Nghiên cứu vật liệu chịu axit trên cơ sở quartz và polyme hệ na2o sio2 h2o

Tổng quan polyme vô cơ [1,5] Polyme vô cơ là loại hợp chất có trọng lượng phân tử lớn được hình... Trong dung dịch các polyme vô cơ có thể tạo thành các đa nhân anion, cation, hay có th

MỞ ĐẦU

  Vữa  chịu axit là  vật  liệu  dạng  bột,  chế  tạo  bằng  cách nghiền  mịn  đồng 

thời cát thạch anh sạch (hoặc quartz) và Na2SiF6 (có thể nghiền từng nguyên 

- Nghiên cứu phụ gia cho hệ Na2O – SiO2 – H2O để nâng cao độ axit. 

Phương  pháp  nghiên  cứu  tổng  hợp  tài  liệu  tham  khảo,  phương  pháp 

thực nghiệm 

 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

 

1.1 Công nghệ sản xuất vữa chịu axit trên cơ sở chất liên kết là polyme

vô cơ

1.1.1 Tổng quan polyme vô cơ [1,5]

Polyme  vô  cơ  là  loại  hợp  chất  có  trọng  lượng  phân  tử  lớn  được  hình 

Người  đầu  tiên  phân  loại  polyme  vô  cơ  là  nhà  khoa  học  người  Mỹ 

Maye,  dựa  trên  sự  thay  đổi  về  cấu  trúc polyme  ở  trạng  thái  rắn.  Tuy  nhiên, 

Bảng 1.1.Năng lượng liên kết của một số loại polyme

+ Polyme vô cơ ở dạng rắn : 

Đây là  dạng tồn tại phổ  biến  nhất. Trong  dạng này,  polyme có thể có 

gian thay đổi phức tạp, nguyên tố nhóm VB có cấu trúc mắt xích, hay cấu trúc 

lớp,  nguyên  tố  nhóm  VIB  thường  có  xu  hướng  tạo  cấu  trúc  vòng  hay  mắt 

xích. 

+ Polyme vô cơ ở dạng lỏng : 

Rất  ít  loại  polyme  vô  cơ  được  nghiên  cứu  trong  trạng  thái  lỏng  tinh 

khiết.  Có  lẽ  hợp  chất  polyme  quan  trọng  nhất  ở  trạng  thái  này  là  polyme 

sunfua và halogen polysunfua. Loại vật liệu này tồn tại ở dạng polyme đồng 

nhất  và  công  thức  chung  là  H2Sn  và  X2Sn  (X    là  Cl  và  Br).  Tại  nhiệt  độ 

thường,  tất  cả  các  polyme  này  đều  tồn  tại  ở  dạng  lỏng  tinh  khiết, 

hydropolysunfua có màu  vàng  hoặc trắng,  clopolysunfua  có  màu  đỏ da  cam 

thay  đổi  cơ bản  trong  ô  mạng  silicat khi  có  mặt  của  10%  mol  oxit  kim  loại 

kiềm  hay  20%  kim  loại  kiềm  thổ.  Sự  thay  đổi  này  không  thể  giải  thích  dựa 

+ Polyme trong dung dịch :

Nghiên  cứu  về  phần  này,  người  ta  quan  tâm  đến  việc  đo  khối  lượng 

phân  tử  của  một  số  polyme  trong  dung  dịch  nước  và  không  phải  dung  dịch 

nước. 

Trong dung dịch các polyme vô cơ có thể tạo thành các đa nhân anion, 

cation, hay có thể thành các chất điện ly cao phân tử. 

- Tính chất của polyme vô cơ :

Các  polyme  có  mạch  thẳng  hoặc  mạch  vòng có  nguồn  gốc  vô  cơ  hay 

hữu cơ đều được hợp thành từ các phân tử nhỏ để tạo thành các phân tử lớn, 

phân  tử  càng  lớn  độ  uốn  càng  cao  và  tạo  ra  tính  dẻo  của  polyme.  Nguyên 

nhân tạo ra tính dẻo là do cấu trúc trong phân tử lớn càng dài, do đó có nhiều 

mối nối các nguyên tử tạo ra phân tử lớn. 

Các  polyme  có  2  đặc  tính  quan  trọng  là  các  phân  tử  lớn  có  tham  gia 

chuyển  động  và  có  xác  suất  tạo  mạng  không  gian  trong  cấu  trúc.  Khi  hình 

thành  phân  tử  lớn,  các  polyme  có  các  phân  tử  nhỏ  tồn  tại  ở  trạng  thái  dịch 

các polyme.  Khi đa tụ  tại polyme, các  mối nối trong  mạch cấu trúc  càng sít 

đặc,  độ  giãn nở  nhỏ  và  khả năng  khuếch tán dung  môi  vào  vật  liệu  càng ít. 

Điều này tạo ra tính bền nhiệt và bền hóa cho vật liệu. 

Trong  phân  tử  polyme  mạch  nhánh  thì  chúng  đều  có  xu  hướng  cuộn 

tinh  thể  (PNCl2)  kết  tinh  và  mất  dần  tính  dẻo  do  trong  polyme  tinh  thể  các 

phân  tử  lớn  được  sắp  xếp  rất  chặt  và  giữ  nguyên  vị  trí  trong  mạch  cấu  trúc 

kể  khi  mà  Thomas  Graham  lần  đầu  tiên  công  bố  về  natri  polyphotphat  còn 

được  biết  đến dưới  tên  gọi  muối  madrell hay  muối  kurrol được  Taman  phát 

[H3SiO4]-. Khi dung dịch đặc hơn các mức độ polyme hóa khác nhau theo cơ 

chế: 

      

      O-       O-      O-         O-        │      │       │         │       

    HO─Si─OH      +        HO─Si─OH   →  HO─Si─O─Si─OH  +  H2O      

      │      │       │         │       

       OH      OH      OH       OH      

       

         O-       O-        O-       O-        O-      O-           │      │         │       │         │       │ 

HO─Si─OH  + HO─Si─O─Si─OH→HO─Si─O─Si─O─Si─OH + H2O        

         │      │         │      │         │         │ 

         OH       OH       OH      OH     OH      OH             

         O-      O-       O-           │       │      │ 

HO─Si─OH     +        HO─Si─O ─ H  → HO ─  Si─O ─ H    +  H2O           │       │      │ 

        OH       OH        n       OH      n+1 

 

 

Cân bằng giữa các polyme và  monome phụ thuộc vào nồng độ và pH 

của dung dịch do môi trường có tác động làm thủy phân polyme. Axit silisic 

là axit yếu nên ít bị phân ly do đó dung dịch Natrisilicat có tính kiềm, khi bị 

axit hóa  thì  các  cation  Natri  được thay  thế  bằng  các  proton,  còn  axit  Silixic 

tạo thành sẽ nhanh  chóng tạo thành ngưng tụ để giải phóng nước và tạo gel 

của poly axit Silixic dưới dạng xH2O.ySiO2. Chúng có cấu tạo mạch thẳng ở 

dạng lớp hay không gian của tứ diện, bên trong tứ diện còn chứa một số nhóm 

hydroxyl. Phân tử lượng của poly axit Silixic có thể đạt tới 107 hoặc cao hơn. 

Độ  bền  vững  của  nó  trong  dung  dịch  phụ  thuộc  vào  nồng  độ  pH  của  môi 

trường. 

Một xu  hướng  mới  đưa  ra để nghiên  cứu  và  tổng  hợp  là  các màng  phủ  trên 

polyme  Si.  Các  màng  này  được  phủ  trên  bề  mặt  kim  loại  sẽ  có  nhiều  ứng 

Bảng 1.2 Tỷ lệ thành phần nguyên liệu tạo màng phủ

 

+  Màng  phủ  trên  cơ  sở  keo  của  Si  và  Ankyl:  Các  hợp  chất  tạo  màng 

trên  keo  Si-Ankyl:  Methyl  silicat,  Etyl  silicat…  Với  mỗi  loại  Ankyl  khác 

       

       

Zn      Zn       

O       O       

Si   O Si      

O      O      

Zn       Zn 

      

O       O       

O       O       

Zn       Zn        

khả  năng  tạo  nên  H2SiO3  làm  tăng  tính  bền  của  nước  vật  liệu.  Na2SiF6  cho 

vào từ 2  ÷ 6% tính theo trọng lượng phối  liệu, nhiều quá thì quá trình đóng 

tính bền nước giảm. 

Phụ gia chịu axit:

Dùng  các  khoáng  Quartz  (độ  chịu  axit  từ  99,5  ÷  99,9%).  Andezit 

(91,98%),  đá  Đan  mạch  (98,5  ÷  99,5%),  diabaz,  đá  hoa  cương.  Độ  bền  của 

vữa chịu axit phụ thuộc vào độ mịn của phụ gia, độ mịn càng lớn độ axit càng 

tăng. Yêu cầu cỡ hạt  <0,15mm, độ bền 94 ÷ 97%, độ ẩm <2%. 

Hiện nay, lượng chất thải rắn Na2SiF6 rất lớn hàng nghìn tấn mỗi năm  

(như  nhà  máy  supephotphat  và  hóa  chất  Lâm  Thao),  lượng  bã  thải  từ  công 

nghiệp  sản  xuất  phèn  nhôm  cũng  lớn  nên  việc  tận  dụng  bã thải làm  nguyên 

liệu sản  xuất vữa  chịu  axit  có  ý  nghĩa  thực  tiễn  trong  sản xuất  vữa  phục  vụ 

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ 

THỰC NGHIỆM

2.1 Phương pháp nghiên cứu

tiếp tục đem rửa bằng nước ấm cho đến khi hết Cl- (thử bằng AgNO3). Kết tủa 

đem  sấy  khô  trước  khi  đưa  vào  lò  nung  ở  9000C  trong  1  giờ,  theo  phương 

trình phản ứng: 

       H2SiO3   →    SiO2   +    H2O 

      Phần  trăm  SiO2  trong  phản  ứng  được  tính  theo  công  thức: 

2.1.1.3 Phương pháp xác định tỷ trọng của polyme vô cơ 

Lấy  các  polyme  đã  tổng  hợp  và  thủy  tinh  lỏng  ban  đầu  cho  vào  bình 

Tác  dụng  của  một  lực  ngoài  vào  lớp  dung  dịch  mỏng  nằm  song  song 

với  mặt  thoáng làm  cho nó  chuyển động với  một  vận tốc không  lớn lắm u1, 

 1,005 

 0,894 

 0,801 

 0,656 

 0,549 

 0,469  

2.1.1.5 Phương pháp nhiễu xạ tia X [10]

XPS  (X-ray  photoelectron  spectroscopy)  là  kĩ  thuật  bắn  phá  bề  mặt 

bằng photon tia X, sau đó tiến hành đo các photoelectron phát ra như hàm số 

năng  lượng  eletron.  Sự  phát  xạ  này  là  riêng  biệt  đối  với  từng  nguyên  tố  và 

trạng thái  oxy  hóa của nó.  Nhờ vậy  cho phép ứng dụng trong  phân tích  hóa 

học. Vì năng lượng phát ra từ photoelectron tương đối nhỏ nên chiều sâu của 

phép đo chỉ hạn chế khoảng 1-20A0. Thành phần của lớp bề mặt rất mỏng là 

hàm số của chiều sâu được xác định bằng cách quét bỏ các lớp trên bề mặt và 

phân tích các lớp sâu hơn. 

độ phân  tán của  Mo trên  Al2O3 và  SiO2 sau khi tiến hành oxy hóa khử, hay 

d (A0): Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song 

 (độ): Góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ 

Do  hiên  tượng  giao  thoa  bức  xạ,  để  các  sóng  phản  xạ  trên  hai  mặt 

phẳng  cùng  pha  thì  hiệu  ứng  quang  trình  phải  bằng  số  nguyên  độ  dài  bước 

2.1.1.6 Phương pháp phân tích nhiệt

Phương  pháp  phân  tích  nhiệt  vi  sai  (  Differentictial  Scanning 

dao  động  bức  xạ  hồng  ngoại  và  kết  quả  là  phân  tử  sẽ  hấp  thụ  bức  xạ  hồng 

ngoại.  Khi  tìm  được  tần  số  sẽ  tìm  được  nguyên  tử  (nhóm  nguyên  tử)  đó  vì 

nhóm  dao  động  với  tần  số  riêng.  Phương  pháp  này  xác  định  được  cấu  trúc 

m1 (g): Khối lượng còn lại trên sàng 

m (g): Khối lượng ban đầu của mẫu 

2.1.2.2 Xác định độ chịu axit của vữa đã đóng rắn

Nghiền  100g  mẫu  (đã  đóng  rắn  28  ngày)  thành  cỡ  hạt  0,63mm<cỡ 

2.1.2.3 Xác định thời gian công tác

lực kéo thẳng góc với  mẫu thử với tốc độ tăng tải từ 0,5÷0,1N/mm2 trong 1 

giây nếu cường độ bám dính dự kiến >1N/mm2, hoặc 0,01÷0,05N/mm2 trong 

2.1.2.5 Xác định độ hút nước của vữa đã đóng rắn

2.1.2.6 Xác định cường độ chịu nén của vữa đã đóng rắn

Thiết bị và dụng cụ:

Cân kỹ thuật, bay trộn mẫu bằng vật liệu không rỉ, ống đong, thước kẹp 

vải  cotton,  bàn  rung  có  tần  số  rung  2920  vòng/phút,  biên  độ  0,35÷0,5mm, 

máy  trộn  vữa  hành  tinh  có  dung  tích  5l,  cánh  trộn  có  tốc  độ  quay  140±5 

tích Na2SiO3 : H2O = 1 : 10. Cho thủy tinh lỏng vào cốc 1000ml và đặt trên 

máy khuấy từ. Điều chỉnh nhiệt độ từ 70÷800C và khuấy mạnh. Cho HCl đã 

pha loãng với nước theo tỷ lệ thể tích HCl : H2O = 1 : 5 trên buret, sau đó nhỏ 

từng  giọt  đến  pH  =  9÷10  tạo  gel  thì  dừng  lại.  Đem  rửa  sạch  Cl-,  thử  bằng 

dung  dịch  AgNO3  đến  khi  không  còn  kết  tủa  màu  trắng  AgCl  thì  lọc  bằng 

giấy lọc thu được axit mới sinh H2SiO3. 

Lấy  lượng  nhất  định  thủy  tinh  lỏng  cho  vào  cốc  100ml.  Đặt  cốc  trên 

máy  khuấy  từ.  Điều  chỉnh  nhiệt  độ  70÷800C,  đồng  thời  khuấy  mạnh.  Cho 

lượng axit  mới sinh H2SiO3 đã tính toán vào cốc trên. Đun nóng khi tan hết 

lượng  H2SiO3  cho  vào  cốc  không  được  bão  hòa.  Nếu  quá  bão  hòa  phải  lọc 

phần không tan. 

Các polyme Natrisilicat thu được đem phân tích thành phần khối lượng 

và tỷ trọng. Kết quả phân tích các polyme Natrisilicat cho ở bảng sau: 

Bảng 2.2 Thành phần và đặc tính của polyme vô cơ hệ  Na 2 O –

Tỷ trọng d (g/ml)  

cao độ chịu axit

Cát  thạch  anh  được  nghiền  trên  máy  nghiền  bi,  sau  đó  đem  sàng  lần 

lượt trên các sàng cỡ 0,04mm; 0,04÷0,08mm; >0,08mm. 

2.2.3 Phương pháp tạo viên

Lấy lượng chất độn là cát tổng hợp theo phương pháp khô có cao lanh 

và không  có cao  lanh.  Cho  lượng  chất  nhất định  chất đóng  rắn  Na2SiF6  vào 

cốc.  Nhỏ  từ  từ  các  polyme  trên  buret  đã  tính  toán  xuống.  Sau  đó  đóng  trên 

G1 (g): Khối lượng mẫu còn lại sau khi thử trong môi trường axit 

G (g): Khối lượng mẫu trước khi thử trong môi trường axit  

 

Để  khảo  sát  độ  bền  nén  của  các  mẫu  polyme  hệ  Na2O  –  SiO2  – 

H2O  với  các  thành  phần  khác  nhau  khi  cố  định  hàm  lượng  pha  rắn  là 

Quatz  và  chất  đóng  rắn  là  Na2SiF6  cho  thấy  với  lượng  chất  đóng  rắn 

Độ giảm khối lượng (%)  

trong  cả  hai  dung  dịch  axit  H2SO4  10%  và  80%  ở  nhiệt  độ  phòng  cho 

thấy:  sau  3  ngày  ngâm  trong  axit  độ  giảm  khối  lượng  của  các  mẫu  đều 

tăng  đối  với  tất  cả  các  mẫu  song  mức  độ  tăng  không  giống  nhau  phụ 

3.3 Nghiên cứu phụ gia chịu axit là Quartz

         Bảng 3.4 Độ bền axit của vữa tổng hợp từ Quartz, polyme S 11

Na2SiF6 (g)  Sau 3 

ngày 

sau 14 ngày 

Sau 28 ngày 

axit của vữa tổng hợp

Để khảo sát độ bền axit của  mẫu vữa tổng hợp từ polyme S11 với 

Quartz, chất đóng rắn Na2SiF6 cố định chỉ thay đổi hàm lượng polyme S11 

từ 15÷35ml polyme/100gam hỗn hợp khô các phụ gia và chất đóng rắn. 

Kết quả sau 3 ngày, 14 gày, 28 ngày khi ngâm trong H2SO4 10% và 80% 

được đưa ra trong bảng 3.5 và 3.6 

hh khô 

 Quartz (g) 

 

Na2SiF6 (g) 

Sau 3 ngày 

Sau 14 ngày 

Sau 28 ngày 

Để  khảo  sát  độ  bền  axit  của  vữa  tổng  hợp  từ  polyme  S11  với 

Quartz, chất đóng rắn Na2SiF6 khi cố định hàm lượng polyme S11. Quartz, 

chất đóng rắn Na2SiF6 chỉ thay đổi kích thước hạt quartz. Kết quả sau 3 

ngày,  14  ngày,  28  ngày  khi  ngâm  trong  axit  H2SO4  10%  và  80%  được 

đưa ra ở bảng sau: 

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của kích thước hạt quartz đến độ ăn mòn

hh khô 

Quartz (91,5%), (mm) 

Na2SiF6         (g) 

 

Sau 3 ngày 

Sau 14 ngày 

Sau 28 ngày 

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của kích thước hạt quartz đến độ ăn

hh khô 

Quartz (91,5%), (mm) 

Na2SiF6         (g) 

 

Sau 3 ngày 

Sau 14 ngày 

Sau 28 ngày 

bền axit của vữa tổng hợp

Để khảo sát ảnh hưởng đồng thời của các phụ gia và chất liên kết 

tới  độ  bền  axit  của  vữa  tổng  hợp  cơ  sở  polyme  S11  với  lượng  cố  định 

30ml/100  gam  hỗn  hợp  khô,  thay  đổi  lượng  Quartz  và  chất  đóng  rắn 

Na2SiF6 tới độ giảm khối lượng của mẫu khi ngâm trong axit H2SO4 10% 

và 80% ở nhiệt độ phòng. Kết quả độ giảm khối lượng được đưa ra trong 

bảng 3.9 và 3.10 

mòn axit của vữa tổng hợp từ Quartz (0,04÷0,08) đến độ bền của vữa

Quartz (g) 

Na2SiF6 (g)  Sau 3 

ngày 

Sau 14 ngày 

Sau 28 ngày 

       Bảng 3.10 Ảnh hưởng hàm lượng Quartz, Na 2 SiF 6 đến độ ăn

mòn axit của vữa tổng hợp từ Quartz (0,04÷0,08) đến độ bền của vữa

Kí hiệu 

mẫu 

S11  (ml) 

Quartz (g) 

Na2SiF6 (g)  Sau 3 

ngày 

Sau 14 ngày 

Sau 28 ngày 

nhiệt  độ  phòng.  Điều  này  chứng  tỏ  độ  bền  axit  của  các  mẫu  phụ  thuộc 

vào  bản  chất  các  chất  phụ  gia,  chất  liên  kết  và  khối  lượng  của  chúng 

nhận  thấy  mẫu  M7-D  có  độ  bền  trong  môi  trường  axit  tốt  nhất.  Thành 

phần của  mẫu M7-D bao gồm: polyme vô cơ S11 30ml; 91,5 gam quartz 

và 8,5 gam Na2SiF6. Kết quả thử các chỉ tiêu cơ học, vật lý, hóa học của 

vữa chịu axit của mẫu M7 được trình bày trong bảng 3.11 

Bảng 3.11 Kết quả thử các chỉ tiêu cơ học, vật lý, hóa học của

vữa chịu axit

Mức cho phép  

STT 

 Tên chỉ tiêu 

 Đơn vị  ASTM 

C466-97 

TOCT 5050-69 

TCVN 337:2005 

Kết quả 

  94,2 

 

6 

 Cường độ 

chịu nén, ≥ 

 N/mm2 

 9,6 

2 Đã  nghiên  cứu  khả  năng  bền  axit  của  các  mẫu  vữa  tổng  hợp  từ 

polyme  hệ  Na2O  -  SiO2   -  H2O  có  modun  khác  nhau  với  các  phụ  gia 

quartz  và  chất  đóng  rắn  Na2SiF6  trong  môi  trường  H2SO4  10%  và  80% 

theo khối lượng ở nhiệt độ phòng, ở các điều kiện khác nhau đã thu được 

bốn  mẫu  polyme  S7÷S11  có  độ  bền  nén  cao  khi  đóng  rắn  với  quartz  và 

chất  đóng  rắn  Na2SiF6  để  làm  nghiên  cứu  ăn  mòn  axit  cho  các  phụ  gia 

4 Đã  nghiên  cứu  ảnh  hưởng  đồng  thời  của  phụ  gia  Quartz  với  chất 

đóng rắn là Na2SiF6 và chất liên kết polyme S11 tới độ bền axit của vữa 

6 Trần Văn Phú (1983), Nghiên cứu silicat trang trí công trình xây dựng

và sơn silicat chịu nhiệt, NXB Xây Dựng Hà Nội.