Tải bản đầy đủ

LUẬN VĂN :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 tốt nghiệp

Hóa Vô


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

Hà Nội – Năm 2013



Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


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

Hà Nội – Năm 2013


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


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
Học viên


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


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

MỤC LỤC
Trang

Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha diopsit vào hàm
lượng ziriconi (IV) oxit
48.......................................................................................................................9
Hình 3.25: Đồ thị biểu diễn độ hút nước phụ thuộc vào hàm lượng ZrO2
52.......................................................................................................................9
Bảng 2.2: Thành phần nguyên liệu trong các mẫu có ZrO2
28.....................................................................................................................10
Bảng 3.5: Kết quả xác định độ co ngót của các mẫu .................................10
với hàm lượng ZrO2 khác nhau
51.....................................................................................................................10
Chương 1- TỔNG QUAN.............................................................................12
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU GỐM..................................................12

1.1.1. Vật liệu gốm [10]...................................................................................12
Độ cứng thang Mohs........................................................................................13
9.......................................................................................................................13
7.......................................................................................................................13
5-6....................................................................................................................13
Môđun đàn hồi E ở 20oC (kg/cm2)..................................................................13
2,9.106.............................................................................................................13
Hệ số giãn nở nhiệt α trong khoảng 20-1000oC (1/oC).....................................13
1.1.2. Các phương pháp tổng hợp gốm [10]......................................................13
1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ BẬC BA CaO-MgO-SiO2...............................16

1.2.1. Khái quát về các oxit trong hệ CaO-MgO-SiO2......................................16
1.2.2. Khái quát về gốm hệ CaO-MgO-SiO2 [17].............................................18
1.3. GIỚI THIỆU VỀ GỐM DIOPSIT....................................................................20

1.3.1. Cấu trúc của Diopsit [3, 29]....................................................................20
1.3.2. Tính chất của gốm Diopsit [30]...............................................................21
1.3.3. Ứng dụng của gốm Diopsit.....................................................................21
1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng giữa các pha rắn............................23


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


1.4.3. Phản ứng phân hủy nhiệt nội phân tử [10]..............................................25
Hình 1.6. Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg.............................................28
1.5.3. Hình ảnh quét bằng kính hiển vi điện tử SEM [27].................................28
Hình 1.7. Sơ đồ khối các bộ phận của kính hiển vi điện tử quét...............29
.............................................................................31
Hình 1.8. Mô hình thiết bị đo cường độ kháng nén....................................31
Chương 2. THỰC NGHIỆM........................................................................33
2.1. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN...............................................33

2.1.1. Mục tiêu của luận văn............................................................................33
Nghiên cứu tổng hợp gốm Diopsit CaO.MgO.2SiO2 và ảnh hưởng của Ziriconi
(IV) oxit đến cấu trúc và tính chất của gốm......................................................33
2.1.2. Các nội dung nghiên cứu của luận văn...................................................33
2.2. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT...........................................................33

2.2.1. Hóa chất................................................................................................33
2.2.2. Dụng cụ..................................................................................................33
2.3. THỰC NGHIỆM .............................................................................................34

2.3.1. Chuẩn bị mẫu.........................................................................................34
2.3.2. Cách làm................................................................................................34
2.3.3. Phân tích nhiệt của các mẫu nghiên cứu..................................................35
Bảng 2.2: Thành phần nguyên liệu trong các mẫu có ZrO2.....................37
2.3.7. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến các tính chất
của vật liệu.......................................................................................................37
Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................39
3.1. Kết quả phân tích thành phần bột talc...............................................................39
3.2. Kết quả phân tích nhiệt bột talc.........................................................................40
3.3. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu hỗn hợp (talc, SiO2, canxi cacbonat).............42
3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành diopsit ...........52

3.6.1. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X ( X- Ray).............................................52
Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha diopsit...............56
vào hàm lượng ziriconi (IV) oxit..................................................................56
3.6.2. Kết quả ảnh SEM ...................................................................................57
3.7. Ảnh hưởng của Ziriconi (IV) oxit đến các tính chất của vật liệu................59
Bảng 3.5. Kết quả xác định độ co ngót của các mẫu ................................59


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


với hàm lượng ZrO2 khác nhau...................................................................59
Hình 3.25: Đồ thị biểu diễn độ hút nước phụ thuộc vào hàm lượng ZrO2
.........................................................................................................................61


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


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 SiO2

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

DTA-TG

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

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 CH 3COOK
36
Hình 3.8: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 1% CH3COONa

39

Hình 3.9: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 2% CH3COONa

39

Hình 3.10: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 3% CH3COONa

40

Hình 3.11: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 4% CH3COONa

40

Hình 3.12: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 5% CH3COONa

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


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


Hình 3.18: Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu chứa 2,5% ZrO2

46

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


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

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

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 sol-gel, phương pháp khuếch
tán pha rắn vào pha lỏng…Trong đó, phương pháp gốm truyền thống có nhiều ưu
điểm về cách phối trộn nguyên liệu ban đầu dẫn đến sự đồng nhất cao về sản phẩm.
Không những thế, xu thế hiện nay, người ta đi tổng hợp gốm 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 diopsit
CaO.MgO.2SiO2 và nghiên cứu ảnh hưởng của ZrO2 đến cấu trúc, tính chất của
vật liệu”.


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô

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 Ω-1.cm-1 đến 10-12 Ω-1.cm-1. Có loại vật liệu gốm trong đó phần tử
dẫn điện là electron như trong kim loại, cũng có loại vật liệu gốm trong đó ion đóng
vai trò là phần tử dẫn điện. Do đó ta có thể tổng hợp nhiều loại vật liệu gốm kĩ thuật
khác nhau như gốm cách điện, gốm bán dẫn, gốm siêu dẫn điện…
Đặc tính từ của vật liệu gốm rất đa dạng. Ta có thể tổng hợp được gốm nghịch
từ, gốm thuận từ, gốm sắt từ, gốm phản sắt từ với độ từ cảm thay đổi từ 0 đến 10
phụ thuộc rất đa dạng vào nhiệt độ cũng như từ trường ngoài.
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


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


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

2500-2600

2830

d (g/cm3)

3,99-4

5,6

3,58

Độ cứng thang Mohs

9

7

5-6

Môđun đàn hồi E ở 20oC (kg/cm2)

3,8.106

Gần 1,7.106

2,9.106

8.10-6

(8-10)10-6

14,2.10-6

26,9

1,5

29,5

Tính chất

Hệ số giãn nở nhiệt α trong khoảng 20o

o

1000 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 sol-gel

Phương pháp sol-gel ra đời từ những năm 1950-1960 và được phát triển khá
nhanh chóng do có nhiều ưu điểm nhưng
- 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


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


gel rồi sấy khô để thu được sản phẩm.
Phương pháp này cũng mắc phải một số khó khăn đó là chịu ảnh hưởng của
nhiều yếu tố như thành phần nguyên liệu ban đầu, cách thức thực hiện quá trình
thủy phân các hợp chất của Si, Ca và Al rất nhạy cảm với những thay đổi (xúc tác
axit-bazơ, sử dụng nhiệt duy trì trong quá trình thủy phân, thời gian thủy phân, chất
phân tán, chất chống keo tụ...).
Là quá trình tổng hợp rất phức tạp, phải sử dụng dung môi để thủy phân các
hợp chất cơ kim (thường là các alkoxide) rất đắt tiền, nên hạn chế phần nào ứng
dụng của nó trong thực tế.
1.1.2.2. 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
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:


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


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…).
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/cm 2. 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


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


chúng tôi lựa chọn phương pháp gốm truyền thống để tổng hợp gốm diopsit từ talc,
thạch anh và canxi cacbonat.
1.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ BẬC BA CaO-MgO-SiO2
1.2.1. Khái quát về các oxit trong hệ CaO-MgO-SiO2
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
: 2850oC

Điểm sôi

Độ tan trong nước : có phản ứng với nước.
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,


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


tridimit và cristobalit. Mỗi một dạng thù hình này lại có hai dạng: dạng α bền ở
nhiệt độ thấp và dạng β bền ở nhiệt độ cao. Sự biến đổi thù hình của SiO 2 được
trình bày trên hình 1.2.

tridimit
117 oC
thạch anh β

β tridimit

573oC
α thạch anh

β cristobalit
163oC

870oC

α tridimit

253oC

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 SiO 2 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 SiO 2 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 1600-1670oC 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


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


trong kiềm hay cacbonat kim loại kiềm nóng chảy.
→ Na2SiO3 + H2O
SiO2 + 2NaOH 
→ Na2SiO3 + CO2
SiO2 + Na2CO3 

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 CaO-MgO-SiO2 [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


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô

Hình 1.3: Hệ bậc ba CaO – MgO – SiO2

Nhìn vào giản đồ pha ta thấy:
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 (αCaO.SiO2), (4) tricalcium di-silicat (3CaO. 2SiO2), (5) α-canxi orthosilicate (α2CaO.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) clino-enstatite (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 (βCaO.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 wollastonit-pseudowollastonit, βCaO.SiO2 ¬



αCaO.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 1343 oC 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 clino-enstatit (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.
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:


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


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 44nối 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 Co 2+, Fe3+, Cr3+,… Công thức khung có thể viết
[SiO3]2- hoặc [Si2O6]4-.


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


Hình 1.4: Cấu trúc của diopsit, CaMgSi2O6 :
(a) tế bào đơn vị chiếu xuống trục b; (b) tế bào đơn vị chiếu xuống trục c.
Diopsit thuộc hệ tinh thể lăng trụ ngắn, có thông số mạng a=9,5848Å,
b=8,6365Å, c=5,1355Å, α= 90o, β= 103,98o, γ=90o, Z=4.
Cấu trúc mạng lưới tinh thể diopsit đều có ion Mg 2+ nằm ở vị trí bát diện còn
Ca2+ và Si4+ nằm ở vị trí tứ diện là chính. Vì vậy diopsit có thể thay thế đồng hình
các ion M2+, M3+, M4+ vào mạng lưới cấu trúc của nó tạo nên các dung dịch rắn thay
thế hay xâm nhập. Theo nguyên tắc thay thế đồng hình Goldsmit, với cấu trúc của
diopsit có thể thay thế Mg2+, Ca2+ và Si4+, bằng những cation có bán kính ion chênh
lệch không quá 15% và điện tích chênh lệch không quá 1 đơn vị.
Các dung dịch rắn thu được bằng các thay thế hay xâm nhập làm thay đổi cấu
trúc mạng lưới, tạo ra lỗ trống làm cho vật liệu có những tính chất đặc biệt và được
ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu sự ảnh hưởng của ZrO 2 đến hệ gốm
CaO.MgO.2SiO2 nhằm tạo ra dung dịch rắn trên cơ sở CaMgSi 2-xZrxO6 để thu được
vật liệu gốm có những tính chất đặc biệt.
1.3.2. Tính chất của gốm Diopsit [30]
Diopsit công thức hóa học CaMgSi2O6 thường tồn tại ở dạng đá quý trong như
pha lê. Độ cứng: 5-6, khá giòn, trọng lượng riêng của diopsit là 3,40 g/cm 3. Gốm
diopsit có đặc tính bền nhiệt, bền cơ, bền với môi trường oxy hóa - khử, bền với
axit, kiềm, tính chất cách điện tốt, có hoạt tính sinh học …
1.3.3. Ứng dụng của gốm Diopsit
Diopsit dựa trên nền gốm và gốm thủy tinh có nhiều tiềm năng ứng dụng
trong các lĩnh vực công nghệ khác nhau như y học, gốm phủ, gốm cách điện, bán
dẫn, chịu nhiệt….Đặc biệt là trong lĩnh vực vật liệu sinh học, gốm diopsit được sử
dụng làm xương nhân tạo… [16]
Diopsit (CaO.MgO.2SiO2) đôi khi được sử dụng trong lĩnh vực đá quý như là
một mẫu vật khoáng sản. Diopsit là một phần của một loạt giải pháp rắn quan trọng
của nhóm đá pyroxen.


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


Đặc biệt crome diopsit màu xanh lá cây rất đẹp có giá trị kinh tế trong ngành
đá quý trang sức. [30]
1.4. ĐIỀU CHẾ GỐM DIOPSIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG
Trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành tổng hợp gốm diopsit theo phương
pháp gốm truyền thống, sử dụng các nguyên liệu đầu là các chất ở trạng thái rắn ở
dạng bột.
1.4.1. Cơ chế phản ứng giữa các pha rắn [10]
Phản ứng giữa các chất khí, giữa các chất tan trong dung dịch do các chất
phản ứng rất linh động và khuếch tán ở mức độ phân tử, ion ở toàn thể tích của hệ
phản ứng trên xảy ra với tốc độ rất nhanh để hệ đạt trạng thái cân bằng.
Phản ứng giữa pha rắn hoàn toàn khác, đó là chất tham gia phản ứng đều nằm
định vị tại các nút mạng tinh thể của chất ban đầu. Phản ứng chỉ xảy ra tại bề mặt
tiếp xúc giữa hai pha rắn của chất tham gia, tốc độ phản ứng xảy ra chậm và không
đạt trạng thái cân bằng. Phản ứng pha rắn phụ thuộc vào sự sắp xếp của các cấu tử
phản ứng trong mạng lưới tinh thể. Cấu trúc tinh thể và khuyết tật mạng lưới có ảnh
hưởng quyết định đến khả năng phản ứng của chất rắn. Phản ứng bao gồm hai giai
đoạn:
+ Giai đoạn tạo mầm
Quá trình này đòi hỏi làm đứt một số liên kết cũ trong các chất phản ứng,
hình thành một số liên kết mới trong sản phẩm. Điều này chỉ có thể xảy ra khi có sự
phân bố lại các ion ở chỗ tiếp xúc.
+ Giai đoạn phát triển mầm tinh thể sản phẩm
Sau khi đã có một lớp mầm tinh thể sản phẩm thì đến giai đoạn phát triển lớp
tinh thể đó. Để thực hiện quá trình này sẽ có sự khuếch tán ngược chiều các cation
hay gọi cơ chế C.Wagner.
Ví dụ: trong phản ứng pha rắn giữa MgO và Al 2O3 để tạo thành Spinel có sự
khuếch tán các cation qua bề mặt phân cách MgO/Spinel/Al 2O3
Tại bề mặt phân cách MgO/Spinel xảy ra quá trình:
2Al3+ - 3Mg2+ + 4MgO → MgAl2O4
Tại bề mặt phân cách Spinel/Al2O3 xảy ra quá trình:


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô

3Mg2+ - 2Al3+ + 4Al2O3 → 3MgAl2O4

Cộng 2 phản ứng: 4MgO + 4Al2O3 → 4MgAl2O4
Từ đây ta thấy sản phẩm phát triển về phía phải nhanh gấp 3 lần về phía trái,
cứ 2 cation Al3+sang trái thì phải có 3 cation Mg2+ khuếch tán sang phải để trung
hòa về điện.
1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng giữa các pha rắn
Quá trình thực hiện phản ứng giữa các chất rắn gồm các bước: chuẩn bị chất
rắn đa tinh thể, tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao.
Một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để chuẩn bị chất
rắn đa tinh thể (dạng bột) là thực hiện phản ứng trực tiếp hỗn hợp các nguyên liệu
ban đầu với pha rắn. Vì vậy tốc độ phản ứng quyết định đến quá trình phản ứng. Hai
yếu tố này bị chi phối bởi nhiều yếu tố.
+ Nhiệt độ nung:
Các chất rắn thường không phản ứng với nhau ở nhiệt độ thường, chỉ khi ở
nhiệt độ cao các cấu tử mới có đủ năng lượng để khuếch tán qua lớp sản phẩm đến
bề mặt tiếp xúc giữa các hạt để phản ứng. Ngoài ra, dưới tác động của nhiệt độ,
mạng lưới cấu trúc pha giữa các chất ban đầu bị phá vỡ dần tạo điều kiện cho sự
khuếch tán, sắp xếp của các ion trong pha cũ để tạo thành pha mới. Do vậy tốc độ
phản ứng pha rắn phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ nung. Nói chung phản ứng có thể
đạt được nếu nhiệt độ nung đạt đến 2/3 điểm nóng chảy của một trong các chất
tham gia phản ứng.
+ Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng
Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng, ảnh hưởng quyết định đến
khả năng phản ứng của các chất. Chính vì vậy cần tăng diện tích tiếp xúc giữa các
chất phản ứng bằng cách chuẩn bị phối liệu có kích thước hạt càng nhỏ càng tốt.
Với phương pháp gốm truyển thống, phối liệu ban đầu có thể được nghiền mịn, ép
chặt, nung, sau đó nghiền mịn rồi lại nung và lặp lại nhiều lần như thế. Tác dụng
của quá trình nghiền mịn liên tục giữa các lần nung không chỉ tăng bề mặt tiếp xúc
giữa hỗn hợp các chất phản ứng mà còn tạo thêm các bề mặt mới cũng như các
khuyết tật cấu trúc nhằm thúc đẩy phản ứng đến cùng.


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


+ Đặc điểm cấu trúc của các chất ban đầu
Phản ứng pha rắn được thực hiện trực tiếp giữa các chất phản ứng ở pha rắn
nên cấu trúc ban đầu của chất rắn có ảnh hưởng quyết định không những đến tốc độ
phản ứng mà còn ảnh hưởng đến cơ chế của phản ứng. Các chất ban đầu có cấu trúc
kém bền, hoặc tinh thể có nhiều khuyết tật thì có hoạt tính hơn, dề tham gia phản
ứng hơn.
Ví dụ: Với phản ứng giữa các oxit, người ta thường chọn chất ban đầu là các
muối dễ phân hủy và phân hủy ở vùng nhiệt phản ứng. Lúc này các oxit mới hình
thành có cấu trúc mạng lưới chưa hoàn chỉnh (hoạt tính hơn) nên dễ tham gia phản
ứng hơn so với các oxit bền được dùng làm phối liệu ban đầu.
Ngoài ra, phản ứng pha rắn sẽ xảy ra thuận lợi về mặt năng lượng hơn khi các
chất phản ứng có cùng kiểu cấu trúc với sản phẩm hình thành và thường được phân
biệt bởi hai loại phản ứng: epitaxit và topotaxit. Phản ứng epitaxit yêu cầu có sự
giống nhau về cấu trúc ở lớp tiếp xúc của chất phản ứng và sản phẩm. Còn phản
ứng topotaxit thì yêu cầu sự giống nhau về cấu trúc trong toàn khối. Tuy nhiên, bên
cạnh giống nhau về cấu trúc, để xảy ra sự định hướng tạo mầm sản phẩm một cách
thuận lợi thì kích thước tế bào mạng cũng như khoảng cách giữa các nguyên tử
cũng phải gần giống nhau (chênh lệch dưới 15%).
+ Chất khoáng hóa
Chất khoáng hóa [11] thường được đưa vào phối liệu với hàm lượng khá thấp
(khoảng vài %) nhằm tạo pha lỏng có độ nhớt thấp, giúp thấm ướt các hạt rắn của
các chất phản ứng dẫn đến xảy ra quá trình hoà tan của các chất phản ứng. Từ đó
giúp sự khuếch tán chất phản ứng dễ dàng hơn nên có tác dụng thúc đẩy tốc độ phản
ứng cũng như quá trình tái kết tinh sản phẩm trong hỗn hợp. Mặt khác, pha lỏng có
tác dụng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt rắn, làm tăng mật độ của sản phẩm phản
ứng, nghĩa là giúp cho quá trình kết khối xảy ra nhanh ở nhiệt độ thấp. Đôi lúc chất
khoáng hóa có thể tham gia phản ứng với một trong các chất phản ứng để chuyển
thành pha khí, sự xuất hiện pha khí đã chuyển phản ứng giữa các pha rắn theo một
cơ chế khác-cơ chế vận chuyển hơi nước (chemical vapor transport). Các chất
khoáng hóa sử dụng phổ biến là: Các hợp chất của Bo (H 3BO3, Na2B4O7, 10H2O,


Luận văn tốt nghiệp

Hóa Vô


B2O3), các muối của kim loại kiềm, các hợp chất của flo, clo (NaF, NaCl, CaF 2,
BaF2, AlF3, Na2SiF6, Na3AlF6…) hoặc có khi là các oxit dễ chảy (oxit vanadi, oxit
lantan…). Trong đề tài nghiên cứu này chúng tôi đã sử dụng chất khoáng hóa là các
muối của kim loại kiềm: CH3COOLi, CH3COONa, CH3COOK.
1.4.3. Phản ứng phân hủy nhiệt nội phân tử [10]
Khái niệm này dùng để chỉ cho phản ứng tổng hợp một pha rắn mới xảy ra khi
phân hủy nhiệt một pha rắn ban đầu có chứa các hợp phần cần thiết cho pha rắn
mới.
Khác hẳn với phản ứng xảy ra giữa các pha rắn, phản ứng phân hủy nhiệt nôi
phân tử xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều.
Ví dụ: để tổng hợp mulit bằng phản ứng giữa các oxit silic và oxit nhôm trong
trường hợp đi từ các chất ban đầu tinh khiết hoàn toàn không có chất khoáng hóa,
thì nhìn trên giản đồ hệ bậc hai Al2O3-SiO2 ta thấy ít nhất phải nung lên đến 15850C
(nhiệt độ bắt đầu xuất hiện pha lỏng). Trong đó khi ta nung caolinit lên đến 1000 0C
đã bắt đầu xuất hiện pha mulit.
Hay khi nung serpentin lên khoảng 800oC là có sự hình thành pha gốm
forsterit Mg2SiO4, trong khi đó dựa vào giản đồ trạng thái thì tùy theo thành phần
ban đầu giữa SiO2 và MgO sự hình thành forsterit đòi hỏi ít nhất cũng phải nung hệ
lên trên 1557oC. Có rất nhiều ví dụ như vậy cho ta thấy việc sử dụng phản ứng phân
hủy nhiệt nội phân tử có thể tiến hành tổng hợp được pha gốm ở nhiệt độ thấp, giảm
đáng kể năng lượng.
Phương pháp sử dụng phân hủy nhiệt nội phân tử không chỉ giúp tổng hợp
gốm hệ bậc hai mà còn có thể sử dụng để tổng hợp gốm bậc cao hơn, Ví dụ tổng
hợp cordierit 2MgO.2Al2O3.5SiO2 ta có thể sử dụng phản ứng phân hủy nhiệt mạng
caolinit và bằng một thủ thuật có thêm oxit magie vào. Về lý thuyết chúng ta thấy
trong quá trình phân hủy nhiệt thì các oxit có trong hợp chất ban đầu đã được phân
bố hoàn toàn có trật tự ở mức độ nguyên tử, mặt khác sản phẩm vừa mới phân hủy
đang ở trạng thái rất hoạt động do đó phản ứng hình thành mầm tinh thể sản phẩm
có thể xảy ra một cách nhanh chóng.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×