TỔNG HỢP CHẤT MÀU NÂU TRÊN NỀN MẠNG TINH THỂ SPINEL

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA HĨA  BÁO CÁO KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CHUN NGÀNH VƠ CƠ TỔNG HỢP CHẤT MÀU NÂU TRÊN NỀN MẠNG TINH THỂ SPINEL GVHD: TS Phan Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Thị Kim Thoa – K35106048 Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 05 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH KHOA HĨA  BÁO CÁO KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP CHUN NGÀNH VƠ CƠ TỔNG HỢP CHẤT MÀU NÂU TRÊN NỀN MẠNG TINH THỂ SPINEL GVHD: TS Phan Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Thị Kim Thoa – K35106048 Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 05 năm 2013 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn q thầy Khoa Hóa, Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy, giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi hồn thành khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn thầy phịng thí nghiệm Hóa Lý, Khoa Hóa, Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đặc biệt đến TS Phan Thị Hồng Oanh, Khoa Hóa, Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh - người trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ, bảo tơi Cơ ln tận tụy, nhiệt tình động viên tơi lúc khó khăn suốt q trình hình thành hồn chỉnh luận văn Tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè động viên, giúp đỡ suốt trình học tập hồn thành khóa luận Cuối xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô, quý độc giả đọc đóng góp ý kiến cho khóa luận Xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 11 I.1 Khái quát gốm sứ 11 I.2 Khái quát chất màu 11 I.2.1 Lý thuyết màu sắc 11 I.2.2 Bản chất hóa học màu 14 I.2.3 Chất màu vô 15 I.2.4 Tính chất đặc trưng chất màu 18 I.2.5 Nguyên nhân gây màu 20 I.2.6 Một số oxit gây màu thông dụng sản xuất chất màu 21 I.3 Khái quát men gốm 23 I.3.1 Nguyên liệu 24 I.3.2 Sản xuất 25 I.3.3 Chất màu cho men gốm 26 I.3.4 Cơ chế gây màu 27 I.4 Kỹ thuật tổng hợp chất màu 28 I.4.1 Các phản ứng diễn tổng hợp chất màu cho gốm sứ 28 I.4.2 Vai trò chất khống hóa 29 I.4.3 Phản ứng chất rắn chế phản ứng khuếch tán 30 I.5.2 Các phương pháp tổng hợp 32 CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34 II.1 Đối tượng nghiên cứu 34 II.2 Nội dung nghiên cứu 34 II.3 Phương pháp nghiên cứu 35 II.3.1 Phương pháp tổng hợp bột màu 35 II.3.2 Phương pháp phân tích nhiệt 35 II.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X ( XRD) 36 II.3.4 Phương pháp so màu 37 II.4 Dụng cụ hóa chất thiết bị 37 CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 39 III.1 Tổng hợp chất spinel phương pháp gốm truyền thống 39 III.1.1 Tổng hợp chất spinel 39 III.1.2 Tổng hợp chất màu nâu cách thay Cr3+ cho Fe3+ 42 III.1.3 Thêm Zr vào hệ spinel ZnFe O 47 III.2 Đánh giá khả phát màu sản phẩm 49 III.2.1 Tổng hợp chất màu nâu cách thay Cr3+ cho Fe3+ 49 III.2.2 Thêm Zr vào hệ spinel ZnFe O 53 III.2.3 Khảo sát ảnh hưởng lượng men, màu đến khả phát màu 55 III.2.4 Khảo sát ảnh hưởng chất phụ gia đến khả phát màu 56 III.3 Tổng hợp chất spinel phương pháp sol – gel 58 III.3.1 Tổng hợp chất spinel 58 III.3.2 Đánh giá khả phát màu sản phẩm sol – gel 60 III.3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung đến khả phát màu 60 III.3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng lượng men, màu đến khả phát màu sản phẩm sol–gel 62 III.3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng chất phụ gia (CMC, STPP) đến khả phát màu sản phẩm sol–gel 63 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 IV.1 Kết luận 65 IV.2 Kiến nghị 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHẦN PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sự thay đổi trạng thái electron 15 Hình 3.1 Quy trình tổng hợp ZnFe O phương pháp gốm truyền thống 39 Hình 3.2 Giản đồ DTG-DSC mẫu spinel ZnFe O 40 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu spinel ZnFe O 1000_3 41 Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu spinel ZnFe O 1200_3 41 Hình 3.5 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu Cr 43 Hình 3.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Cr 1000_3 44 Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Cr 1200_3 45 Hình 3.8 Sản phẩm bột màu nâu nung 1000oC, lưu 46 Hình 3.9 Giản đồ TGA-DSC mẫu Zr 0,01 ZnFe O 48 Hình 3.10 Giản đồ DTG mẫu Zr 0,01 ZnFe O 48 Hình 3.11 Sản phẩm bột màu nâu thêm Zr vào hệ spinel ZnFe O 49 Hình 3.12 Men 50 Hình 3.13 Bề mặt men hỗn hợp men màu: 0,25 g màu + ml men 51 Hình 3.14 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu ZnCr 0,4 Fe 1,6 O 52 Hình 3.15 Giản đồ nhiễu xạ tia X ZnCr 1,0 Fe 1,0 O 53 Hình 3.16 Bề mặt men hỗn hợp men màu: 0,25 g màu + ml men 54 Hình 3.17 Bề mặt men hỗn hợp men màu tỷ lệ khác 56 Hình 3.18 Bề mặt men hỗn hợp men màu tỷ lệ khác có sử dụng thêm chất phụ gia 58 Hình 3.19 Quy trình tổng hợp ZnFe O phương pháp sol – gel 59 Hình 3.20 Sản phẩm ZnFe O (sol-gel) 59 Hình 3.21 Giản đồ nhiễu xạ tia X ZnFe O tổng hợp phương pháp solgel 60 Hình 3.22 Bề mặt men mẫu ZnFe O (sol-gel) nhiệt độ nung khác nhau.61 Hình 3.23 Bề mặt men mẫu ZnFe O (sol-gel) tỷ lệ khác 63 Hình 3.24 Bề mặt men mẫu ZnFe O (sol-gel) tỷ lệ khác có sử dụng thêm chất phụ gia 64 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tia bị hấp thụ tia ló vùng khả kiến 12 Bảng 1.2 Màu chất màu ion 17 Bảng 1.3 Một số mạng tinh thể thường gặp 31 Bảng 3.1 Công thức hợp thức hệ spinel mang màu nâu 42 Bảng 3.2 Thành phần phối liệu mẫu từ Cr đến Cr 42 Bảng 3.3 Thành phần phối liệu mẫu thêm Zr vào hệ spinel ZnFe O 47 Bảng 3.4 Kí hiệu mẫu chọn 54 MỞ ĐẦU Ngành công nghiệp sản xuất gốm sứ phát triển từ lâu, từ thời thượng cổ nước ta tiếng với làng gốm Bát Tràng, Hương Canh, Móng Cái, Biên Hịa … Đó sở sản xuất gốm mỹ nghệ với kỹ thuật cịn thơ sơ Trong đời sống xã hội ngày nay, sản phẩm gốm sứ mỹ nghệ, gốm sứ dân dụng gốm sứ công nghiệp đa dạng, phong phú chủng loại, mẫu mã hình dáng mà cịn trang trí, phủ loại chất màu khác với nhiều hoa văn tinh tế làm cho giá trị thẩm mỹ sản phẩm nâng lên cao Nghệ thuật trang trí sản phẩm gốm sứ chất màu phổ biến rộng rãi ngày hoàn thiện nâng lên tầm cao Vì vậy, ngành cơng nghiệp gốm sứ có bước phát triển mạnh mẽ Một sản phẩm gốm sứ không đánh giá qua chất lượng xương gốm mà phải đẹp, bắt mắt Chất màu yếu tố quan trọng định tính thẩm mỹ sản phẩm Trong thực tế việc sản xuất màu cho men gốm vấn đề nan giải hay gặp phải vướng mắc khác, với điều kiện tài nguyên thiên nhiên phong phú nước ta chưa có cơng ty hay xí nghiệp đứng tổ chức sản xuất loại chất màu lúc ta phải nhập ngoại với giá đắt Điều làm giảm vị cạnh tranh doanh nghiệp nước họ bỏ vào chi phí đầu tư cho việc nhập ngoại màu gốm sứ cao Bản chất chất màu cho gốm sứ pigment khoáng chịu nhiệt kết hợp với thủy tinh dễ chảy với phối liệu gốm sứ thủy tinh có thành phần đặc biệt Như pigment thành phần chất màu cho gốm sứ chúng thường có cường độ màu cao Trên thị trường nay, mức tiêu thụ sản phẩm gốm sứ tăng mạnh sản phẩm đáp ứng tốt yêu cầu khắt khe người tiêu dùng mẫu mã, chủng loại đặc biệt màu sắc trang trí Chất màu tổng hợp theo thành phần nguyên liệu ban đầu hay hệ tinh thể đáp ứng khả bền màu, bền nhiệt, bền cho nhiều màu sắc khác Các chất màu sử dụng cho sản xuất gốm sứ cần có cấu trúc mạng lưới tinh thể bền thường gặp như: mullite (3Al O 2SiO ), corundum (Al O ), cordierite (2MgO.2Al O 5SiO ), grenat (3CaO.Al O SiO ), spinel (ZnFe O )…với việc thay phần ion M2+, M3+ cấu trúc mạng lưới chất ion M2+, M3+ có khả phát màu như: Cu2+, Cr3+, Co3+, Ni2+, Mn2+, Fe3+…sẽ tổng hợp nhiều chất màu có độ bền cao, phù hợp với yêu cầu chất màu gốm sứ Chất màu tổng hợp nhiều cách khác như: phương pháp gốm truyền thống, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp khuếch tán rắn - lỏng, phương pháp sol - gel… Tổng hợp chất màu spinel (AB O ) với nhiều ưu điểm như: màu sắc tươi sáng, độ phát màu mạnh, bền nhiệt… phương pháp sử dụng phổ biến cho việc sản xuất chất màu Ngoài người ta cho thêm vào cấu trúc mạng lưới tinh thể nguyên tố đất để làm cho màu sắc chất màu thêm đa dạng chất lượng Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu việc tổng hợp chất màu tinh thể spinel Từ vấn đề trên, chọn đề tài “Tổng hợp chất màu nâu mạng tinh thể spinel” với hi vọng sản xuất chất màu, đưa ngành sản xuất gốm sứ có bước phát triển 10 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1 Khái quát gốm sứ [13] Danh từ gốm dùng để chung sản phẩm mà nguyên liệu để sản xuất chúng gồm phần tất đất sét kaolin đồ đất nung, gạch ngói, chum vại đồ sứ Ngày danh từ gốm sứ dịch từ chữ ceramic mở rộng nhiều, sản phẩm gốm sứ bao gồm loại sản xuất từ đất sét, kaolin mà bao gồm loại sản phẩm sản xuất từ nguyên liệu không thuộc silicat titanat, pherit, cermet Như đồ gốm sản phẩm tạo hình từ nguyên liệu dạng bột, nung nhiệt độ cao, chúng kết khối, rắn đá cho nhiều đặc tính quý: cường độ học cao, bền nhiệt, bền hoá, bền điện Một số loại gốm kỹ thuật cịn có tính chất đặc biệt tính áp điện, tính bán dẫn có độ cứng đặc biệt (ngang kim cương) Điều kiện nguyên liệu, dạng bột nung không bị phá huỷ Để sản xuất gốm sứ có thuộc tính q cơng nghệ sản xuất chúng ngày phức tạp đại Với thuộc tính nêu trên, sản phẩm gốm sứ dùng hầu khắp lĩnh vực từ dân dụng đến ngành công nghiệp đại bao gồm kỹ thuật điện, vô tuyến điện tử, truyền tin truyền hình, tự động hố kỹ thuật điều khiển, du hành chinh phục vũ trụ I.2 Khái quát chất màu [7] I.2.1 Lý thuyết màu sắc Hiện tượng tạo màu Nhờ quan thị giác mà ta nhận biết giới vật chất quanh ta vô phong phú vật chất phát nguồn lượng xạ hay phản xạ nguồn ánh sáng chiếu vào Màu sắc vật có chúng có khả hấp thụ tồn ánh sáng cách có chọn lọc 11 • Nếu ánh sáng trắng chiếu vào vật mà bị khuếch tán hoàn toàn qua hồn tồn chất có màu trắng khơng màu • Nếu vật hấp thụ hồn tồn tất tia ánh sáng trắng chất có màu đen • Nếu hấp thụ xảy khoảng vùng khả kiến xạ khoảng lại cho ta màu Bảng 1.1 Tia bị hấp thụ tia ló vùng khả kiến Bước sóng dải Màu ánh sáng hấp thụ (nm) bị hấp thụ < 400 Tia tử ngoại Không màu 400 - 435 Tím Lục - Vàng 435 - 480 Lam Vàng 480 - 490 Lam – Lục nhạt Cam 490 - 500 Lục- Lam nhạt Đỏ 500 - 560 Lục Đỏ tía 560 - 580 Lục - Vàng Tím 580 - 595 Vàng Lam 595 - 605 Cam Lam – Lục nhạt 605 - 750 Đỏ Lục- Lam nhạt >750 Tia hồng ngoại Khơng màu Màu nhìn thấy Hiện tượng màu chia làm q trình 12 • Q trình vật lý: q trình xạ lượng • Quá trình sinh lý: trình tác động lượng vào mắt chuyển hoá lượng thành lượng kích thích thần kinh thị giác • Quá trình tâm lý: trình cảm thụ mắt Các đại lượng đặc trưng cho màu Màu sắc đại lượng gồm thành phần • Tơng màu - sắc màu • Độ sắc - độ bão hồ • Độ chói - độ sáng Tơng màu, độ sắc độ chói ba đặc trưng khách quan màu, sắc màu, độ bão hòa độ sáng ba đặc trưng chủ quan màu chúng gắn liền với tâm sinh lí người Tơng màu Tông màu chất biểu thị tông màu đơn sắc có bước sóng trội, khác biệt cảm giác màu màu hữu sắc với màu ghi có độ sáng, biểu thị từ sắc màu hay ánh màu như: đỏ tía, đỏ cam, xanh tím Độ sắc - độ bão hòa Độ sắc xác định sắc thái màu, màu đơn sắc có độ sắc 100%, màu đa sắc chứa màu trội lớn sắc, màu vơ sắc có độ sắc Độ bão hoà khác biệt màu vật với màu trắng, màu quang phổ có độ bão hồ khơng giống Mức độ bão hoà màu quang phổ: Vàng < vàng lục < lục AgCl > AgI, tác động ánh sáng mặt trời ion Ag+ không màu, muối AgCl có màu trắng, muối AgI có màu vàng… 17 Trạng thái tồn chất Trạng thái tồn chất ảnh hưởng tới khoảng cách ion - ion, phân tử phân tử, hạt nhân - electron… dẫn tới ảnh hưởng đến dịch chuyển electron có nguồn xạ chiếu vào làm cho màu sắc chất bị thay đổi Ví dụ: dung dịch hợp chất iodua chì PbI phân ly thành Pb2+ Ilàm tăng khoảng cách chúng nên khả hấp thụ lượng xạ giảm làm cho chúng khơng có màu Khi kết tủa khoảng cách chúng giảm, có biến dạng cation anion tạo phân cực làm giảm lượng kích thích electron nên PbI có màu vàng Tóm lại màu chất vô bị chi phối yếu tố: − Các mức lượng electron phân tử phải gần có orbital hóa trị cịn trống − Trong phân tử có phân cực mạnh hay anion cation có khả phân cực lớn I.2.4 Tính chất đặc trưng chất màu [7] Khác với chất màu hữu cơ, chất màu vô phân tán dạng hạt rắn không tan môi trường mà chúng tạo màu Do cỡ hạt bé cho phân tán tốt màu sắc đẹp, dễ sử dụng Ưu điểm chất màu vô bền với môi trường, thời tiết, ánh sáng, nhiệt độ… Nhược điểm chúng tồn dạng hạt phân tán mơi trường khơng tan nên tính chất khả áp dụng phụ thuộc nhiều vào cỡ hạt Tính chất quang - lý Giá trị loại chất màu vơ phụ thuộc vào tính chất quang lý chúng, bao gồm đặc trưng cấu trúc tinh thể, cỡ hạt phân bố cỡ hạt, dạng hình học hạt, kết tụ… tính chất hóa học thành phần, độ tinh khiết độ bền hóa học Có hai thuộc tính quan trọng bột màu khả tạo màu cho môi trường mà chúng phân tán độ đục (chắn sáng) 18 chất màu Hai thuộc tính định giá trị chất màu phạm vi ứng dụng Độ đục chất màu hàm cỡ hạt khác số khúc xạ hạt màu mơi trường phân tán Tính chất màu chất màu xác định đặc trưng màu sắc, độ bền màu, độ đục, độ đồng màu, độ bền thời tiết, bền nhiệt, bền hóa Mơi trường phân tán điều kiện chế tạo yếu tố ảnh hưởng lớn tới tới tính chất màu chất màu Tính chất hóa học Các tính chất hóa học quan trọng chất màu thành phần hóa học, độ tinh khiết hệ số tỷ lượng phân tử Các tính chất định tính chất màu giá trị sử dụng chất màu Nếu chất màu mà chứa tạp chất kim loại nặng, cho dù hàm lượng nhỏ không phép sử dụng đời sống thương mại lý sức khỏe mơi trường Cấu trúc tinh thể Cho biết thông tin cấu trúc tinh thể pha tinh thể, pha tạp chất hay pha nguyên liệu chưa chuyển hóa tồn hạt màu, độ tinh thể đặc trưng quan trọng định đến tính chất màu bột màu Một chất màu lý tưởng chất màu chứa pha đặc trưng có độ tinh thể cao Sự tồn pha thứ hai pha tạp thường làm giảm tính chất màu hạt màu Khả phối màu Khả phối màu chất màu khả mà chất màu pha trộn với chất màu khác theo tỷ lệ xác định để tạo màu trung gian khác Quá trình trộn chất màu khác để tạo hỗn hợp chất màu có màu sắc mong đợi Khả phối màu chất màu thể việc chất màu trộn chất màu khác giữ ngun tính chất q 19