Nghiên cứu chế tạo gốm oxit nhôm dùng làm chén nung

Bài viết Nghiên cứu chế tạo gốm oxit nhôm dùng làm chén nung nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng oxit nhôm và các phụ gia đến tính chất đổ rót của huyền phù, khả năng tạo hình cũng như tính chất vật lý, độ xốp biểu kiến và đặc trưng hình thái bề mặt của gốm oxit nhôm.

Nguyễn Văn Dũng, Võ Thị Thu Hiền 22 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GỐM OXIT NHÔM DÙNG LÀM CHÉN NUNG A STUDY ON PRODUCING ALUMINA CERAMICS FOR USE IN CRUCIBLES Nguyễn Văn Dũng, Võ Thị Thu Hiền Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; nvdung@dut.udn.vn Tóm tắt - Gốm oxit nhơm bền với kim loại nóng chảy đóng vai trị quan trọng sản xuất số sản phẩm chén nung, chén nấu chảy kim loại số chi tiết chịu lửa Các phụ gia phụ gia phân tán (chất đa điện giải), phụ gia hóa dẻo phụ gia kết dính sử dụng để cải thiện trình tạo hình tính chất khác gốm oxit nhơm Những phụ gia quan trọng để giúp cho huyền phù đổ rót mộc có tính chất lưu biến tốt tính chất kỹ thuật cần thiết Trong báo này, nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng oxit nhơm phụ gia đến tính chất đổ rót huyền phù, khả tạo tính chất vật lý, độ xốp biểu kiến đặc trưng hình thái bề mặt gốm oxit nhơm Abstract - Alumina ceramics which withstand molten metals now play an important role in manufacturing products like crucibles, melting pots for metal, various refractory details Additives such as dispersion additive (polyelectrolyte), plasticizer, binder are used to improve the shaping process and other properties of alumina ceramics These additives are very important to give good rheology and other necessary technical properties to the suspension and the green body In this theme, we study the effect of alumina and additives content on the casting properties of the slurry, the shaping ability, physical properties, apparent porosity as well as surface morphological characteristics of the alumina ceramics Từ khóa - oxit nhơm; huyền phù; phụ gia phân tán; chất hóa dẻo; chất kết dính Key words - alumina; slurries; dispersant additive; plasticizer; binder Đặt vấn đề Gốm oxit nhôm (alumina, Al2O3) sử dụng nhiều lĩnh vực khác gốm kết cấu (có yêu cầu cao độ bền cơ, bền nhiệt độ, chịu mài mịn); Gốm điện, điện tử (có tính cách điện hay dẫn điện ion…); Gốm quang học (gốm oxit nhôm mờ); Các loại gốm làm cảm biến nhiệt, khí; gốm dùng cấy ghép sinh học… [1] Gốm oxit nhôm chia thành gốm oxit nhôm hàm lượng cao (high alumina ceramics, có thành phần oxit nhơm khơng nhỏ 95%) gốm oxit nhơm có độ cao (high purity alumina ceramics, thành phần oxit nhôm không nhỏ 99%) Gốm oxit nhôm xem đại diện tiêu biểu cho nhóm gốm kết cấu sử dụng phổ biến có cơng nghệ chế tạo đơn giản so với nhóm khác Thành phần tạo thành gốm oxit nhơm α-Al2O3 (khống corundum) Khống có khối lượng riêng lớn, nhiệt độ nóng chảy cao (2050oC), trơ mặt hóa học nên ổn định điều kiện nhiệt độ thường nhiệt độ cao; Hệ số dãn nở nhiệt từ 6,5-8,9*10-6 K-1; Độ cứng theo thang Mohs 9; Độ bền uốn ba điểm gốm đạt 323 MPa [1] Nhờ tính chất nên gốm oxit nhơm dùng tốt lĩnh vực chịu nhiệt độ cao để làm chén nung, nồi nấu kim loại phụ kiện lò nung Hiện nay, phát triển ngành chế tác kim hoàn ngành nha nên có nhu cầu chén nung nấu chảy kim loại nhiệt độ cao Tuy nhiên, thị trường Việt Nam nay, chén nấu chảy kim loại làm từ oxit silic (silica) hay từ samôt, nhiệt độ sử dụng thường đến 1100oC nên không đáp ứng nhu cầu Nghiên cứu quan tâm đến việc chế tạo chén nung, nồi nấu chảy kim loại từ gốm oxit nhôm, dùng để nấu chảy kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao sắt, mangan, đồng, vàng, bạc, crơm, vanadium… nên có tính cấp thiết cao để đáp ứng nhu cầu thị trường Biết hai yếu tố định đến tính chất gốm oxit nhôm loại gốm kỹ thuật khác nguyên liệu oxit, phụ gia kỹ thuật chế tạo Nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng oxit nhôm phụ gia phù hợp để làm cho hồ đổ rót có tính chất lưu biến mong muốn Các loại phụ gia thường dùng phụ gia phân tán (chất đa điện giải), phụ gia hóa dẻo, phụ gia kết dính… Kết mong muốn hồ gốm với hàm lượng pha rắn oxit nhôm khác phải có độ nhớt thấp ổn định khoảng 5-10 Poise để q trình đổ rót diễn tốt [2] Trong yếu tố kỹ thuật chế tạo, nhóm tác giả nghiên cứu khả tạo hình gốm oxit nhơm để chế tạo chén nung với nhiều hình dạng phức tạp khác Có nhiều phương pháp để tạo hình bán thành phẩm chén nung (mộc) tạo hình dẻo khn thạch cao, ép đùn, nén ép bán khơ, đổ rót Trong đó, đổ rót phương pháp thường lựa chọn hiệu việc tạo hình sản phẩm hay chi tiết có hình dạng phức tạp Thường dùng phương pháp đổ rót khn thạch cao, rót hồ thừa hay hồ đầy Việc đổ rót hồ gốm oxit nhôm loại gốm kỹ thuật cao nói chung cơng việc khó khăn, nguyên nhân không sử dụng nguyên liệu sét cấp phối Đất sét, cao lanh nguyên liệu dẻo tốt cho q trình đổ rót (làm cho q trình bám khn tốt) q trình tháo khn (vì mộc có độ co phù hợp) Việc khơng sử dụng đất sét hay cao lanh cấp phối gây nhiều khó khăn cho q trình tháo khn, đòi hỏi nhược điểm phải khắc phục để sản phẩm có kích thước xác bề mặt phẳng mong muốn Nguyên liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Nguyên liệu hóa chất Trong nghiên cứu, nhóm tác giả sử dụng nguyên liệu α-Al2O3 hãng Kaifeng, Trung Quốc Thành phần hóa oxit nhơm phân tích thiết bị XRF-1800 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 9, 2020 hãng Shimadzu, Nhật Bản; Thành phần khống phân tích thiết bị Smartlab Rigaku với tia phát xạ CuK ( = 1.5405980 Ao), góc quét 2θ từ 20-70o Phụ gia phân tán sử dụng Dolapix PC21 (Zschimmer&Schwart GmbH&Co, Đức) chất đa điện giải ammonium polyacrylate PAA-NH4+, cơng thức hóa học (C3H7NO2)n, trọng lượng phân tử khoảng 4500 [3, 4] Dolapix PC21 chất lỏng màu vàng, tan nước, có tính kiềm, trọng lượng riêng ~1,1 g/cm3, pH ~ 8,5, tác nhân hữu chống keo tụ tốt Chất đa điện giải polymer mà mắt xích sở mang nhóm chất điện li, phụ gia kết nối lên bề mặt hạt oxit nhôm tạo chiếm chỗ không gian lực đẩy tĩnh điện giúp hạt ôxit nhôm phân tán tốt môi trường (hiệu ứng electrosteric) Ngoài ra, để bảo đảm sản phẩm sau tạo hình giữ hình dạng mong muốn nhóm tác giả cịn dùng thêm glycerine (Trung Quốc) làm chất hóa dẻo, dùng hydroxylpropyl methylcellulose làm chất kết dính [3] Hydroxylpropyl methylcellulose (HPMC, Hãng Merk, Đức) có cơng thức hóa học C12H20O10, trọng lượng riêng 1,26-1,31 g/cm3 2.2 Qui trình thực nghiệm Quy trình thực nghiệm trình bày sơ đồ Hình α-Al2O3 Nước Phụ gia 23 Kết thảo luận 3.1 Xác định đặc trưng α-Al2O3 Phân tích thành phần hóa α-Al2O3 hãng Kaifeng cho thấy, oxit nhơm có độ tinh khiết cao, hàm lượng Al2O3 98,69%, hàm lượng oxit khác thấp, đặc biệt hàm lượng Na2O chiếm 0,13% Phân tích thành phần khống α-Al2O3 thể phổ đồ XRD Hình Kết cho thấy, oxit nhơm tồn dạng khoáng corundum α-Al2O3, đường phổ đồ XRD rõ nét, đường tương đối phẳng, peak cao rõ nét khơng có peak lạ chứng tỏ oxit nhơm có độ tinh khiết cao Ở góc qt 2θ = 35,22o peak có cường độ cao 323453,32 (cps) Từ phổ đồ XRD thấy, thành phần khống oxit nhơm tương thích với phân tích thành phần hóa, oxit nhơm có độ tinh khiết cao (hàm lượng Al2O3 98,69%) Nước Nghiền trộn Tạo hình đổ rót Hình Phổ đồ XRD oxit nhơm Kaifeng (Trung Quốc) Thành phần kích thước hạt α-Al2O3 phân tích theo phương pháp Andreasen, dựa vào tốc độ lắng khác hạt có kích thước khác bình Andreasen Đường cong tích lũy, đường cong vi phân đường d50 thể thành phần cỡ hạt α-Al2O3 biểu diễn đồ thị Hình Sấy Nung Xác định tính chất gốm Hình Đường cong thành phần cỡ hạt α-Al2O3 Hình Sơ đồ quy trình thực nghiệm Từ kết thấy, kích thước hạt trung bình ơxit nhơm theo phương pháp Andreasen d50 = 2,07 μm Độ mịn bảo đảm ôxit nhôm phân tán tốt dung môi nước, giúp hồ ổn định (trong trường hợp tạo hình đổ rót) gốm kết khối tốt trình nung 3.2 Ảnh hưởng phụ gia Dolapix PC21 đến độ nhớt hồ gốm Để thu sản phẩm có độ sít đặc cao u cầu phải giảm tối đa lượng nước sử dụng mà đảm bảo tính linh động hồ, yêu cầu phải có chất đa điện giải để phân tán tốt hạt α-Al2O3 mơi trường nước Để khảo sát ảnh hưởng hàm lượng chất đa điện giải đến độ nhớt hồ oxit nhơm, nhóm tác giả sử dụng cấp phối sau: Oxit nhôm 100 g, nước 25 g, phụ gia phân tán Phối liệu sau chuẩn bị nghiền trộn máy nghiền bi 24 để thành hồ đồng Hồ đổ rót vào khn thạch cao lưu khoảng 1-7 phút để đo chiều dày bám khuôn mộc Sau rót hồ thừa, mộc lưu khuôn từ 25-30 phút để mẫu tự tách khỏi khuôn thạch cao, sau tháo khn để mộc khơ tự nhiên 24 Tiếp mộc đem sấy lò sấy nhiệt độ 105oC đến 1100C giờ, sau mẫu đem nung nhiệt độ 16000C với tốc độ gia nhiệt 30C/phút lưu [1, 5] lò nung SH-FU-4MS, Hàn Quốc Sau hình thành gốm, mẫu đem thử tính chất trọng lượng thể tích, trọng lượng riêng, độ xốp, độ hút nước đặc trưng hình thái bề mặt gốm Nguyễn Văn Dũng, Võ Thị Thu Hiền 24 Dolapix PC21 từ 0,7-1,4 g (hàm lượng pha rắn oxit nhôm chiếm 80% trọng lượng) Sau phối trộn, mẫu trộn hũ nghiền 24 h Ngay sau hồ đo độ nhớt nhớt kế Brookfield DV-I PRIME với tốc độ quay 100 vòng/phút Kết thể đồ thị Hình 1000 800 Kết thí nghiệm cho thấy, hồ 30% oxit nhơm chiều cao lắng đạt giá trị thấp hàm lượng Dolapix PC21 0,9% Tuy nhiên, thời gian lắng tăng lên chiều cao lắng tăng lên tương ứng với hàm lượng phụ gia Dolapix PC21 Đối với hồ oxit nhơm có hàm lượng pha rắn 80%, hàm lượng phụ gia phân tán Dolapix PC21 từ 0,8 đến 1,2%, khảo sát sau giờ, sau sau lắng, kết ảnh hưởng phụ gia phân tán Dolapix PC21 đến chiều cao lắng hồ thể đồ thị Hình Độ nhớt (cP) 600 400 200 0.5 1.0 1.5 % Dolapix theo trọng lượng mẫu 2.0 Hình Ảnh hưởng Dolapix PC21 đến độ nhớt hồ gốm oxit nhôm 80% Kết cho thấy, tăng hàm lượng phụ gia phân tán Dolapix PC21 từ 0,7 lên 0,9% độ nhớt hồ giảm nhanh (từ 824 cP xuống 103 cP); Hàm lượng phụ gia phân tán Dolapix PC21 tăng từ 0,9 lên 1,0% độ nhớt hồ đạt ổn định (từ 103 cP đến 109 cP) Nếu tiếp tục tăng hàm lượng phụ gia phân tán hồ >1,0% độ nhớt hồ lại tăng lên Như vậy, hàm lượng phụ gia phân tán Dolapix PC21 tối ưu hồ 0,9-1,0% trọng lượng pha rắn Hàm lượng phụ gia phân tán Dolapix PC21 tối ưu giúp hồ có hàm lượng pha rắn lớn có độ nhớt thấp nhất, giảm lượng nước sử dụng mà đảm bảo độ linh động hồ 3.3 Ảnh hưởng phụ gia Dolapix PC21 đến độ ổn định hồ gốm Độ ổn định hồ thông số quan trọng tính chất đổ rót, đánh giá qua việc xác định khả lắng hồ, cụ thể qua chiều cao lắng (là tỉ lệ phần trăm chiều cao lớp Al2O3 lắng xuống so với chiều cao hồ ban đầu) Đối với hồ oxit nhôm có hàm lượng pha rắn 30%, hàm lượng phụ gia phân tán Dolapix PC21 từ 0,7÷1,2%, khảo sát sau giờ, sau giờ, sau sau 24 lắng, kết ảnh hưởng phụ gia phân tán Dolapix PC21 đến chiều cao lắng hồ thể đồ thị Hình Hình Ảnh hưởng phụ gia phân tán đến chiều cao lắng hồ có hàm lượng pha rắn 80% oxit nhôm Kết nghiên cứu cho thấy, hồ có hàm lượng pha rắn tăng lên (từ 30 lên 80%) chiều cao lắng tăng lên (ví dụ, với khảo sát hàm lượng Dolapix PC21 0,9%, thời gian lắng chiều cao lắng tăng từ 4,17% lên 11,21 %) Nguyên nhân mật độ hạt hồ cao hình thành nên cấu trúc mạng lưới, làm cho hạt keo tụ lại gây lắng (flocculated network structure) [6] Do đó, sử dụng hồ có hàm lượng pha rắn cao (để tạo mộc có độ sít đặc cao gốm oxit nhơm có mật độ cao) việc đổ rót khó khăn nhiều so với sử dụng hồ có hàm lượng pha rắn α-Al2O3 thấp Vậy kết hợp kết ảnh hưởng hàm lượng phụ gia phân tán Dolapix PC21 đến độ nhớt (Mục 3.2) chiều cao lắng hồ (Mục 3.3) hàm lượng phụ gia Dolapix PC21 tối ưu để chế tạo gốm oxit nhôm chọn 1% 3.4 Ảnh hưởng phụ gia kết dính HPMC đến độ lưu động, khả tách khn tạo bọt khí q trình tạo hình Nhóm tác giả khảo sát tính chất hồ độ lưu động, khả tách khn tạo bọt khí hàm lượng phụ gia kết dính HPMC thay đổi từ 0,3 đến 1,5% trọng lượng Kết thí nghiệm trình bày Bảng Bảng Tính chất hồ mộc gốm oxit nhôm Cấp phối 1 1 α-Al2O3 (g) 100 100 100 100 Nước (g) 25 25 25 25 HPMC (g) 0,3 0,5 1,0 1,5 0,5 0,5 Dolapix PC21(g) Glycerine (g) 0,5 0,5 Độ lưu động dễ chảy dễ chảy Khả tách khn Hình Ảnh hưởng phụ gia phân tán đến chiều cao lắng hồ có hàm lượng pha rắn 30% oxit nhơm Bọt khí dễ chảy dễ chảy khó khó dễ dễ nhiều nhiều ít ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 9, 2020 Như vậy, sau thí nghiệm với cấp phối với hàm lượng HPMC từ 0,3 đến 1,5%, nhận thấy, hàm lượng HPMC thấp 1% mộc có nhiều bọt khí, khó tách khn; Khi hàm lượng HPMC 1,0% 1,5% hồ đạt yêu cầu: Dễ chảy, bọt khí mộc dễ tách khn Bài cấp phối với hàm lượng HPMC 1% chọn tối ưu để giảm lượng HPMC sử dụng Lượng HPMC hồ không ảnh hưởng đến chất lượng gốm bị phân hủy trình nung nhiệt độ cao 3.5 Khảo sát tốc độ bám khuôn chiều dày mộc Nhóm tác giả sử dụng cấp phối để khảo sát tốc độ bám khuôn chiều dày mộc Thời gian lưu hồ khuôn trước rót hồ thừa ngồi dao động từ đến phút, chiều dày lớp mộc khuôn thể Bảng 25 3.7 Xác định đặc trưng hình thái bề mặt gốm oxit nhơm Hình thái bề mặt gốm oxit nhôm nghiên cứu nhờ kính hiển vi điện tử quét JSM-6010PLUS/LV khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Trên Hình thấy rõ hạt gốm kích thước trung bình 2,5 µm Nhóm tác giả thực thí nghiệm để bước đầu xác định mức độ chịu ăn mòn gốm kim loại lỏng nóng chảy Hai mảnh gốm oxit nhôm phẳng kẹp nhôm kim loại đốt nóng đến nhiệt độ 700 oC, để kim loại nóng chảy Sau mẫu làm nguội tách riêng mảnh gốm phẳng Hình thể ảnh SEM chụp bề mặt mẫu gốm nung sau bị nhơm lỏng nóng chảy tác dụng Bảng Khảo sát chiều dày lớp mộc khuôn Thời gian lưu (phút) Chiều dày mộc (mm) 2,5 3,5 5,0 7,0 8,5 Dễ thấy tốc độ bám khuôn hồ tốt, lựa chọn thời gian lưu hồ phù hợp để chế tạo chén nung với độ dày khác Tuy nhiên, so với cấp phối gốm truyền thống có sử dụng đất sét hay cao lanh khả tách khn mộc gốm oxit nhơm khó khăn nhiều 3.6 Khảo sát tính chất lý gốm oxit nhơm Nhóm tác giả lựa chọn mẫu cấp phối tối ưu để nung nhiệt độ 1600oC Tính chất lý gốm thể Bảng 3, hình ảnh chén nung thể Hình Bảng Tính chất mẫu gốm cấp phối Trọng lượng Trọng lượng Độ hút nước Độ xốp biểu kiến thể tích riêng H (%) Xbk (%) ρv (g/cm3) ρv(g/cm3) 0,32 1,67 3,40 Hình Ảnh SEM thể hình thái bề mặt mẫu gốm oxit nhôm với độ phóng đại 5000 lần 3,70 Hình Ảnh SEM thể hình thái bề mặt mẫu gốm sau bị nhơm lỏng nóng chảy tác dụng (độ phóng đại 5000 lần) Hình Chén nung từ gốm oxit nhôm Trọng lượng riêng xác định phương pháp picnomet đạt giá trị 3,70 g/cm3, phù hợp với thành phần cấp phối có 100% oxit nhơm Kết cho thấy, gốm có độ hút nước, độ xốp biểu kiến, trọng lượng thể tích tốt, điều gốm nung nhiệt độ đủ để kết khối tốt (1600oC) Trên Hình 8, ngồi hạt oxit nhơm nhìn thấy rõ cấu trúc nhỏ hơn, nhơm kim loại cịn lại sau nóng chảy lấp vào lỗ trống mẫu gốm Nhìn trực quan bề mặt mẫu, khơng nhìn thấy tượng gốm oxit nhơm bị nhơm kim loại nóng chảy ăn mịn Kết luận Nghiên cứu cho kết khả quan, tìm cấp phối cho phối liệu chế tạo gốm oxit nhôm để làm chén nung, Nguyễn Văn Dũng, Võ Thị Thu Hiền 26 chén nấu nhơm kim loại lỏng nóng chảy với nguyên liệu α-Al2O3 loại phụ gia phân tán (Dolapix PC21), phụ gia hóa dẻo (glycerine), phụ gia kết dính (HPMC) Phụ gia phân tán cho thấy hiệu để làm giảm lượng nước sử dụng, giảm độ nhớt tăng độ ổn định cho hồ, giúp mộc sít đặc Đặc biệt, phụ gia kết dính HPMC ảnh hưởng tốt đến độ lưu động, khả tách khuôn chống tạo bọt khí q trình tạo hình sử dụng với hàm lượng phù hợp [3] [4] [5] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Viện công nghệ xạ hiếm, Nghiên cứu quy trình cơng nghệ chế tạo vật liệu gốm hệ corundum, Đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Hà Nội 2003 [2] Nguyễn Văn Dũng, Võ Kỳ Anh, “Nghiên cứu ảnh hưởng phụ [6] gia phân tán đến tính chất hồ cao lanh”, Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, 2(45), 2015, trang 25-29 Jean Marie Haussonne, Claude Carry, Paul Bowen, James Barton, Céramiques et verres: Principes et techniques d’élaboration, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, Laussane, 2005 Athena Tsetsekou, Christos Agrafiotis, Aggelos Milias, “Optimization of the rheological properties of alumina slurries for ceramic processing applications Part I: Slip-casting”, Journal of the European Ceramic Society, 21 (2001) 363-373 Chandradass J., Ki Hyeon Kim et al., “Starch consolidation of alumina: Fabrication and mechanical properties”, Journal of the European Ceramic Society, (2009), doi10.1016/jeurceramsoc.2009.02.001 Athena Tsetsekou, Christos Agraotis, Aggelos Milias, “Optimization of the rheological properties of alumina slurries for ceramic processing applications”, Mechanics and Materials, Vol 79, 2011, pp 177-181 (BBT nhận bài: 11/6/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 25/9/2020) ... mẫu gốm Nhìn trực quan bề mặt mẫu, khơng nhìn thấy tượng gốm oxit nhơm bị nhơm kim loại nóng chảy ăn mịn Kết luận Nghiên cứu cho kết khả quan, tìm cấp phối cho phối liệu chế tạo gốm oxit nhôm. .. mặt mẫu gốm oxit nhôm với độ phóng đại 5000 lần 3,70 Hình Ảnh SEM thể hình thái bề mặt mẫu gốm sau bị nhơm lỏng nóng chảy tác dụng (độ phóng đại 5000 lần) Hình Chén nung từ gốm oxit nhôm Trọng... để chế tạo chén nung với độ dày khác Tuy nhiên, so với cấp phối gốm truyền thống có sử dụng đất sét hay cao lanh khả tách khn mộc gốm oxit nhơm khó khăn nhiều 3.6 Khảo sát tính chất lý gốm oxit