Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu gốm diopsit CaO.MgO.2SiO2 và nghiên cứu ảnh hưởng của ZrO2 đến cấu trúc, tính chất của vật liệu
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.72 MB, 78 trang )
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
TRẦN THỊ THẢO
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP
VẬT LIỆU GỐM DIOPSIT CaO.MgO.2SiO2
VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ZrO2
ĐẾN CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
Hà Nội – Năm 2013
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Trần Thị Thảo
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU GỐM DIOPSIT
CaO.MgO.2SiO2 VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ZrO2 ĐẾN CẤU TRÚC,
TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
Chuyên ngành: Hóa Vô cơ
Mã số: 60440113
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGHIÊM XUÂN THUNG
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
Hà Nội – Năm 2013
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nghiêm Xuân
Thung đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm
luận văn.
Em xin cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị trong phòng Vật Liệu Vô Cơ –
Khoa Hóa học – Trường ĐH Khoa học Tự nhiên – ĐH Quốc gia Hà Nội đã tạo
điều kiện cho em hoàn thành luận văn .
Em cũng xin cảm ơn thầy cô giáo Khoa Hóa học – Trường ĐH Khoa học
Tự nhiên – ĐH Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn tốt
nghiệp.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã động viên tinh
thần và giúp đỡ để em hoàn thành luận văn của mình.
Em xin chân thành
cảm ơn!
Hà Nội, tháng 12 năm 2013
H ọc viên
Trần Thị Thảo
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU, ĐƠN VỊ ĐO
a: Thông số ô mạng theo phương OX
b: Thông số ô mạng theo phương OY
c: Thông số ô mạng theo phương OZ
dhkl: Khoảng cách giữa các mặt thuộc họ (hkl)
DTA: Phân tích nhiệt vi sai
SEM: Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
TG: Đường khối lượng
TEM: Kính hiển vi điện tử truyền qua (Tranmission Electron Microscope)
XRD: Nhiễu xạ tia X
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
MỤC LỤC
Trang
Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha diopsit vào
hàm lượng ziriconi (IV) oxit
48.....................................................................................................................12
Hình 3.25: Đồ thị biểu diễn độ hút nước phụ thuộc vào hàm lượng
ZrO2 52...........................................................................................12
Bảng 2.2: Thành phần nguyên liệu trong các mẫu có ZrO2
28.....................................................................................................................13
Bảng 3.5: Kết quả xác định độ co ngót của các mẫu ............................14
với hàm lượng ZrO2 khác nhau
51.....................................................................................................................14
Chương 1 TỔNG QUAN............................................................................16
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU GỐM.................................................16
1.1.1. Vật liệu gốm [10].................................................................................16
Độ cứng thang Mohs.......................................................................................17
9.......................................................................................................................17
7.......................................................................................................................17
56....................................................................................................................17
Môđun đàn hồi E ở 20oC (kg/cm2)..................................................................17
2,9.106.............................................................................................................17
Hệ số giãn nở nhiệt α trong khoảng 201000oC (1/oC)..................................17
1.1.2. Các phương pháp tổng hợp gốm [10]....................................................17
1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ BẬC BA CaOMgOSiO2...............................20
1.2.1. Khái quát về các oxit trong hệ CaOMgOSiO2....................................20
1.2.2. Khái quát về gốm hệ CaOMgOSiO2 [17]...........................................23
1.3. GIỚI THIỆU VỀ GỐM DIOPSIT...................................................................25
1.3.1. Cấu trúc của Diopsit [3, 29]...................................................................25
1.3.2. Tính chất của gốm Diopsit [30].............................................................26
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
1.3.3. Ứng dụng của gốm Diopsit...................................................................27
1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng giữa các pha rắn.......................28
1.4.3. Phản ứng phân hủy nhiệt nội phân tử [10]...........................................31
Hình 1.6. Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg...........................................34
1.5.3. Hình ảnh quét bằng kính hiển vi điện tử SEM [27]..............................34
Hình 1.7. Sơ đồ khối các bộ phận của kính hiển vi điện tử quét........35
.............................................................................37
Hình 1.8. Mô hình thiết bị đo cường độ kháng nén.................................37
Chương 2. THỰC NGHIỆM.......................................................................39
2.1. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN..............................................39
2.1.1. Mục tiêu của luận văn..........................................................................39
Nghiên cứu tổng hợp gốm Diopsit CaO.MgO.2SiO2 và ảnh hưởng của
Ziriconi (IV) oxit đến cấu trúc và tính chất của gốm......................................40
2.1.2. Các nội dung nghiên cứu của luận văn.................................................40
2.2. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT..........................................................40
2.2.1. Hóa chất................................................................................................40
2.2.2. Dụng cụ.................................................................................................40
2.3. THỰC NGHIỆM .............................................................................................41
2.3.1. Chuẩn bị mẫu........................................................................................41
2.3.2. Cách làm................................................................................................41
2.3.3. Phân tích nhiệt của các mẫu nghiên cứu................................................42
Bảng 2.2: Thành phần nguyên liệu trong các mẫu có ZrO2..................45
2.3.7. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến các tính chất
của vật liệu.....................................................................................................45
Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................47
3.1. Kết quả phân tích thành phần bột talc............................................................47
3.2. Kết quả phân tích nhiệt bột talc......................................................................48
3.3. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu hỗn hợp (talc, SiO2, canxi cacbonat)........50
3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành diopsit .......61
3.6.1. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X ( X Ray)...........................................61
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha diopsit........65
vào hàm lượng ziriconi (IV) oxit.................................................................65
3.6.2. Kết quả ảnh SEM .................................................................................66
3.7. Ảnh hưởng của Ziriconi (IV) oxit đến các tính chất của vật liệu...........68
Bảng 3.5. Kết quả xác định độ co ngót của các mẫu ...........................69
với hàm lượng ZrO2 khác nhau.................................................................69
Hình 3.25: Đồ thị biểu diễn độ hút nước phụ thuộc vào hàm lượng
ZrO2...............................................................................................................70
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
Mục lục các hình
Hình 1.1: Phương pháp gốm truyền thống để sản xuất vật liệu gốm
5
Hình 1.2:
Sơ
đồ
biến đổi dạng tinh thể của SiO 2
7
Hình 1.3: Hệ bậc ba CaO – MgO – SiO2
9
Hình
1.3:
Cấu
trúc
của
diopside,
CaMgSi2O6
11
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 nhiễu xạ tia X của mẫu bột talc
31
Hình 3.2: Giản đồ phân tích nhiệt DTATG mẫu talc Phú Thọ
32
Hình 3.3: Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp
33
Hình 3.4: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu không có chất khoáng hóa
34
Hình 3.5: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu khoáng hóa CH3COOLi
35
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
Hình 3.6: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu khoáng hóa CH3COONa
35
Hình 3.7: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu khoáng hóa CH3COOK
36
Hình 3.8: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 1% CH 3COONa
39
Hình 3.9: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 2% CH 3COONa
39
Hình 3.10: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 3% CH 3COONa
40
Hình 3.11: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 4% CH 3COONa
40
Hình 3.12: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 5% CH 3COONa
41
Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha diopsit
vào
hàm
lượng
chất
khoáng
hóa
CH3COONa
43
Hình 3.14: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 0,5% ZrO2
44
Hình 3.15: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 1% ZrO2
44
Hình 3.16: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 1,5%
45
Hình 3.17: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 2% ZrO2
45
Hình 3.18: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 2,5% ZrO2
46
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
Hình 3.19: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 3% ZrO2
46
Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha diopsit vào hàm lượng
ziriconi (IV) oxit
48
Hình 3.21: Ảnh SEM của mẫu M20
49
Hình 3.22: Ảnh SEM của mẫu M23
49
Hình 3.23: Ảnh SEM của mẫu M26
50
Hình 3.24: Đồ thị biểu diễn độ co ngót phụ thuộc vào hàm lượng ZrO2
51
Hình 3.25: Đồ thị biểu diễn độ hút nước phụ thuộc vào hàm lượng ZrO2
52
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
Mục lục các bảng
Bảng 1.1: Bảng tính chất cơ bản của một số gốm đơn oxit
3
Bảng 2.1: Thành phần nguyên liệu trong các mẫu có chất khoáng hóa
27
Bảng 2.2: Thành phần nguyên liệu trong các mẫu có ZrO2
28
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của khoáng talc
30
Bảng 3.2: Các pic đặc trưng của các pha tinh thể trong các mẫu có chất khoáng
hóa và không có chất khoáng hóa
37
Bảng 3.3: Các pic đặc trưng của các pha tinh thể trong các mẫu
có chất khoáng hóa CH3COONa 42
Bảng 3.4: Các pic đặc trưng của các pha tinh thể trong các mẫu có hàm lượng
ZrO2 khác nhau 47
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
Bảng 3.5: Kết quả xác định độ co ngót của các mẫu
với hàm lượng ZrO2 khác nhau
51
Bảng 3.6: Kết quả đo độ hút nước
52
Bảng 3.7: Độ xốp và tỉ khối của các mẫu có hàm lượng ZrO2 khác nhau
53
Bảng 3.8: Kết quả đo cường độ nén
54
Bảng 3.9: Hệ số giản nở nhiệt của các mẫu
54
Bảng 3.10. Kết quả đo độ bền xốc nhiệt
55
Bảng 3.11. Kết quả đo độ chịu lửa
55
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
MỞ ĐẦU
Việt Nam là một trong những quốc gia có nghề gốm sứ xuất hiện khá
sớm. Theo các tài liệu cổ, gốm sứ đã xuất hiện ở Việt Nam từ một vạn năm
trước đây, 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 diopsit (CaO.MgO.2SiO2) là một trong những loại gốm mới có nhiều
tính chất vượt trội: như có độ bền cơ học cao, có tính đàn hồi, 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 diopsit 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 diopsit sẽ góp phần vào sự phát
triển của ngành công nghệ vật liệu gốm.
Hiện nay có rất nhiều phương pháp tổng hợp gốm diopsit: Phương pháp
truyền thống, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp solgel, 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
diopsit từ các khoáng chất có sẵn trong tự nhiên như: đá vôi, khoáng talc, thạch
anh…để thu được diopsit 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, chúng tôi chọn đề tài cho luận văn: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu gốm
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
diopsit CaO.MgO.2SiO2 và nghiên cứu ảnh hưởng của ZrO2 đến cấu trúc, tính
chất của vật liệu”.
Chương 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.
Đặc tính cơ: vật liệu gốm có độ rắn cao nên được dùng làm vật liệu mài,
vật liệu giá đỡ…
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…).
Đặc tính điện: độ dẫn điện của vật liệu gốm thay đổi trong một phạm vi
khá rộng từ dưới 10
1
.cm1 đến 1012
1
.cm1. 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.
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
Đặc tính quang: 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.
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…
Bảng 1.1: Bảng tính chất cơ bản của một số gốm đơn oxit [7]
Corinđon
Zircon
Manhedi
(α Al2O3)
(ZrO2)
(MgO)
tonc (oC)
2050
25002600
2830
d (g/cm3)
3,994
5,6
3,58
Độ cứng thang Mohs
9
7
56
Môđun đàn hồi E ở 20oC (kg/cm2)
3,8.106
Gần 1,7.106
2,9.106
8.106
(810)106
14,2.106
26,9
1,5
29,5
Tính chất
Hệ số giãn nở nhiệt α trong khoảng
o
o
201000 C (1/ C)
Độ dẫn nhiệt ở 100oC (kcal/mh độ)
1.1.2. Các phương pháp tổng hợp gốm [10]
1.1.2.1. Phương pháp solgel
Phương pháp solgel ra đời từ những năm 19501960 và được phát triển khá
nhanh chóng do có nhiều ưu điểm nhưng
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
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.
Vì vậy phương pháp này đã được nhiều tác giả sử dụng để tổng hợp vật
liệu gốm và các hợp chất silicat.
Nguyên tắc của phương pháp 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 axitbazơ, 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. Phương 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. Phương pháp phân tán rắn lỏng
Luận văn tốt nghiệp Hóa 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. Phương pháp điều chế gốm truyền thống
Có thể mô tả phương pháp gốm truyền thống theo dạng sơ đồ sau:
Chuẩn bị
Nghiền
Phối liệu
Trộn
Ép viên
Nung
Sản
phẩm
Hình 1.1: Phương 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. Phải chọn loại
dung môi nào để trong quá trình nghiền dễ thoát ra khỏi phối liệu (có thể dùng
rượu etylic, axeton…).
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
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 các mao quản. Để thu được mẫu phối liệu có độ xốp thấp
cần phải sử dụng phương pháp nén nóng (tức là vừa nén vừa gia nhiệt). Việc tác
động đồng thời cả nhiệt độ và áp suất đòi hỏi phải có thời gian để thu được mẫu
phối liệu có độ chắc đặc cao.
Giai đoạn nung: là thực hiện phản ứng giữa các pha rắn đây là công đoạn
được xem là quan trọng nhất. Phản ứng giữa các pha rắn không thể thực hiện
hoàn toàn, nghĩa là sản phẩm vẫn còn có mặt chất ban đầu chưa phản ứng hết
nên thường phải tiến hành nghiền trộn lại rồi ép viên, nung lại lần hai. Đôi lúc
còn phải tiến hành nung vài lần như vậy.
Bên cạnh các phương pháp tổng hợp đã trình bày ở trên còn có một số
phương pháp tổng hợp khác như: kết tinh từ dung dịch, điện hoá, tự bốc cháy,
thủy nhiệt …
Phương pháp gốm truyền thống thuận lợi trong khâu trộn phối liệu. Vì vậy
chúng tôi lựa chọn phương pháp gốm truyền thống để tổng hợp gốm diopsi t từ
talc, thạch anh và canxi cacbonat.
1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ BẬC BA CaOMgOSiO2
1.2.1. Khái quát về các oxit trong hệ CaOMgOSiO2
1.2.1.1. Canxi oxit (CaO) [30]
Phân tử gam : 56,08 g/mol.
Tỷ trọng : 3,35 g/cm3
Điểm nóng chảy : 2572oC
Điểm sôi : 2850oC
Độ tan trong nước : có phản ứng với nước.
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
Canxi oxit là chất rắn màu trắng, dạng tinh thể lập phương tâm mặt. Về
mặt hóa học canxi oxit là một oxit bazơ, có thể bị kim loại kiềm, nhôm, silic khử
về kim loại. Canxi oxit chủ yếu được điều chế từ canxi cacbonat (CaCO 3) bằng
cách phân hủy nhiệt ở khoảng 900oC.
CaCO3
CaO + CO2
1.2.1.2. Magie oxit (MgO) [30]
Phân tử gam : 40,30 g/mol
Tỷ trọng : 1,5 g/cm3
Điểm nóng chảy : 2852oC
Điểm sôi : 3600oC
Cũng giống như canxi ôxit, magiê ôxit là chất bột hoặc cục màu trắng, dạng
bột tan ít và tan rất chậm trong nước. Nguồn MgO là khoáng talc, đôlômit,
cacbonat magiê…Magie oxit có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt, có nhiệt
độ nóng chảy cao. Tuy nhiên MgO dễ dàng tạo pha ơtecti với các ôxít khác và
nóng chảy ở nhiệt độ rất thấp. Độ giãn nở nhiệt thấp và khả năng chống rạn
men là hai đặc tính quan trọng của ôxít magiê.
1.2.1.3. Silic oxit (SiO2) [4, 30]
Ở điều kiện thường, SiO2 thường tồn tại ở các dạng thù hình là: thạch
anh,
tridimit và cristobalit. Mỗi một dạng thù hình này lại có hai dạng: dạng bền ở
nhiệt độ thấp và dạng bền ở nhiệt độ cao. Sự biến đổi thù hình của SiO2 được
trình bày trên hình 1.2.
tridimit
117 oC
thạch anh β β tridimit β cristobalit
573oC 163oC 253oC
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
α thạch anh 870oC α tridimit 1470oC α cristobalit 1728oC
nc
1050oC
Hình 1.2: Sơ đồ biến đổi dạng tinh thể của SiO2
Trong thực tế nhiệt độ chuyển hóa các dạng thù hình của SiO2 còn phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như sự có mặt của các chất khoáng hóa, chế độ nâng
nhiệt, áp suất.
Tất cả các dạng tinh thể này đều bao gồm các nhóm tứ diện SiO 4 nối với
nhau qua nguyên tử oxi chung. Trong tứ diện SiO 4, nguyên tử Si nằm ở tâm tứ
diện liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử oxi nằm ở đỉnh của tứ diện.
Vì quá trình biến đổi dạng thù hình này sang dạng thù hình khác của SiO2
xảy ra chậm và cần năng lượng hoạt hóa cao, cho nên thạch anh, cristobalit,
tridimit đều tồn tại trong tự nhiên.
Ở nhiệt độ thường chỉ có thạch anh α bền nhất còn các tinh thể khác là giả
bền. Thạch anh nóng chảy ở 16001670oC nhiệt độ nóng chảy của nó không thể
xác định chính xác được vì sự biến hóa một phần sang những dạng đa hình khác
với tỉ lệ khác nhau tùy theo điều kiện bên ngoài.
Về mặt hóa học SiO2 rất trơ, nó không tác dụng với oxi, clo, brom và các
axit kể cả khi đun nóng. Nó chỉ tác dụng với flo và HF ở điều kiện thường, SiO 2
tan
trong kiềm hay cacbonat kim loại kiềm nóng chảy.
SiO2 + 2NaOH
Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2CO3
Na2SiO3 + CO2
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
Những phản ứng này xảy ra chậm, ở trong dung dịch SiO 2 sôi khi ở dạng
bột mịn.
Thạch anh thuộc loại khoáng vật phổ biến, tinh thể tinh khiết được dùng
để làm thấu kính, lăng kính, để chế thủy tinh, sứ và xi măng.
1.2.2. Khái quát về gốm hệ CaOMgOSiO2 [17]
Gốm hệ CaO.MgO.SiO2 với những tính chất tốt về mặt cơ học và mặt hóa
học như: trong suốt, độ bền cơ học cao, chịu mài mòn, hệ số giãn nở nhiệt thấp,
bền trong môi trường axit và bazơ do đó có nhiều ứng dụng trong y học, gốm
phủ…Tuy nhiên hệ này đòi hỏi nhiệt độ tổng hợp tương đối cao (hình 1.3). Để
giảm được nhiệt độ tổng hợp trước hết thành phần nguyên liệu cần phải được
tối ưu hóa sao cho gần với điểm ơtecti của hệ
Hình 1.3: Hệ bậc ba CaO – MgO – SiO2
Nhìn vào giản đồ pha ta thấy:
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
Các pha xảy ra trong ba hệ hai cấu tử chính cũng có miền trong hệ ba cấu tử
là: (1) Cristobalite (SiO2), (2) tridymite (SiO2), (3) pseudowollastonite (
CaO.SiO2), (4) tricalcium disilicat (3CaO. 2SiO 2), (5) canxi orthosilicate (
2CaO.SiO2), (6) vôi (CaO), (7) periclase (MgO), (8) forsterit (2MgO.SiO2).
Các hợp chất hai cấu tử không có miền trong hệ bậc ba là: (1) Tricalcium
silicat, 3CaO.SiO2, (2) clinoenstatite (MgO.SiO2).
Hợp chất ba cấu tử có miền trong hệ ba cấu tử là: (1) diopsit
(CaO.MgO.2SiO2), (2) 2CaO.MgO.2SiO2.
Các pha bổ sung có miền trong hệ ba cấu tử không có hợp phần cố định
nhưng về đặc tính là ba cấu tử. Đó là:
+ Dung dịch rắn wollastonit ( CaO.SiO2), bao gồm cả hai dãy dung dịch rắn
hay một khu vực dung dịch rắn. Một dãy có thể chứa tới 18 phần trăm mol
diopsit
(CaO.MgO.2SiO2) và dãy khác lên tới 44 phần trăm mol hợp chất
2CaO.MgO.2SiO2. Nếu khu vực dung dịch rắn tồn tại, nó có thể sẽ mở rộng từ
dãy này tới dãy khác tạo thành một khu vực hình tam giác với đỉnh là hợp phần
CaO.SiO2. Sự chuyển pha wollastonitpseudowollastonit, CaO.SiO2
CaO.SiO2 thường xảy ra ở 1200°C. Nhưng nhiệt độ chuyển pha này được nâng
lên bằng cách thêm vào chất hòa tan và đạt cực đại 1343oC với dãy diopsit và
1365oC với dãy 2CaO.MgO.2SiO2.
+ Dung dịch rắn pyroxen tạo thành một chuỗi liên tục với các phần cuối
cùng, diopsit (CaO.MgO.2SiO2) và clinoenstatit (MgO.SiO2), tất cả xảy ra như là
pha chính.
+ Dung dịch rắn monticellit (CaO.MgO.SiO2) chứa tới 11% forsterit
(2MgO.SiO2) được biểu diễn một phần như là pha chính.
Luận văn tốt nghiệp Hóa Vô
cơ
Trong hệ CaO. MgO.SiO2 điểm dễ nóng chảy nhất ứng với thành phần %
về số mol như sau: 0,8 MgO; 61,4 SiO2; 30,6 CaO ở nhiệt độ 1320oC. Trong hệ
có bốn hợp chất 3 cấu tử:
Diopsit: CaO.MgO.2SiO2
Monticellit: CaO.MgO.SiO2
Merwinit: 3CaO.MgO.2SiO2
Akermanit: 2CaO.MgO.2SiO2
Trong luận văn này chúng tôi tiến hành tổng hợp vật liệu gốm diopsit
(CaO.MgO.2SiO2).
1.3. GIỚI THIỆU VỀ GỐM DIOPSIT
1.3.1. Cấu trúc của Diopsit [3, 29]
Diopsit có công thức CaO.MgO.2SiO2 hay CaMg[Si2O6]. Theo lý thuyết gồm
có 18,51% MgO; 25,93% CaO và 55,55% SiO2 về khối lượng. Tinh thể đơn tà.
Thuộc nhóm pyroxen của họ inosilicat. Có cấu trúc dạng chuỗi, các tứ diện SiO 44
nối với nhau qua hai ion O2 tạo thành mạch dài, giữa các mạch đó phân bố các
cation Ca2+, Mg2+, được thể hiện trên hình 1.4. Các ion này có thể được thay thế
đồng hình bởi các ion khác như Co2+, Fe3+, Cr3+,… Công thức khung có thể viết
[SiO3]2 hoặc [Si2O6]4.
