độn dạng sợi, chất
độn dạng sợi gia cƣờng tăng cơ lý tính cho polyme nền.
+ Vật liệu compozit độn dạng hạt:
Khi vật liệu tăng cƣờng có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào
polyme nền. Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thƣớc ƣu tiên.
* Phân loại theo bản chất, thành phần:
+ Compozit nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ
(polyamit, kevlar…), sợi khoáng (thủy tinh, cacbon…), sợi kim loại (Bo, nhôm…)
+ Compozit nền kim loại: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…) cùng
với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)…
+ Compozit nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt
kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…

1.3.3. Cấu tạo của vật liệu compozit:
1.3.3.1. Polyme nền:
Là chất kết dính, tạo môi trƣờng phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang
độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu. Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn
hợp nhiều chất đƣợc trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục. Trong thực tế,
ngƣời ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polyme nền:
+ Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC…độn đƣợc trộn với nhựa, gia công trên máy
ép phun ở trạng thái nóng chảy.
+ Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyeste không no, gia công dƣới áp
suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyeste không no có thể tiến hành ở điều
kiện thƣờng, gia công bằng tay (hand lay-up method). Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn
cho vật liệu có cơ tính cao hơn nhựa nhiệt dẻo.

21


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

1.3.3.2. Chất độn (cốt):
Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thƣờng có tính chất cơ lý
cao hơn nhựa. Ngƣời ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:
+ Tính gia cƣờng cơ học.
+ Tính kháng hoá chất, môi trƣờng, nhiệt độ.
+ Phân tán vào nhựa tốt.
+ Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.
+ Thuận lợi cho quá trình gia công.
+ Giá thành hạ, nhẹ.
Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà ngƣời ta có thể chọn

loại vật liệu độn cho thích hợp. Có hai dạng độn:
+ Độn dạng sợi: sợi có tính năng cơ lý hoá cao hơn độn dạng hạt, tuy nhiên,
sợi có giá thành cao hơn, thƣờng dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấp nhƣ: sợi
thủy tinh, sợi carbon, sợi Bo, sợi cacbua silic, sợi amit,…
+ Độn dạng hạt: thƣờng đƣợc sử dụng là : silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim
loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphit, cacbon,… khả năng gia
cƣờng cơ tính của chất độn dạng hạt dƣợc sử dụng với mục đích sau:
- Giảm giá thành
- Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện,
khả năng chậm cháy đối với độn tăng cƣờng.
- Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao.
- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi
trong cấu tạo tăng cƣờng sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn. Cốt sợi cũng có thể là sợi
tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông…), có thể là sợi nhân tạo
(sợi thuỷ tinh, sợi vải,..).
Ngoài ra còn có chất pha loãng, chất tách khuôn, chất làm kín và các phụ gia khác.
1.3.4. Ứng dụng:
+ Thế giới:
Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu compozit đã đƣợc nhiều

22


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến. Việc nghiên cứu và áp dụng thành
công vật liệu này đã đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới áp dụng. Đại chiến thế giới thứ
hai, nhiều nƣớc đã sản xuất máy bay, tàu chiến và vũ khí phục vụ cho cuộc chiến

này. Cho đến nay thì vật liệu compozit polyme đã đƣợc sử dụng để chế tạo nhiều
chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô; Dựa trên những ƣu thế đặc biệt nhƣ giảm trọng lƣợng,
tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên
liệu cho máy móc. Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn
cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác của các hãng nhƣ
Boing 757, 676 Airbus 310… Trong ngành công nghiệp điện tử đƣợc sử dụng để
sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện. Ngành công nghiệp đóng tàu,
xuồng, ca nô; các ngành dân dụng nhƣ y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép
sọ…, ngành thể thao, các đồ dùng thể thao nhƣ gậy golf, vợt tennis… và các ngành
dân dụng, quốc kế dân sinh khác.
+ Việt Nam:
Vật liệu compozit đƣợc áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền
kinh tế quốc dân. Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu compozit đƣợc tiêu thụ ở
Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm; tại Hà Nội đã có nhiều đề tài nghiên cứu về
compozit cấp thành phố đƣợc tuyển trọn, theo đó vật liệu compozit đƣợc sử dụng
nhiều trong đời sống xã hội. Tại khoa răng của bệnh viện trung ƣơng Quân đội 108
đã sử dụng vật liệu compozit vào trong việc ghép răng thƣa, các ngành thiết bị giáo
dục, bàn ghế, các giải phân cách đƣờng giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống
máng trƣợt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động
và các trung tâm văn hoá…Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu compozit vào
các lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách
điện.

23


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Với mục đích đặt ra là nghiên cứu quá trình tách SiO2 từ nguồn cao lanh tự
nhiên, đảm bảo đáp ứng yêu cầu chất lƣợng để ứng dụng làm chất độn cho vật liệu
compozit, cần sử dụng một số phƣơng pháp phân tích hàm lƣợng, cấu trúc của vật
liệu nhƣ sau:
2.1 Các phƣơng pháp phân tích
2.1.1. Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X (XRF):
Nguyên lý phát huỳnh quang tia X:
Cấu tạo của vật chất bao gồm nguyên tử, và khi vật thể đó bị bắn phá bởi
chùm electron hoặc tia X thì tia X với bƣớc sóng (năng lƣợng) xác định sẽ phát ra
từ vật thể. Khi vật liệu bị bắn phá bởi chùm electron hoặc chùm tia X, thì nó sẽ phát
ra chùm tia X mới, đó là đặc tính của tia X. Huỳnh quang tia X là 1 đặc tính của tia
X, đƣợc sinh ra do vật liệu bị bắn phá bởi tia X.

Hình 2.1: Nguyên lý phát huỳnh quang tia X
Ứng dụng của quang phổ huỳnh quang tia X:
Nhƣ mô tả ở trên, tia X đƣợc phát ra do kết quả bắn phá vật thể (mẫu) của tia
X gọi là huỳnh quang tia X. Do những huỳnh quang này có năng lƣợng (hay bƣớc
sóng) đặc trƣng phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tố, do vậy những nguyên tố có thể
đƣợc phát hiện nhờ việc đo năng lƣợng huỳnh quang (bƣớc sóng) của chúng. Do
cƣờng độ huỳnh quang tia X tỷ lệ với hàm lƣợng nguyên tố tƣơng ứng, do vậy hàm

24


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

lƣợng mỗi nguyên tố có thể đƣợc ƣớc lƣợng qua việc đo cƣờng độ huỳnh quang

này. Phƣơng pháp phân tích này gọi là phân tích huỳnh quang tia X (XRF).

Hình 2.2: Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X (XRF)
2.1.2. Phương pháp phân tích nhiệt
 Nguyên tắc:
Khi đốt nóng mẫu sẽ xảy ra những biến đổi về khối lƣợng, thành phần, cấu
trúc và có thể xảy ra một hay nhiều phản ứng hoá học giữa các thành phần, các
nguyên tố trong mẫu ở một nhiệt độ nào đó. Khi những biến đổi đó xảy ra thƣờng
kèm theo các hiệu ứng thu nhiệt hay toả nhiệt. Tất cả những hiệu ứng trên đƣợc xác
định và ghi trên các giản đồ. Kết quả ghi trên giản đồ nhiệt cùng với các phƣơng pháp
phân tích, khảo sát khác sẽ giúp ta rút ra đƣợc những kết luận bổ ích về sự biến đổi
của mẫu theo nhiệt độ đốt nóng chúng.
Trong phép phân tích nhiệt, ngƣời ta thƣờng sử dụng hai phƣơng pháp là
phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai DTA và phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng
lƣợng TGA.
 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai:
Khi đốt nóng một mẫu, việc xuất hiện các hiệu ứng nhiệt rất nhỏ sẽ khó hoặc
không phát hiện đƣợc bằng các kỹ thuật đo thông thƣờng. Vì vậy, phải dùng
phƣơng pháp DTA hoặc DSC. Phƣơng pháp DTA và DSC sử dụng một cặp pin

25


Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

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 đƣờng DTA hoặc đƣờng DSC sẽ xuất hiện các đỉnh (pic) tại
điểm mà mẫu có sự biến đổi.
Phƣơng pháp này cho ta biết sơ bộ về các hiệu ứng nhiệt xảy ra, định tính và
sơ bộ về định lƣợng các hợp phần có trong mẫu mà chúng ta khảo sát.
 Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA):
Phƣơng pháp này dựa vào sự thay đổi trọng lƣợng của mẫu cần nghiên cứu
khi ta đem nung nóng mẫu đó. Khi mẫu đƣợc đốt nóng, trọng lƣợng của mẫu bị thay
đổi là do mẫu bị phân huỷ nhiệt tạo ra khí thoát ra nhƣ hơi nƣớc, khí CO2 (phân huỷ
hợp phần cacbonat,...), SO2 (phân huỷ các hợp phần sunfua) hay do mẫu bị mất
nƣớc vật lý (ẩm – hấp phụ), nƣớc cấu trúc (nƣớc hiđrat – nƣớc kết tinh trong tinh
thể mẫu). Nếu cân liên tục một mẫu bị đốt nóng, ta có thể biết sự thay đổi về trọng
lƣợng của mẫu ứng với sự thay đổi về nhiệt độ.
Kết hợp hai phƣơng pháp DTA (hoặc DSC) và TGA cho phép xác định sự
biến thiên trọng lƣợng, hiệu ứng nhiệt tƣơng ứng theo nhiệt độ đốt nóng. Đây là
những thông số cho phép ta xác định đƣợc lƣợng nƣớc hyđrat cũng nhƣ xác lập các
phản ứng phân huỷ nhiệt có thể có cũng nhƣ dự đoán các thành phần sau từng giai
đoạn tăng nhiệt độ.
2.1.3. Phương pháp phân tích cấu trúc bằng giản đồ XRD
Dùng tia X ngƣời ta có thể xác định các hợp chất có mặt trong mẫu, xác định
đƣợc loại tinh thể có trong mẫu, phân biệt đƣợc các dạng kết tinh khác nhau của
cùng một chất mà không phá hủy mẫu, chỉ cần lƣợng mẫu ít, phân tích nhanh, quá
trình phân tích dễ thực hiện.
Nguyên tắc:
Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể đƣợc 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 lƣới tinh thể thì mạng lƣới

26