(Luận văn thạc sĩ) 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
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.76 MB, 88 trang )
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
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ 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 vơ 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
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ 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
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ 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
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ 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
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ 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 mơ hình Bragg ..........................................................26
Hình 2.2. Sơ đồ khối của thiết bị phân tích nhiệt .....................................................28
Hình 2.3. Sơ đồ ngun 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 khống 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
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ 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
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ 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 mơ được tạo thành
bởi sự kết tinh kiểm sốt 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 sốt để có năng lượng thấp hơn.
Gốm thủy tinh hệ CaO - MgO - SiO2 có những tính chất cơ học, hố 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 khống 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 khống 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-MgOSiO2 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
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ 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 q 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 cịn 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 mịn cao hơn nhiều so với thuỷ tinh thường.
- Có thể điều chỉnh thành phần hố 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
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ 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 khơng 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 thơng 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 lị
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,….
Ngồi 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 cơng 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
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
của sự tạo mầm. Các dạng này có quan hệ với các chất tạo mầm và có thể là kim
loại (vd: Au, Ag, Pt, và Pd) hoặc phi kim loại (Vd: TiO2, P2O5 và những Florua).
Tốc độ của sự tạo mầm phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ. Một khi mầm đã được hình
thành ổn định thì sự phát triển tinh thể bắt đầu. Sự phát triển kéo theo sự chuyển
động của các nguyên tử các phân tử từ thuỷ tinh, ngang qua bề mặt tinh thể thuỷ
tinh và vào trong tinh thể. Việc điều kiển quá trình này là do sự khác nhau trong thể
tích hoặc năng lượng hố học tự do Gv giữa thuỷ tinh và trạng thái tinh thể.
Một quá trình kết tinh thông thường gồm hai giai đoạn:
Giai đoạn tạo mầm
Giai đoạn mầm phát triển thành tinh thể
Căn cứ vào cơ chế tạo mầm có thể chia làm hai loại kết tinh:
Kết tinh tự phát hay tự kết tinh
Kết tinh cưỡng bức hay kết tinh định hướng
1.1.2.1. Quá trình tự kết tinh [7]
Qúa trình tự kết tinh xảy ra kèm theo hiệu ứng toả nhiệt do đó sau khi kết
tinh hệ trở nên bền vững hơn. Trong qúa trình này mầm tinh thể được tạo thành do
bản thân chuyển đổi nội tại của hệ tạo thuỷ tinh từ trạng thái ít ổn định nhiệt động
trạng thái ổn định hơn.
Khả năng kết tinh được xác định, đánh giá, và khảo sát thông qua hai dữ liệu
tốc độ tạo mầm (Vtm) và tốc độ phát triển tinh thể (vft) ứng với hai giai đoạn tạo
mầm và phát triển mầm.
Với một hệ cho trước, khi làm lạnh nếu ta xét đến khả năng kết tinh nghĩa là
xét đến tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển tinh thể của nó, ta sẽ thấy có 5 trường
hợp có thể xảy ra như:
4
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
Trường hợp 1: Cực đại tạo
mầm nằm ở nhiệt độ cao hơn cực
đại phát triển tinh thể. Khi làm
lạnh hệ này sẽ thường bị kết tinh
không phụ thuộc vào tốc độ làm
lạnh.
Trường hợp 2: Ngược lại,
luôn cho thuỷ tinh vi tinh thể trong
vùng nhiệt độ có khả năng tạo
mầm thì tốc độ phát triển tinh thể
đã ~ 0. Trong thực tế hay gặp hai
vùng nhiệt độ tạo mầm và phát
triển mầm tinh thể.
Trường hợp 3: Khi làm lạnh chậm sẽ có các tinh thể nhỏ mịn. Nếu làm lạnh
nhanh trong vùng nhiệt độ tạo mầm không đủ mầm nên xuất hiện trong thuỷ tinh
một ít tinh thể riêng biệt.
Trường hợp 4: Khi làm lạnh nhanh hệ sẽ tạo thuỷ tinh. Vì khả năng tạo mầm
xảy ra khi Vft đã quá bé. Nếu làm lạnh chậm thì trong thuỷ tinh sẽ có một lượng
nhỏ tinh thể.
Trường hợp 5: Khi làm lạnh nhanh sẽ tạo các tinh thể thô. Nếu làm lạnh
chậm lượng mầm xuất hiện đáng kể khi đó Vft bé, khơng đủ thời gian và vật chất để
phát triển nên tạo ra các tinh thể nhỏ mịn.
Ngồi ra, q trình ngược lại - q trình đốt nóng thuỷ tinh và sự kết tinh
cũng rất quan trọng. Khi đốt nóng (chiều ngược lại với làm lạnh) nếu giữ hệ lâu ở
nhiệt độ tạo mầm cực đại sẽ xuất hiện một lượng mầm đáng kể mà khi đốt nóng
tiếp lên nhiệt độ có vận tốc phát triển cực đại sẽ cho nhiều tinh thể nhỏ mịn. Ngược
lại nếu đốt nóng qua vùng nhiệt độ tạo mầm nhanh sẽ xuất hiện các tinh thể nhỏ.
5
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
1.1.2.2. Q trình kết tinh định hướng
Khi quá trình tự kết tinh xảy ra thường sẽ thu được sản phẩm gốm thuỷ tinh
có những tính chất khơng mong muốn do các tinh thể hình thành định hướng tự do,
do đó hầu hết các tính chất của thuỷ tinh đều giảm.
Để tiến hành làm kết tinh trong điều kiện có kiểm tra cần phải tạo một nồng
độ mầm tinh thể cao (1012 - 1015 mầm/cm3) và phân bố thật đồng đều trong toàn bộ
khối mẫu. Điều quan trọng là loại bỏ sự kết tinh của một số mầm trên bề mặt. Ta có
thể tạo mầm tinh thể bằng một số phương pháp như sau:
-
Chuẩn bị một dung dịch keo của các kim loại như Cu, Ag, Au, Pt đưa vào
khối nóng chảy. Các phân tử keo đó khơng hồ tan hồn tồn do đó có thể dùng
làm tâm kết tinh khi tôi thuỷ tinh ở nhiệt độ thấp.
-
Thêm các cấu tử như TiO2, P2O5, ZrO2 vào phối liệu ban đầu để nấu thuỷ
tinh. Ở nhiệt độ cao các oxit này hoà tan vào khối chất nóng chảy, nhưng ở nhiệt độ
thấp khi tơi thì lắng kết thành kết tủa biến thành tâm kết tinh.
Tạo mầm đồng thể bằng cách tôi ở nhiệt độ gần nhiệt độ hố thuỷ tinh. Lúc
đó, sẽ phát sinh ra mầm tinh thể trong toàn khối thuỷ tinh.
Hai phương pháp đầu là sự thực hiện tạo mầm dị thể, chỉ đạt kết quả tốt khi
đảm bảo hai yếu tố:
+ Sức căng giữa pha mầm và pha kết tinh phải rất bé.
+ Cấu trúc tinh thể của pha mầm và của pha kết tinh phải tương tự nhau, đặc
biệt là giá trị khoảng cách giữa các mặt d với các chỉ số hkl bé của hai pha đó gần
giống nhau. Trong trường hợp này có thể phát triển tinh thể theo kiểu epitaxit nếu
kích thước của các tế bào tinh thể mầm và của tinh thể kết tinh khác nhau dưới
15%.
Sau giai đoạn tạo mầm ở nhiệt độ gần nhiệt độ hoá thuỷ tinh khi mà độ nhớt
của hệ khá cao, tốc độ lớn của tinh thể bé thì phải đun nóng thuỷ tinh lên nhiệt độ
cao hơn. Lúc này độ lớn của thuỷ tinh tăng lên trên bề mặt của mầm. Do nồng độ
của mầm rất cao nên tinh thể được phân bố đồng đều trong toàn bộ khối thuỷ tinh.
Mỗi tinh thể lớn lên với tốc độ chậm chạp và va chạm với mầm bên cạnh, làm cho
6
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
kích thước của tinh thể trong vật liệu có giá trị rất bé (10-7 - 10-6m). Nhiệt độ phát
triển tinh thể thường cao hơn nhiệt độ tạo mầm.
1.1.3. Các phương pháp điều chế gốm thuỷ tinh
1.1.3.1. Phương pháp thông thường
Phương pháp thông thường để điều chế gốm thủy tinh là tiến tới làm kết tinh
bằng hai giai đoạn nhiệt luyện (Hình1.1)
Hình 1.1. Hai giai đoạn nhiệt luyện
+ Giai đoạn đầu tiên được thực hiện tại một nhiệt độ nhiệt luyện thấp mà ở
đó tốc độ tạo mầm cao (xung quanh TN). Ở đây, hình thành một mật độ cao của
mầm ở khắp bên trong thuỷ tinh. Mật độ cao của mầm là rất quan trọng để kích
thích hình thành một lượng lớn thuỷ tinh nhỏ trong cấu trúc của gốm thuỷ tinh.
+ Giai đoạn thứ hai là giai đoạn nhiệt luyện ở nhiệt độ cao hơn, xung quanh
nhiệt độ Tg để mầm tinh thể lớn lên ở một tốc độ lớp lý.
1.1.3.2. Phương pháp cải tiến (một giai đoạn)
Do nhiệt độ tạo mầm và phát triển mầm thường cách xa nhau và do đó
đường cong tốc độ tạo mầm và phát triển mầm cách xa nhau. Nếu có một vùng
rộng chồng lên nhau của chúng thì ta có thể thực hiện một giai đoạn nhiệt luyện
nhiệt độ TNG như ở Hình 1.2.
7
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
Hình 1.2. Một giai đoạn nhiệt luyện
Đường cong tốc độ, đặc biệt là đường cong tạo mầm nhạy cảm với thành
phần và do đó bằng cách tối ưu hoá thành phần trong một vài trường hợp có thể
nhận được sự xen phủ cần thiết.
1.1.3.3. Phương pháp petrurgic
Phương pháp này dùng để sản xuất một vài loại gốm thuỷ tinh bằng cách
điều chỉnh (thường rất chậm) quá trình làm lạnh của thuỷ tinh nguyên liệu từ trạng
thái nóng chảy khơng qua giai đoạn lưu giữ ở nhiệt độ trung gian. Với phương
pháp này, cả sự hình thành mầm và phát triển tinh thể đều có thể giữ cùng một vị
trí trong q trình làm lạnh. Phương pháp petrurgic và phương pháp truyền thống
cải tạo (một giai đoạn) đều tiết kiệm hơn phương pháp truyền thống về mặt năng
lượng.
1.1.3.4. Phương pháp bột [10]
Việc tạo hình bằng cách ép nguội bột sau đó nhiệt luyện ở nhiệt độ cao thiêu
kết khối chắc đặc là một con đường thông thường để sản xuất gốm sứ và cũng được
sử dụng cho những sản phẩm gốm thuỷ tinh. Phương pháp này có những giới hạn
trong kích thước và hình dạng của các chi tiết sản xuất, thêm vào đó là chi phí cho
việc sản xuất. Phương pháp này chỉ được sử dụng khi xác định được một lợi ích
chắc chắn. Trong đa số trường hợp chỉ có một chút lợi thế trong việc ép khối và
nung kết bột bởi vì sản phẩm gốm thuỷ tinh đòi hỏi một nhiệt độ nung kết cao
8
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
nhưng tính chất của thành phẩm cũng không khác đáng kể so với gốm thuỷ tinh
làm từ các con đường khác.
Thường người ta sử dụng bột thuỷ tinh nguyên liệu, để kết khối theo cơ chế
dòng nhớt ở một nhiệt độ thấp hơn. Quan trọng là phải tính đến tốc độ nung kết
tinh quá nhanh, kết quả là mức độ kết tinh cao sẽ ngăn cản sự nung kết ở nhiệt độ
thấp và do đó dẫn đến một lượng xốp khơng mong muốn. Mặt khác, nếu sự nung
kết xảy ra hoàn toàn trước khi kết tinh thì thành phẩm khơng hứa hẹn có gì khác
biệt có thể sản xuất được gốm thuỷ tinh chắc đặc bằng một q trình kết tụ mà
trong đó cả sự kết đặc và kết tinh xảy ra đồng thời ở cùng nhiệt độ. Việc tối ưu hoá
thành phần và nhiệt độ nung kết có thể dẫn tới những vi cấu trúc khác và thậm chí
có cả những tính chất khác nhau của sản phẩm. Việc sử dụng áp suất hỗ trợ cũng có
tác dụng như của nhiệt độ, phương pháp này cho những sản phẩm có độ chắc đặc
gần như hoàn toàn, tuy nhiên giá thành đắt và kỹ thuật phức tạp.
Có thể mơ tả phương pháp bột theo dạng sơ đồ sau:
Chuẩn bị
Phối liệu
Nghiền
trộn
Ép
viên
Nung
Ủ
Sản
phẩm
Hình 1.3. Phương pháp bột sản xuất gốm thủy tinh
1.2. Giới thiệu chung về hệ bậc ba: CaO - MgO - SiO2
1.2.1. Khái quát về các ôxit trong hệ:
1.2.1.1. Silic điôxit (SiO2)
Phân tử gam: 60,08 g/mol
Tỷ trọng: 2,2g/cm3
Điểm nóng chảy: 16500C ( 750C)
Điểm sơi: 22300C
Độ tan trong nước: 0,012g/mol
9
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
Ở điều kiện thường, silic đioxit thường tồn tại ở các dạng thù hình là: thạch
anh, tridimit và cristobatlit. Mỗi một dạng thù hình này lại có hai dạng: dạng bền
ở nhiệt độ thấp và dạng bền ở nhiệt độ cao.
Sơ đồ biến đổi dạng tinh thể của silic đioxit:
Tridimit
1170C
thạch anh
tridimit
critobalit
5730C
1630C
2530C
thạch anh
8700C
tridimit
14700C
critobalit
10500C
Trong thực tế, nhiệt độ chuyển hoá các dạng thù hình của silic đioxit cịn
phụ thuộc vào nhiều yếu tố như sự có mặt của các chất khống hố, chế độ nâng
nhiệt, áp suất.
Tất cả các dạng tinh thể này đều bao gồm các nhóm tứ diện [SiO4]4- nối với
nhau qua nguyên tử oxi chung. Trong tứ diện [SiO4]4- nguyên tử Si nằm ở tâm tứ
diện, liên kết cộng hoá trị với bốn nguyên tử oxi nằm ở đỉnh của tứ diện.
Về mặt hố học SiO2 rất trơ, nó khơng 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, SiO2 tan
trong kiềm hay cacbonat kim loại kiềm nóng chảy.
SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2
1.2.1.2. Canxi oxit (CaO)
Phân tử gam: 56,08 g/mol
Tỷ trọng: 3,35g/cm3
Điểm nóng chảy: 25720C
Điểm sơi: 28500C
Độ tan trong nước: có phản với nước.
10
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
Canxi ơxit là chất rắn màu trắng, dạng tinh thể lập phương tâm mặt. Về mặt
hố 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 (CaCO3) bằng cách phân
huỷ nhiệt ở khoảng 9000C.
CaCO3 CaO + CO2
1.2.1.3. Magie oxit (MgO)
Phân tử gam: 40,30g/mol
Tỷ trọng: 1,5g/cm3
Điểm nóng chảy: 28520C
Điểm sơi: 36000C
Cũng giống như canxi oxit, magie oxit là chất bột màu trắng, dạng bột tan ít
và tan rất chậm trong nước. Magie oxit có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt
được tạo thành khi nung Mg(OH)2 ở 4000C - 5000C, nung MgCO3 ở 600 - 7500C.
Mg(OH)2 MgO + H2O
MgCO3 MgO + CO2
1.2.2. Khái quát về các oxit: Al2O3, B2O3, Na2O
1.2.2.1. Nhôm oxit (Al2O3)
Phân tử gam: 101,96g/mol
Tỷ trọng: 3,97g/cm3
Điểm nóng chảy: 20540C (23270K)
Độ tan trong nước: không
Điểm sôi: 30000C (32730K)
Biển hiện: chất rắn, màu trắng
Nhơm oxit là thành phần chính của boxit, loại quặng chủ yếu chứa nhôm.
Trong công nghiệp, boxit được tinh luyện thành oxit nhơm sau đó được chuyển
thành nhơm kim loại.
1.2.2.2. Bo oxit (B2O3)
Bo oxit hay còn gọi là diboron trioxit
Phân tử gam: 69,64 g/mol
11
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
Tỷ trọng: 2,46g/cm3
Điểm nóng chảy: 7230K
Điểm sôi: 21300K
Biển hiện: chất rắn, màu trắng, không màu, không mùi. Bo oxit được dùng
nhiều trong vật liệu gốm thuộc nhóm lưỡng tính. Nó giúp hình thành lớp đệm
chuyển tiếp đất sét, men để tránh rạn men. Bo oxit có thể được xem là 1 chất tạo
thuỷ tinh có tính axit nhưng cũng có thể xem là 1 oxit trợ chảy.
1.2.2.3. Natri oxit (Na2O)
Phân tử gam: 61,9789 g/mol
Tỷ trọng: 2,27g/cm3
Điểm nóng chảy: 11320C
Điểm sơi: 19500C
Độ hồ tan trong nước: Phản ứng mãnh liệt với nước.
Là chất rắn màu trắng, mềm. Sử dụng Na2O để hạ thấp nhiệt độ nóng chảy
nung gốm thuỷ tinh.
1.2.3. Giới thiệu về talc [2,14,18]
1.2.3.1. Nguồn gốc hình thành
Talc là một khống vật được hình thành từ q trình biến chất các khống
vật magie như pyroxen, amphiboli, olivin có mặt của nước và cacbon đioxit. Quá
trình này tạo ra các đá tương ứng gọi là talc cacbonat.
Talc ban đầu được hình thành bởi sự hydrat và cacbonat hoá serpentin, theo
chuỗi phản ứng sau:
Serpentin + cacbon đioxit talc + manhezit + nước
2Mg3Si2O5(OH)4 + CO2 Mg3Si4O10(OH)2 + 3MgCO3 + 3H2O
Talc cũng được tạo thành từ magie chlorit và thạch anh có mặt trong đá
phiến lục và eclogit qua phản ứng biến chất.
Chlorit + thạch anh kyanit + talc + H2O
Trong phản ứng này, tỉ lệ talc và kyanit phụ thuộc vào hàm lượng nhôm
trong đá giàu nhơm. Q trình này xảy ra trong điều kiện áp suất cao và nhiệt độ
12
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
thấp thường tạo ra phengit, granat, glaugophan trong tướng phiến lục. Các đá có
màu trắng, dễ vỡ vụn và dạng sợi được gọi là phiến đá trắng.
1.2.3.2. Thành phần hoá học và thành phần khống talc
* Thành phần hố học
Talc tinh khiết có cơng thức hoá học là Mg3Si4O10(OH)2 với tỷ lệ MgO:
31,9%, SiO2: 63,4% và H2O: 4,7%. Tuy nhiên quặng talc trong tự nhiên thường
chứa các tạp chất như FeO, Fe2O3, Al2O3, Na2O, K2O, CaO…. hàm lượng các tạp
chất thường chứa vài phần trăm. Trong những tạp chất trên, người ta lưu ý nhiều
đến thành phần của các oxit kim loại nhóm d vì chúng có khả năng gây màu, gây
màu mạnh nhất là oxit sắt. Nếu sử dụng talc làm nguyên liệu sản xuất gốm sứ hay
vật liệu chịu lửa thì người ta thường chọn talc có thành phần oxit sắt nhỏ. Màu của
talc thường là màu xanh sáng, trắng hoặc xanh xám. Nếu hàm lượng oxit sắt lớn thì
có màu trắng ngà hoặc phớt hồng.
* Thành phần khoáng vật
Do nguồn gốc của talc được hình thành từ quá trình biến đổi nhiệt dịch đá
giàu magie, các đá silicat trầm tích, các đá cacbonat magie nên ngồi talc
Mg3[Si4O10(OH)2] thì quặng có chứa MgO cịn có các khống như: dolomit
(Mg.Ca(CO3)2); mahezit (MgCO3); serpentin (4MgO.2SiO2.2H2O); actinolit
(Ca2Fe5[Si4O11]2.(OH)2); manhetit (Fe3O4); hemantiet (Fe2O3)…
1.2.3.3. Cấu trúc của talc [2,14]
Khống chất talc có cấu trúc tinh thể và ở dạng cấu trúc lớp: tứ diện - bát
diện - tứ diện (T-O-T). Hình 1.4. mơ tả cấu trúc tinh thể của talc.
13
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể talc
Cấu trúc lớp cơ bản của talc được tạo thành từ lớp bát diện MgOO2/hydroxyl nằm kẹp giữa 2 lớp tứ diện SiO2, Các lớp đều trung hoà điện tích, xen
giữa chúng khơng có cation trao đổi và chúng liên kết với nhau bằng lực liên kết
yếu. Điều này dẫn đến độ cứng thấp và khuyết tật trong trình tự các lớp của talc.
Talc có thể kết tinh trong hai hệ tinh thể khác nhau: một nghiêng và ba
nghiêng. Thông số cấu trúc tinh thể tế bào đơn vị hệ một nghiêng và ba nghiêng
được trình bày trong Bảng 1.1.
14
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
Bảng 1.1. Thơng số cấu trúc của talc
Thông số tế bào đơn vị
Một nghiêng
Ba nghiêng
a (A0)
5,28
5,290
b (A0)
9,15
9,173
c (A0)
18,92
9,460
(A0)
90,00
98,68
(A0)
100,15
119,90
(A0)
90,00
85,27
Z
4
2
Nhóm khơng gian
C2/c
C1-
Khi các lớp TOT chồng lên nhau thì các vịng sáu tứ diện của chúng không
đối nhau trực diện, mà lệch nhau một khoảng bằng 1/3 cạnh của ô cơ sở. Mặt
khác vịng sáu cạnh tứ diện khơng đối xứng sáu phương, mà ba phương kép do các
tứ diện tự xoay một góc quanh trục đứng. Vậy, talc có những cấu trúc như 1 Tc
(một lớp ba nghiêng), 2M (hai lớp một nghiêng) và 2CO (hai lớp trực thoi).
Tinh thể talc có dạng hình vẩy, thường tập hợp tạo các lá hay khối sít đặc.
Do lực liên kết các vảy nhỏ nên sờ tay có cảm giác mỡ.
1.2.3.4. Tính chất của talc
Trong các loại khống chất có trong tự nhiên, bột talc là loại bột mềm nhất
(độ cứng 1Moh), có khả năng giữ mùi thơm lâu và đặc biệt là có độ sạch cao. Tỷ
trọng của bột talc dao động trong khoảng 2,58 - 2,83g/cm3, talc nóng chảy ở
15000C.
Tính kỵ nước và trơ về mặt hoá học, dẫn điện, dẫn nhiệt kém. Talc không
tan trong nước cũng như trong dung dịch axit hay bazo yếu. Mặc dù có rất ít khả
năng gây phản ứng hố học nhưng talc có một mối quan hệ rõ rệt với các chất hữu
cơ tức là nó ưa các hợp chất hữu cơ.
15
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
Khi nung talc có hiệu ứng nhiệt mạnh bắt đầu từ 9000C, thông thường là 920
- 10600C nếu nung nóng trong mơi trường khơng khí, ở khoảng nhiệt độ này talc bị
mất nước hố học tạo thành metasilicat magie.
3MgO.4SiO2.H2O 3(MgO.SiO2) + SiO2 + H2O
Khi đó SiO2 được tách ra ở trạng thái vơ định hình, ở 11000C nó chuyển một
phần sang cristobalit kèm theo giãn nở thể tích. Cristobalit có khối lượng riêng nhỏ
và nó sẽ bù trừ sức co khi nung talc. Vì thế thể tích quặng talc khi nung thực tế ổn
định. Nhờ tính ổn định thể tích và độ mềm của nó cho phép ta có thể sử dụng
quặng talc cưa thành những viên gạch xây lò, buồng đốt nhiên liệu khí.
Bảng 1.2. Tiêu chuẩn chất lượng khống talc theo ISO (ISO 3262)
Hàm lượng talc
Mất khi nung ở
Khả năng hoà tan
trung bình %
10000C,%
trong HCl, tối đa %
A
95
4-6.5
5
B
90
4-9
10
C
70
4-18
30
D
50
4-27
30
Loại
1.2.3.5. Ứng dụng của talc
Với các tính chất của talc như: cấu trúc dạng phiến, mềm, kỵ nước, ưa dầu
và có thành phần khống, thành phần hoá…., nên talc được ứng dụng rộng rãi trong
các ngành công nghiệp như gốm, sơn, mĩ phẩm, polime, trong nông nghiệp, thực
phẩm, công nghiệp giấy, công nghiệp cao su, nhựa,…
1.2.4 Giới thiệu về đolomit [4,5,8]
1.2.4.1 Tính chất
Khống vật đolomit kết tinh ở hệ tinh thể ba phương. Nó tạo thành tinh thể
trắng, xám đến hồng, thường có hình cong mặc dù nó thường ở dạng khối. Nó có
tính chất vật lí tương tự như tinh thể canxit, nhưng khơng hịa tan nhanh chóng
trong dung dich HCl lỗng trừ trường hợp ở dạng bột. Độ cứng là 3,5 đến 4 và tỉ
trọng là 2,85. Chiết suất nω = 1,679 – 1,681 và nε = 1,500.
16
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
1.2.4.2 Thành phần hóa học
Đolomit tinh khiết có cơng thức hóa học là MgCO3/CaCO3 với tỷ lệ MgO:
21.74% , CaO: 30.43% và CO2: 47,83%. Tuy nhiên quặng đolomit trong tự nhiên
thường chứa các tạp chất như FeO, Fe2O3, Al2O3, MnO... hàm lượng các tạp chất
thường chứa vài phần trăm. Trong những tạp chất trên người ta lưu ý nhiều đến
thành phần của các oxit kim loại nhóm d vì chúng có khả năng gây màu, gây màu
mạnh nhất là oxit sắt. Nếu sử dụng đolomit làm nguyên liệu sản xuất gốm sứ hay
vật liệu chịu lửa thì người ta thường chọn đolomit có thành phần oxit sắt nhỏ.
1.2.4.3 Ứng dụng
Đolomit được dùng làm đá trang trí, hỗn hợp xi măng, là nguồn magie oxit
và trong q trình Pidgeon để sản xuất magie. Nó là một loại đá trữ dầu quan trọng.
Đolomit đôi khi được dùng làm phụ gia trong luyện kim. Lượng lớn đolomit được
dùng trong việc sản xuất thủy tinh. Đolomit được dùng làm nguyên liệu xây dựng,
làm nguyên liệu chịu lửa và chất chảy trong luyện kim, chế tạo các chất dinh dưỡng
cùng với asbet làm chất cách nhiệt, dùng trong công nghệ hố học cũng như một số
ngành cơng nghệ khác.
Khi sử dụng nguyên liệu đầu để điều chế gốm, nếu có lẫn thêm các oxit
Fe2O3, Al2O3, Cr2O3, các chất này sẽ phản ứng để tạo các khoáng khác nhau hay
tạo màu. Trong mơi trường oxi hóa magie oxit với các oxit trên sẽ tạo thành tinh
thể ferit. Magie oxit và ferit sẽ hòa tan lẫn nhau để tạo thành dung dịch rắn ở nhiệt
độ thấp. Khi sử dụng các phụ gia là oxit M2O3 sẽ làm tăng quá trình kết khối và tái
kết tinh tinh thể trong gốm
1.2.5. Khái quát về hệ gốm thuỷ tinh CaO - MgO - SiO2 [13]
Gốm, gốm thuỷ tinh trong hệ bậc ba CaO-MgO-SiO2, với những tính chất cơ
học và hố học như sức bền, chịu mài mòn, hệ số giãn nở nhiệt thấp cỡ 6.10-6 K-1
cùng những đặc điểm về mặt thẩm mĩ có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Tuy nhiên, gốm thuỷ tinh trên hệ này đòi hỏi một nhệt độ tổng hợp tương đối cao
1400 – 14500C, trong khi đó vấn đề năng lượng và kèm theo đó là vấn đề mơi
trường đang là những vấn đề nóng bỏng hiện nay, ngoài ra việc tổng hợp ở nhiệt độ
17
Lương Viết Cường CHH-K21
Luận văn tốt nghiệp
Hóa học vơ cơ
thấp cũng đem lại nhiều ý nghĩa về mặt kinh tế.
Nghiên cứu này nhằm tìm hiểu gốm, gốm thuỷ tinh, silicat trên hệ bậc ba
CaO-MgO-SiO2 và hướng tới giảm nhiệt độ tổng hợp làm thay đổi cấu trúc cũng
như các đặc tính của vật liệu với một vài phụ gia như: Na2O, B2O3 P2O5, Al2O3,
TiO2, ZrO2, CaF2 , NaF, LiF...., kích thước nanomet
Để giảm đươc nhiệt độ tổng hợp thì trước hết thành phần nguyên liệu cần phải
được tối ưu hoá sao cho gần với điểm eutecti của hệ, khi đó pha tinh thể được tạo
thành trong hệ chủ yếu là diopsit và wollasstonit, để làm giảm nhiệt độ người ta
còn sử dụng các chất chảy ở dang khống hóa.
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. Hướng
nghiên cứu này thường người ta sử dụng các mầm tinh thể như: Au, TiO2, ZrO2,
Al2O3… được đưa vào trong quá trình điều chế nung nóng chảy hỗn hợp sau đó kết
tinh các tinh thể lớn lên từ các mầm tạo nên sản phẩm gốm thuỷ tinh.Thường trong
trạng thái gốm thuỷ tinh tồn tại 50% đến 95% thể tích là những tinh thể, cịn lại là
phần thuỷ tinh còn dư [4,7], một hoặc nhiều hơn những pha tinh thể có thể tạo
thành trong q trình nhiệt luyện và thường thành phần của chúng khác với thuỷ
tinh cho trước và do đó thành phần của thuỷ tinh còn dư cũng khác trước.
Gốm thuỷ tinh trong hệ CaO - MgO - SiO2 với những tính chất tốt về mặt cơ
học và hoá học như sự trong suốt, sức bền, chịu mài mòn, hệ số giãn nở nhiệt thấp,
bền trong mơi trường axit và bazơ do đó có thể được sử dụng: chịu mài mòn, cơ
nhiệt, vật liệu trong y học, gốm phủ …. Tuy nhiên hệ này đòi hỏi một nhiệt độ tổng
hợp tương đối cao. Để giảm được nhiệt độ tổng hợp trước hết thành phần nguyên
liệu cần phải được tối ưu hoá sao cho gần với điểm ơtecti của hệ.
18
Lương Viết Cường CHH-K21
