Nghiên cứu tổng hợp chất màu kẽm silicat pha tạp bởi coban

Trong tổng hợp chất màu, các ion kim loại chuyển tiếp được đưa vào phối liệu dưới dạng các oxit hoặc muối có khả năng phân hủy nhiệt tạo thành oxit ở nhiệt độ cao trong quá trình nung ph

LỜI CAM ĐOAN

Khóa luận của em được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Xuân Thành cùng với sự cố gắng của bản thân và sự giúp đỡ của các bạn

cùng làm Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện khóa luận em có tham khảo tài liệu của một số tác giả

Em xin cam đoan những kết quả trong khóa luận là kết quả nghiên cứu của bản thân, không trùng với kết quả của các tác giả khác Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Sinh viên

Hoàng Thị Hạnh Dung

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Xuân Thành,

người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực nghiệm để hoàn thành khoá luận này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo cùng các bạn Khoa Hoá học Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình

học tập và thực hiện khoá luận

Tôi đặc biệt cảm ơn chị Lê Hồng Duyên, sinh viên K51 ngành Công nghệ hóa học các chất vô cơ - trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình

giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành khoá luận này

Tôi xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 10 tháng 5 năm 2011

Hoàng Thị Hạnh Dung

MỞ ĐẦU

Sản xuất chất màu là một ngành công nghiệp đem lại lợi ích kinh tế to lớn Tuy nhiên ở nước ta hiện chưa có một cơ sở nào sản xuất và cung cấp ra thị trường các sản phẩm chất màu thương mại với qui mô công nghiệp Trong khi đó nhu cầu sử dụng chất màu tại Việt Nam ngày càng lớn với những yêu cầu ngày càng khắt khe về chất lượng, mẫu mã, chủng loại Vì vậy cần có chính sách phát triển ngành công nghiệp chất màu tại Việt Nam từ nghiên cứu phòng thí nghiệm cho đến triển khai công nghiệp Các chất màu trên cơ sở mạng kẽm silicat bền nhiệt, bền hóa học có thể dùng làm chất màu cho nhiều

lĩnh vực công nghiệp và đời sống Do vậy đề tài “Nghiên cứu tổng hợp chất màu trên cơ sở hệ kẽm silicat pha tạp bởi coban” rõ ràng có ý nghĩa khoa

học và thực tiễn quan trọng

Mục đích của đề tài: Tổng hợp thành công chất màu trên cơ sở hệ kẽm

silicat pha tạp bởi coban

Nội dung của đề tài:

- Tổng hợp chất màu trên cơ sở hệ kẽm silicat pha tạp bởi coban

- Đánh giá đặc tính sản phẩm thu được

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN CHẤT MÀU CHO GỐM

Phổ của bức xạ điện từ trải rộng từ tia γ (do các chất phóng xạ phát ra)

có bước sóng cỡ 10-12m, qua tia Rơntghen, tia tử ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại và cuối cùng là sóng rađio (sóng vô tuyến điện) với bước sóng dài

105m Ánh sáng nhìn thấy nằm trong một vùng hẹp của phổ với bước sóng từ 0,4µm đến 0,7µm

Hình 1.2 Dải bức xạ điện từ

1.1.2 Tính hạt của ánh sáng

Ánh sáng là một đề tài luôn thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới Đến nay lý thuyết về ánh sáng đã được làm sáng tỏ và được dùng làm cở sở để giải thích rất nhiều hiện tượng tự nhiên Theo quan điểm lượng tử, bức xạ điện từ là các hạt lượng tử hay photon Mỗi photon mang một năng lượng ε được xác định bởi phương trình:





(1.1) Trong đó: h- là hằng số Plăng, có giá trị 6,63.10-34 J.s

Như vậy, năng lượng photon tỉ lệ thuận với tần số và tỉ lệ nghịch với bước sóng của ánh sáng

1.1.3 Tương tác giữa ánh sáng và vật rắn

Khi chùm photon chiếu vào một chất rắn, sự tương tác diễn ra, điều này liên quan đến lý thuyết lượng tử Theo nguyên lý tán xạ bức xạ điện từ của Huygen, khi các photon đến gần tiếp xúc với một chất rắn, các vectơ điện

trường và từ trường của các photon tới cặp đôi với các vectơ điện trường và từ trường của các electron trong các nguyên tử của chất rắn Tương tác này gồm

Cơ chế này được minh họa như sau:

Hình 1.3: Cơ chế tương tác của photon với chất rắn

với chiều dài sóng photon), không có tương tác nào xảy ra Khi phản xạ (tán xạ), photon có thể va chạm đàn hồi hoặc không đàn hồi với các nguyên tử chất rắn Ở trường hợp va chạm đàn hồi bước sóng không thay đổi, còn va chạm không đàn hồi làm thay đổi bước sóng của các photon Điều này có nghĩa là một phần năng lượng hấp thụ tạo ra trạng thái “kích thích”, ở đó electron được chuyển lên vùng năng lượng cao hơn Trường hợp bước sóng photon phát ra không bị thay đổi, photon được gọi là “tán xạ” và sự phản xạ là một va chạm đàn hồi

Các công thức có thể áp dụng đối với các tính chất quang học của chất rắn như sau:

Trường hợp sự hấp thụ là rất nhỏ so với sự tán xạ, chất mà có màu trắng Trường hợp sự hấp thụ là cao hơn nhiều so với sự tán xạ ở trong vùng ánh sáng nhìn thấy, chất màu có màu đen Ở các chất màu có màu khác, sự hấp thu là chọn lọc (phụ thuộc bước sóng) Chẳng hạn, một chất có màu lục

khi chúng chỉ cho tia màu lục đi qua hoặc nó hấp thụ tia màu đỏ và cho tất cả các tia khác đi qua Bảng sau chỉ ra màu của các chất theo bước sóng ánh sáng

580 – 595 206 – 200 Vàng Xanh biển (blue)

595 – 605 200 – 198 Cam Xanh biển – Lục nhạt

605 – 750 198 – 149 Đỏ Lục – Xanh biển nhạt

>750 <149 Tia hồng ngoại Không màu

Bảng 1.1 Màu của các chất theo bước sóng ánh sáng bị hấp thụ

1.1.4 Các nguyên tố gây màu

Các nguyên tố gây màu ở các chất rắn thường là các ion kim loại chuyển tiếp ở trạng thái oxy hóa khác nhau Nguyên tố kim loại chuyển tiếp là các nguyên tố mà phân lớp d hoặc f chưa được điền đầy đủ các electron Trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố chuyển tiếp bắt đầu từ chu kì 4

đến chu kì 7, ở các nhóm B Các nguyên tố chuyển tiếp có dạng tổng quát (n-1)d1-10ns1-2, họ lantan và họ actini có cấu hình điện tử tổng quát dạng (n-2)f1-14 (n-1)d0-1 ns2 Các dạng oxy hóa khác nhau của các nguyên tố chuyển tiếp được hình thành bằng cách mất đi electron lớp ngoài cùng Dưới tác dụng của trường tinh thể có sự phân tách mức năng lượng của các ion kim loại chuyển tiếp và do vậy chúng có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy và do vậy chúng có màu

Trong tổng hợp chất màu, các ion kim loại chuyển tiếp được đưa vào phối liệu dưới dạng các oxit hoặc muối có khả năng phân hủy nhiệt tạo thành oxit ở nhiệt độ cao trong quá trình nung phối liệu màu

Ngày nay, những chất màu sử dụng cho gốm sứ thường là những chất màu tổng hợp bền nhiệt Các chất màu với yêu cầu vừa có tính trang trí, vừa đòi hỏi phải chịu tác động khắc nghiệt của nhiệt độ, tác nhân hóa học, môi trường …

Chất màu cho gốm sứ chủ yếu thuộc hệ dung dịch rắn (dung dịch rắn xâm nhập hay dung dịch rắn thay thế), thường được tổng hơp dựa trên cơ sở đưa một số ion kim loại chuyển tiếp hoặc đất hiếm vào mạng lưới tinh thể của

chất nền khi nung ở nhiệt độ cao để tạo những khoáng bền, hoặc có thể chỉ là một thành phần của dung dịch rắn của cấu trúc khoáng bền đó Như vậy cấu trúc của các chất màu là không hoàn chỉnh, nghĩa là có sự biến đổi về cấu trúc Mặt khác, biến dạng không phải chỉ xảy ra ở một dải điện tử nhất định

mà ở cả các dải lân cận dẫn đến khả năng hấp thụ ánh sáng không phải ở một bước sóng đặc trưng mà là cả một dải nhiều bước sóng Vì vậy, màu nhìn thấy không thuần khiết hay nói cách khác là có nhiều tông màu

Trong sản xuất chất màu cho gốm sứ thì điều kiện công nghệ chủ yếu là nhiệt độ nung, môi trường khi nung màu Đó là các yếu tố quyết định khả năng tạo màu, độ bền màu của chất màu khi sử dụng

Chất màu cho gốm sứ phải thỏa mãn các điều kiện cơ bản sau:

+ Phải bền vững với tác động của nhiệt độ cao, bền với các tác nhân hóa học trong quá trình đưa màu vào sản phẩm gốm sứ

+ Không bị biến đổi màu dưới tác động của men nóng chảy ở nhiệt độ cao

+ Dễ dàng trang trí lên sản phẩm

+ Có tính kinh tế

1.2.1 Các loại tinh thể nền dùng để tổng hợp chất màu cho gốm sứ

Chất màu được tổng hợp trên cơ sở mạng lưới tinh thể của chất nền Những mạng lưới đó phải đạt một số tính chất như bền ở nhiệt độ cao, bền với tác dụng của môi trường xâm thực, hòa tan được trong men hoặc chất chảy

Các tinh thể nền thường không có màu, để tạo màu cho chúng cần phải đưa vào trong cấu trúc tinh thể nền, điều này thường được thực hiện bằng phản ứng giữa những pha rắn giữa các oxit Ion sinh màu ở trong tinh thể nền dưới dạng dung dịch rắn xâm nhập (nằm ở các hốc trong mạng tinh thể nền) hoặc dung dịch rắn thay thế (thay thế các ion trong nút mạng tinh thể nền)

Dưới tác động của trường tinh thể, cấu trúc lớp vỏ điện tử của các ion sinh màu dị biến dạng, sự suy biến về mức năng lượng ở một số phân lớp điện tử của ion giảm so với trạng thái của ion tự do Đây chính là nguyên nhân các ion này có khả năng hấp thụ một cách chọn lọc bức xạ điện tử và chúng chính

là tác nhân gây màu trong tinh thể nền

1.2.2 Giới thiệu một số tinh thể nền sử dụng trong tổng hợp chất màu gốm

1.2.2.1.Tổng hợp chất màu trên cơ sở mạng lưới spinen AB 2 O 4

Chất màu này có độ bền nhiệt cao, nhiệt độ nóng chảy khoảng trên

17000C Đặc tính quan trọng là khả năng thay thế đồng hình các cation trong mạng lưới spinen Nguyên liệu loại này có thể đi từ các oxit, hoặc các muối phân hủy cho oxit Để hạ nhiệt độ phản ứng có thể chuẩn bị phối liệu theo phương pháp đồng kết tủa, hoặc đồng tạo phức … Chất khoáng dùng với chất màu loại này là axit boric (khoảng 2% khối lượng phối liệu) Khi tăng lượng axit boric sẽ tăng lượng spinen trong sản phẩm, tăng cường độ màu và độ bền hóa học Hệ màu spinen có: màu xanh lá cây (CoAl2O4), màu xanh thẫm (Ni.Al2O3), lục thẫm (CoO.Cr2O3), lục xám (MnO Al2O3), vàng xám (CuO.Fe2O3)

1.2.2.2 Chất màu trên cơ sở mạng zircon

Đây là loại chất màu hiện nay đang được sử dụng nhiều nhất Đặc tính quý giá của chất màu này là bền nhiệt, bền hóa, bền với tác dụng của chất chảy Bản thân mạng lưới zircon (ZrSiO4) không có màu, muốn đạt được mạng zircon có màu phải đưa vào đó chất sinh màu như vanadi, sắt, và một số nguyên tố đất hiếm khác Chất khoáng thường dùng trong tổng hợp chất màu trên cơ sở mạng lưới zircon là NaF, Na2SiF6, Na3AlF6 Các chất màu trên cơ

sở zircon có màu xanh da trời với nguyên tố sinh màu là vanadi (dạng oxit)

nung trong khí quyển oxi hóa Màu hồng trên cơ sở zircon có chứa ion Fe3+ Màu vàng trên cơ sở zircon có chứa ion Pr3+,…

1.2.2.3 Chất màu trên cơ sở điôpzit CaO.MgO.2SiO 2

Điôpzit thuộc nhóm pyroxene có các tứ diện SiO44 – nối với nhau theo hai nhóm O2 – tạo thành mạch dài Giữa các mạch đó có phân bố các cation

Ca2+, Mg2+,… các ion này có thể thay thế đồng hình bởi những cation tạo màu như Co2+, Ni2+, Cr3+, V3+, Fe3+… Phản ứng tạo màu trên cơ sở mạng điôpzit được tiến hành ở nhiệt độ tương đối thấp và không nhất thiết phải sử dụng chất khoáng hóa Nguyên liệu ban đầu có thể dùng các khoáng chất tự nhiên

có chứa các oxit cần thiết (CaO, MgO,…) Nhiệt độ tổng hợp tùy theo thành phần phối liệu và nằm trong khoảng 1150o đến 1300oC Khi thay thế MgO băng CoO thì thu được chất màu từ hồng đến tím Cũng trên cơ sở màu này

mà thay thế một phần SiO2 bằng Al2O3 thì được màu lam thẫm, nếu thay thế hoàn toàn thì được màu xanh lam tím Thay thế MgO bằng NiO sẽ cho sản phẩm từ xanh lục tươi dến thẫm,…

1.2.2.4 Màu trên cơ sở vilemit

Vilemit có cấu trúc mạng tinh thể gồm các tứ diện riêng rẽ SiO44 -, cation kim loại nằm giữa những tứ diện đó Công thức của vilemit là 2ZnO.SiO2 Khi thay thế một phần ZnO bằng CoO thì được màu xanh lam sáng Nhờ vào chất khoáng hóa (oxit kim loại kiềm, axit boric) có thể giảm nhiệt độ tổng hợp xuống 1000oC Khi thay thế một phần hoặc toàn bộ SiO2bằng P2O5 có thể có được nhiều màu khác nhau để trang trí thủy tinh, đồ gốm

1.2.2.5 Chất màu trên cơ sở phôsterit (2MgO.SiO 2 )

Phôsterit có cấu trúc riêng rẽ SiO44- , ion Mg2+ được phân bố đều giữa các tứ diện đó, các ion O2- trong phôsterit tạo thành cấu trúc gói gém lục phương Trong các cấu trúc phôsterit ion Mg2+ có thể thay thế hoàn toàn bằng ion Fe2+ tạo thành dãy các dung dịch rắn lien tục(Mg,Fe)2SiO4 gọi là olivine

Tác dụng nhuộm màu của sắt phụ thuộc vào trạng thái cân bằng oxi hóa khử,

có thể đồng thời tồn tại cả 2 ion Fe2+ và Fe3+ tùy thuộc vào khí quyển nung Việc thay thế MgO bằng oxit sắt làm tăng mạnh khả năng kết khối của sản phẩm màu, mức độ kết khối tăng khi bán kính cation tăng

1.2.2.6 Chất màu trên cơ sở đất hiếm

Ion đất hiếm đưa vào chất màu vô cơ sẽ làm tăng cường độ màu, đặc biệt là làm ổn định độ màu Ngoài ra các oxit của neeodim, xêri, parazeodim, terbi thêm vào chất màu sẽ tạo ra nhiều màu đặc biệt Các mức electron chưa được lấp đầy có độ bền tương đối thấp, dễ hấp thụ năng lượng trong vùng quang phổ nhìn thấy làm cho nó có màu Căn cứ vào việc chuyển electron trên các phân mức người ta phân thành chất sinh màu loại một (do các ion của nguyên tố chuyển tiếp) và chất sinh màu loại hai (do các ion nguyên tố đất hiếm) Ví dụ dùng chất sinh màu Nd2O3 sẽ thu được chất màu tím dịu có thể dùng làm màu trên men, hoặc chất tạo màu trong thủy tinh pha lê Sử dụng oxit prazeodim làm chất sinh màu có thể thu được dãy màu khá rộng Ôxit xeri cho màu gạch sáng, sắc màu của chất này phụ thuộc vào mức oxi hóa của xeri, Ce4+ cho màu ôliu, Ce3+ cho màu thẫm hơn

1.2.2.7 Chất màu trên cơ sở kẽm silicat

Trên cơ sở quan niệm cấu tạo phân tử, các silicat được coi là muối của nhiều axit giả thiết Trên quan niệm đó, trong các silicate, người ta phân ra:

(1) Octosilicat là muối của axit H4SiO4

(2) Metasilicat là muối của axit H2SiO3

(3) Pyrosilicat là muối của axit H6Si2O7

Trong tất cả các silicat đã nghiên cứu, mỗi ion Si4+ bao giờ cũng nằm giữa 4 ion O2- bố trí ở các góc của một tứ diện Mối liên kết giữa các ion oxi với silic mạnh hơn nhiều mối liên kết với các kim loại đóng vai trò cation

trong kiến trúc tinh thể của silicat Kích thước của các tứ diện SiO4 đó không thay đổi bao giờ Khoảng cách Si-O chỉ khoảng 1,6Ao Điều đó và các tài liệu nghiên cứu bằng tia X khác cho biết mối liên kết Si-O là mối liên kết cộng hoá trị Như vậy, tứ diện [SiO4]4- là đơn vị kiến trúc cơ sở của tất cả các silicat Khi thay thế một phần kẽm bằng các ion mang màu có thể tạo ra các chất màu khác nhau

1.2.3 Các phương pháp sử dụng chất màu gốm

Theo đặc tính sử dụng, các chất màu gốm sứ được chia thành hai loại: chất màu nhẹ lửa và chất màu nặng lửa Xét về khả năng chịu nhiệt, màu trong xương sứ và chất màu dưới men chịu nhiệt cao nhất, tiếp đến là màu trong men và sau cùng là màu trang trí trên men Lý do là vì nhiệt độ thêu kết xương sứ cao hơn nhiều nhiệu độ chảy của men và nhiệt độ chảy của men cao hơn nhiệt độ chảy của màu trang trí trên men, chính vì vậy mà sản phẩm được nung một lần, hai lần hoặc ba lần theo thứ tự nhiệt độ nung lần sau thấp hơn lần trước

1.2.3.1 Màu trong xương

Yêu cầu của loại màu này là phải chịu nhiệt độ cao (vì xương sứ phải nung ở nhiệt độ cao mới đạt độ kết khối đáp ứng các chỉ tiêu quy định) Chất màu được nghiền trộn với xương sứ để tạo hỗn hợp đồng nhất, ví dụ: gốm sứ

mỹ nghệ, gốm sứ dân dụng hoặc gạch granit nhân tạo Sau đó nung thêu kết ở nhiệt độ cao từ 1190oC – 1400oC tùy theo loại sản phẩm Do nung ở nhiệt độ cao, nên chủng loại màu trong xương rất hạn chế, nhiều chất màu dễ bị biến đổi màu sắc khi nung ở nhiệt độ cao

1.2.3.2 Màu trong men

Màu trong men thường được tao ra bằng cách đưa trực tiếp một số hợp chất gây màu hoặc chất màu tổng hợp bền nhiệt vào men Tùy theo khả năng

chịu nhiệt của mỗi kim loại màu để dùng men có nhiệt độ nung chảy thích hợp Chất màu cho gốm sứ vẫn có thể phản ứng một phần với các oxit trong men, vì vậy người ta phải lưu ý sự phù hợp của hệ chất màu với thành phần của men Độ mịn của màu có ảnh hưởng tới cường độ màu, cũng như sự đồng đều màu men Cụ thể, màu có cỡ hạt càng mịn cho màu men có cường độ càng cao và khả năng đồng đều màu cũng cao Sự phân bố màu trong men được phân thành hai cơ chế dựa trên bản chất của chúng như sau:

- Sự tạo màu trong men bằng các phân tử màu:

Các phân tử màu được tạo ra từ các oxit khác nhau của sắt, coban, niken, mangan, crom, đồng, vanadi,… hòa tan được trong men nóng chảy Màu men trong trường hợp này rất dễ thay đổi về màu sắc bởi dụ tương tác hóa học phức tạp chính các oxit gây màu với thành phần men dưới tác động của nhiệt độ nung, môi trường nung, cũng như sự phụ thuộc vào số phối trí của oxit gây màu tồn tại trong men

- Sự tạo màu trong men bằng các chất màu không tan trong men:

Đó chính là những chất màu có cấu trúc bền nhiệt, không bị tan trong men nóng chảy mà chỉ phân bố đều trong men Các chất màu này có thể là những chất màu tổng hợp bền nhiệt hoặc các khoáng thiên nhiên bền có màu Trường hợp này màu trong men sẽ ổn định hơn và bền hơn với các tác nhân hóa học, ánh sáng, khí quyển,…

1.2.3.3 Màu trang trí

- Màu trên men:

Màu này dùng để trang trí (vẽ thủ công, in ấn hoặc dán giấy,…) lên sản phẩm gốm đã tráng men và nung chín rồi, sau đó nung lại ở nhiệt độ thấp hơn (khoảng 600oC đến 900oC), thường gọi là men thấp Thông thường nhiệt độ nung kết của loại màu này là khoảng 700oC – 850oC Màu trên men gồm hỗn hợp chất màu với chất trợ dung (dạng frit nhiệt độ chảy thấp có chứa nhiều

chất chảy như chì, bo,…), chất pha loãng (cao lanh, silica, oxit nhôm, …) và dầu hữu cơ, hoặc với nước thì có thêm phụ gia hữu cơ dẻo và chống lắng Chất trợ dung có nhiệt độ chảy thấp hơn nhiệt độ chảy của men, có tác dụng làm cho màu vẽ lên sản phẩm chóng khô cứng, sau khi nung màu được bám chắc vào men, đồng thời là tăng độ ánh của màu Chủng loại của chất màu trên men rất phong phú Màu trên men thì có cường độ bóng rất đẹp và tông màu rất sáng, nhưng về mặt hóa học thì chúng kém bền hơn so với chất màu dưới men, do đó hình vẽ nổi bật kên mặt sứ dễ bị xước mòn

- Màu dưới men:

Màu này dùng để trang trí (vẽ thủ công hoặc in ấn) lên sản phẩm mộc

đã sấy khô hoặc chỉ nung sơ bộ, sau đó mới tráng men, rồi tiến hành nung chín ở nhiệt độ từ 1300oC – 1400oC tùy theo loại sản phẩm Như vậy màu dưới men vừa tiếp xúc với xương mộc vừa tiếp xúc với lớp men do đó đòi hỏi tính chất khắc nghiệt hơn so với loại màu trên men, để sản phẩm không bị rạn nứt thì hệ số dãn nở nhiệt không chênh lệch nhiều so với xương sứ và men Màu dưới men có chất trợ dung ít hơn và nhiệt độ chảy cao hơn màu trên men Nhờ có một lớp men bóng và trong suốt che phủ trên lớp chất màu nên các chất màu này bám rất chặt trên bề mặt sản phẩm và có màu rất đẹp, có độ ánh, sáng cao và rất bền Do nung ở nhiệt độ cao, nên chủng loại màu dưới men rất hạn chế, nhiều chất màu dễ bị biến đổi màu sắc khi đưa lên nhiệt độ cao Trong chủng loại các chất màu dưới men cho gốm nung ở nhiệt độ

1160oC – 1200oC không có được các tông màu rực rỡ Còn chủng loại chất màu dưới men cho sứ nung tới nhiệt độ 1400oC cho tới này thì chỉ có một ít chất màu Song các chất màu này với đặc tính thẩm mỹ và độ bền vững rất cao đã trở lên quý giá, vì vậy mở rộng và phát triển chủng loại chất màu dưới men đang là một nhiệm vụ quan trọng trong lĩnh vực tổng hợp chất màu gốm

sứ hiện nay

1.2.4 Kĩ thuật tổng hợp chất màu

1.2.4.1 Phương pháp gốm

Đây là phương pháp truyền thống, có thể mô tả phương pháp theo dạng

sơ đồ khối dưới đây (hình 1.4)

Phối liệu tạo màu thường được nghiền trộn kỹ đến một độ mịn thích hợp trong máy nghiền bi ướt hoặc khô Phối liệu để trộn thường bao gồm:

- Các oxit hoặc hidroxit, các muối có khả năng phân hủy ở nhiệt độ cao tạo ra oxit

- Các chất khoáng hóa: đây là các chất giúp thúc đẩy nhanh quá trình tổng hợp chất màu, hạ bớt nhiệt độ nung cần thiết Các chất chảy thường là các hợp chất của bo (H3BO3, Na2B4O7.10H2O) hoặc các muối của các kim loại kiềm (chủ yếu là các muối cacbonat)

Hình 1.4 Phương pháp gốm truyền thống để sản xuất vật liệu màu

Hỗn hợp nghiền được kiểm tra kĩ về độ mịn qua các sang thích hợp, nếu nghiền ướt thì phải sấy khô Phối liệu màu thường được nung ở khoảng nhiệt độ 900oC – 1400oC, trong những khoảng thời gian khác nhau tùy theo từng loại màu Hỗn hợp được nghiền và rửa bằng nước ngâm chiết với axit HCl 5% để loại bỏ chất chảy, các hợp phần chưa sạch Cuối cùng được đem

Chuẩn bị

phối liệu

(1)

Nghiền, trộn (2)

Ép viên (3)

Nung (4)

Sản phẩm (5)

nghiền mịn tới cỡ hạt 1-3µm Việc khống chế cỡ hạt rất quan trọng vì độ chói của màu sẽ giảm với cỡ hạt thô Nếu nghiền quá mịn, chất màu sẽ dễ bị hòa tan trong pha thủy tinh lỏng

1.2.4.2 Phương pháp đồng kết tủa

Đây là phương pháp đang được sử dụng rộng rãi để tổng hợp vật liệu Phương pháp này cho phép khuếch tán các chất tham gia phản ứng khá tốt, tăng đáng kể bề mặt tiếp xúc của các chất phản ứng do đó có thể điều chế được sản phẩm mong muốn ở nhiệt độ nung tạo sản phẩm thấp.Một điều quan trọng ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm là thành phần của vật liệu, do đó khi tiến hành phản ứng đồng kết tủa Phải làm sao thu được pha kết tủa có thành phần mong muốn

Phương pháp đồng kết tủa có các thuận lợi sau:

+ Cho sản phẩm tinh khiết vì quá trình sử dụng các phân tử tiền chất không phải là các khối vật liệu lớn

+ Tính đồng nhất của sản phẩm cao, dễ điều khiển tỉ lệ hóa học Quá trình cho phép lấy những lượng chất đầu chính xác trộn với nhau theo tỉ lệ hóa học của sản phẩm đạt được như mong muốn Điều này đặc biệt quan trọng trong tổng hợp vật liệu cao cấp, đòi hỏi tỉ lệ chính xác cao của các cấu

tử

+ Điều chỉnh tính chất thông qua điều chỉnh các yếu tố điều kiện của phản ứng như: pH, nhiệt độ, nồng độ, tốc độ của sự thủy phân, sự kết tinh ảnh hưởng của hình thái học, độ lớn và tính chất của các hạt sản phẩm cuối cùng

+ Tổng hợp ở nhiệt độ thấp vì sản phẩm đồng nhất và kích thước hạt nhỏ hơn phương pháp gốm do đó dự lớn lên của tinh thể có thể xảy ra ở nhiệt

độ thấp

1.2.4.3 Phương pháp sol-gel

Trong phương pháp này quá trình đầu tiên diễn ra là quá trình đồng tụ tiền chất để hình thành dạng sol, dạng đồng nhất của các hạt oxit siêu nhỏ trong chất lỏng Giai đoạn này có thể điều chỉnh bằng sự thay đổi pH, nhiệt độ

và thời gian phản ứng, xúc tác, nồng độ tác nhân, tỷ lệ nước.Các hạt sol lớn lên và đông tụ thành mạng polime liên tục hay gel chứa các bẫy dung môi Phương pháp làm khô sẽ xác định các tính chất của sản phẩm cuối cùng: gel

có thể được nung nóng để loại trừ các tác nhân dung môi, gây áp lực lên mao quản và làm sụp đổ mạng gel, hoặc làm khô siêu tới hạn cho phép loại bỏ các phân tử dung môi mà không sụp đổ mạng gel Sản phẩm cuối cùng thu được

từ phương pháp làm khô được đem nung tạo sản phẩm

Phương pháp sol-gel được quan tâm nhiều vì nó thành công trong lĩnh vực tổng hợp vật liệu cấp hạt nano

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Các thiết bị và hoá chất cần thiết

2.2.1 Tổng hợp chất màu theo phương pháp đồng kết tủa

Chuẩn bị dung dịch A đi từ kẽm axetat 1M, coban sunfat 1M và nước Pha dung dịch B gồm natri silicat 1M và NH3 2M: Cân chính xác 122 gam Na2SiO3, cho vào bình định mức 1L, thêm nước hòa tan hết và 200 mL

NH3 10 M, bổ sung thêm nước cho đến vạch

Cho vào cốc 100 ml, một thể tích xác định dung dịch A Cho lên bếp khuấy từ, và bổ sung dần một thể tích xác định dung dịch B Thể tích dung dịch A và B được lấy theo một tỷ lệ đã tính toán trước ứng với thành phần chất cần điều chế Zn2-x CoxSiO4 Lọc và rửa kết tủa, sau đó sấy khô ở 800C trong 2h và nung ở các nhiệt độ khác nhau thu được sản phẩm

Dung dịch B