Nghiên cứu hỗn hợp khuôn trong công nghệ đúc mẫu chảy (quá trình đóng rắn)

Chính vì lẽ đó, đề tài nghiên cứu này đề cập tới vấn đề “Nghiên cứu hỗn hợp khuôn trong công nghệ đúc mẫu chảy Quá trình đóng rắn’’ mục đích là để nghiên cứu bản chất quá trình, xác địn

-[\ [\ -

TÁC GIẢ Nguyễn Quang Huỳnh

TÊN ĐỀ TÀI

Nghiên cứu hỗn hợp khuân trong công nghệ đúc mẫu

cháy (Quá trình đóng rắn)

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Đào Hồng Bách

Hà Nội, năm 2011

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS TS Đào Hồng Bách đã tận tình hướng dẫn, thường xuyên chỉ bảo và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu

Nhân dịp này tác giả xin chân thành cảm ơn tập thể các Thầy Cô trong Bộ môn Vật liệu & Công nghệ đúc, phòng thí nghiệm C8, phòng thí nghiệm kim loại bột – Bộ môn Kim loại màu và Composite đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nghiên cứu

Xin bày tỏ biết ơn tới Khoa khoa học và công nghệ Vật liệu, Trung tâm đào tạo và Bồi dưỡng sau đại học trường đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu

Xin bày tỏ lòng biết ơn tới bạn bè và người thân đã động viên, tạo mọi điều kiện để Luận văn này có thể được hoàn thành

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn : “ Nghiên cứu hỗn hợp khuôn trong công nghệ

đúc mẫu chảy (Quá trình đóng rắn ) ” là công trình của riêng tôi

Các số liệu kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các luận văn trước đây

Hà nội, ngày 26 tháng 9 năm 2011

Tác giả

Nguyễn Quang Huỳnh

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Kích thước mắt sàng theo tiêu chuẩn ASTM

Bảng 4.1: Kết quả phân tích thành phần độ hạt của thạch cao

Bảng 4.2: Hàm lượng phụ gia thực nghiệm cho vào thạch cao Lào

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Các bước trong công nghệ đúc mẫu chảy

Hình 2.1: Hình ảnh cấu trúc thạch cao phân tích qua qua SEM

Hình 2.2: Độ tăng nhiệt độ của dạng α và β hemihydrat theo thời gian

Hình 2.3 : Vị trí của nguyên tử canxi, nhóm sunfat và phần tử nước trong thạch cao Hình 2.4: Vị trí của nguyên tử canxi, lưu huỳnh, oxy và phân tử nước trong thạch cao

Hình 2.5: Liên kết các ion trong thạch cao thể hiện vị trí các liên kết OI, OI', OII và

OII'

Hình 2.6: a) Cấu trúc nguyên tử thạch cao trượt theo bước mạng (010)

b) Hình thái cấu trúc tinh thể thạch cao với dạng (010), (120), (011), và (111) thường được quan sát thấy

Hình 2.7: Sự hình thành và phát triển của foam

Hình 2.8: 5 bức ảnh ghi sự phát triển của khí trong hỗn hợp bằng máy ảnh chụp tốc độ cao

Hình 2.9: Công thức cấu tạo của axit citric

Hình 2.10: cấu trúc tinh thể của axit Boric

Hình 3.1: Bút đo nhiệt độ với độ chính xác 0,1 độ

Hình 3.2: Thiêt bị dùng để đo chiều sâu vết đâm

Hình 3.3: Thiết bị dùng để đo độ cứng

Hình 3.4: Phễu và dụng cụ đong nước bằng thủy tinh

Hình 3.5: Máy trộn hỗn hợp làm khuôn

Hình 3.6: Thước cặp với độ chính xác 0,1 mm

Hình 3.7: Cân điện tử với giá trị lớn nhất 300g và độ chính xác 0,01 g

Hình 3.8: Cân điện tử với giá trị lớn nhất 6000g và độ chính xác 0,1 g

Hình 3.9: Thí nghiệm đo thời gian đóng rắn

Hình 3.10: Thí nghiệm đo độ cứng

Hình 4.1: Kết quả phân tích thành phần hóa học và cấu trúc phân tử thạch cao Lào Hình 4.2: Kết quả phân tích thành phần hóa học và cấu trúc phân tử thạch cao Thái lan

Hình 4.3: Biểu đồ quan hệ độ cứng – thời gian của thạch cao Lào

Hình 4.4: Biểu đồ quan hệ lượng nước – độ cứng của thạch cao Thái Lan

Hình 4.5: Đường đông đặc của thạch cao Lào thuần và có thêm chất phụ gia axit boric (0,2%)

Hình 4.6: Kích thước foam với thành phần citric khác nhau

Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn sự đồng đều của kích thước foam ở các thành phần axit citric khác nhau

Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn kích thước trung bình của foan với hàm lượng axit citric khác nhau

Hình 4.9: Đồ thị biểu diễn độ bền sau đóng rắn của thạch cao Lào với thành phần axit citric khác nhau

Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn độ bền sau nung của thạch cao Lào với thành phần axit citric khác nhau

Hình 4.11: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của axit boric tới độ cứng của thạch cao Thái Lan

Hình 4.12: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của axit boric tới thời gian đóng rắn của thạch cao Thái Lan

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

1.2.2 Trong nước 10

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Vật liệu thạch cao làm khuôn đúc 11

2.1.1 Bản chất của vật liệu thạch cao làm khuôn đúc 11

2.1.2 Cơ chế đóng rắn của thạch cao 16

2.2.1 Các giai đoạn của quá trình tạo foam 18

2.2.2 Cơ chế của quá trình hình thành foam

2.3 Ảnh hưởng của các chất phụ gia đến thạch cao

GIÁ KẾT QUẢ

27

3.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 27

3.2 Nguyên liệu và phương pháp phân tích nguyên liệu đầu vào 27

3.2.2 Phương pháp phân tích và đánh giá nguyên liệu đầu vào theo

tiêu chuẩn ATSM

28

3.3 Phương pháp nghiên cứu và đánh giá kết quả

3.3.1 Phương pháp đánh giá hàm lượng nước tự do

3.3.2 Phương pháp đo thời gian đóng rắn

4.1 Kết quả phân tích thành phần hóa học và cấu trúc phân tử của thạch

4.3 Ảnh hưởng của lượng nước đến độ cứng của khuôn thạch cao 44

KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 61

MỞ ĐẦU

Đúc mẫu chảy là một trong những công nghệ tạo hình cổ xưa nhất được biết đến Lịch sử của đúc mẫu chảy có từ hàng nghìn năm trước Phương pháp đúc này ban đầu được dùng để đúc tượng, đồ trang sức với mẫu được làm từ sáp ong tự nhiên, khuôn được làm thủ công từ đất sét Các sản phẩm đúc mẫu chảy được tìm thấy khắp nơi trên thế giới: các bức tượng của nền văn minh Harappan của Ấn độ (2500 đến 2000 năm trước công nguyên); trong lăng mộ Tutankhamun ở Ai Cập (1333 đên 1324 năm trước công nguyên), Từ 5000 năm trước khi mẫu được làm

từ sáp ong cho đến công nghệ sáp hiện đại ngày nay cùng với vật liệu chịu lửa và hợp kim đặc biệt, đúc mẫu chảy cho phép sản xuất các chi tiết có độ chính xác và năng suất cao đối với nhiều loại hợp kim Phương pháp này thường đắt hơn so với đúc khuôn kim loại hoặc khuôn cát nhưng chi phí thiết bị thấp hơn Phương pháp đúc này có thể đúc ra những chi tiết có hình dạng phức tạp, loại khó có thể đúc đối với các phương pháp đúc thông dụng Chi tiết đúc bằng phương pháp đúc mẫu chảy không cần phải gia công bề mặt nhiều

Văn bản mô tả quá trình đúc mẫu chảy sớm nhất được biết đến được viết bởi nhà sư Theophilus khoảng 1100 năm trước công nguyên Nhà sư này đã mô tả nhiều quá trình, công thức sản xuất trong đó có cả công thức sản xuất giấy da Cuốn sách này được sử dụng bởi nhà điêu khắc và thợ kim hoàn Benvenuto Cellini (1500 –

1571), người đã sử dụng phương pháp này để đúc tượng Perseus with the Head of Medusa hiện đang được lưu giữ tại bảo tàng Loggia dei Lanzi ở Florence, Italia

Tượng Perseus with the Head of Medusa tại bảo tàng Loggia dei Lanzi

ở Florence, Italia

Đúc mẫu chảy được dùng vào sản xuất công nghiệp vào cuối thế kỷ 19, khi các nha sỹ dùng phương pháp này để đúc răng hoặc trám răng Ứng dụng của phương pháp đúc này được phát triển mạnh bởi tiến sỹ William H Taggart (Chicago) Ông cũng nghiên cứu ra hợp chất sáp làm mẫu có tính chất tuyệt vời và máy đúc áp lực dùng khí nén

Trong những năm 1940, Chiến tranh Thế giới II tăng nhu cầu về chi tiết với

độ chính xác hình dạng và hợp kim mà không thể đúc được bởi các phương pháp truyền thống, hoặc cần phải gia công quá nhiều Các nhà sản xuất vũ khí đã phải chuyển sang dùng đúc mẫu chảy Sau chiến tranh, sản phẩm của đúc mẫu chảy được

sử dụng nhiều trong nền công nghiệp, thương mại

Đúc mẫu chảy hiện đang được sử dụng rất nhiều trên thế giới Các dòng sản phẩm đúc bằng công nghệ mẫu chảy ngày càng nhiều vì có chất lượng cao và tỷ lệ sản phẩm hư hỏng thấp Tuy nhiên ở nước ta, chỉ có một số doanh nghiệp hoặc tư nhân sử dụng công nghệ đúc mẫu chảy, chỉ để sản xuất các sản phẩm trang trí mỹ nghệ Chính vì vậy mà chúng ta cần phải phát triển hơn nữa công nghệ đúc chính xác này

Trong các nghiên cứu trước đây, ta thấy đúc mẫu chảy sử dụng khuôn thạch cao cho sản phẩm có độ chính xác, độ nhẵn bề mặt cao

Khuôn thạch cao là loại khuôn tự đóng rắn vì vậy quá trình đóng rắn của khuôn thạch cao là một quá trình quan trọng ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng khuôn

và chất lượng vật đúc Đi sâu vào quá trình đóng rắn giúp chúng ta hiểu rõ bản chất quá trình đóng rắn cũng như các diễn biến trong quá trình, từ đó chúng ta có thể điều khiển quá trình đóng rắn và tác dụng vào quá trình này nhằm tìm ra hỗn hợp khuôn có thời gian đóng rắn và cơ tính tốt nhất

Chính vì lẽ đó, đề tài nghiên cứu này đề cập tới vấn đề “Nghiên cứu hỗn hợp khuôn trong công nghệ đúc mẫu chảy (Quá trình đóng rắn)’’ mục đích là

để nghiên cứu bản chất quá trình, xác định lượng nước, các chất phụ gia cũng như hàm lượng các chất phụ gia cần thiết cho hỗn hợp khuôn

Đúc mẫu chảy có những đặc điểm quan trọng sau:

‐ Sử dụng mẫu một lần, mỗi vật đúc cần một mẫu Mẫu chảy sau khi làm xong nhiệm vụ tạo hình khuôn

‐ Mẫu không có miếng rời, đậu gác

‐ Khuôn thuộc loại khuôn vỏ mỏng, dày khoảng 1,5 ÷ 4,0 mm, không có mặt phẳng, mặt làm việc nhẵn

‐ Rót khuôn ở nhiệt độ cao tạo điều kiện điền đầy và bổ ngót tốt Do những đặc điểm này phương pháp cho phép chế tạo vật đúc có hình dạng phức tạp, cỡ trọng lượng từ vài gam đến 5000 kg

Như vậy ta thấy được ưu điểm của phương pháp này, đó là:

‐ Đúc những chi tiết có hình thù phức tạp, thành mỏng tới 0,5 mm, bằng thép

‐ Có độ chính xác cao, từ cấp 5 đến cấp 7

‐ Độ nhẵn bề mặt cao, từ cấp 3 đến cấp 6

‐ Không có mặt phân khuôn

‐ Sau khi đúc xong vật đúc không cần gia công hoặc gia công rất ít Tuy nhiên phương pháp đúc mẫu chảy vẫn còn tồn tại nhược điểm cần phải khắc phục đó là: Vật liệu làm mẫu (sáp) có nhiệt độ làm việc thấp cho nên rất dễ bị

biến dạng ngay ở nhiệt độ xưởng đúc Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như ở Việt Nam, cần nghiên cứu thêm một số hóa chất hoặc chất dẻo khác để nâng cao nhiệt độ biến mềm và nhiệt độ làm việc cho mẫu, ví dụ như nhựa PVC

Để khắc phục nhược điểm trên của phương pháp đúc mẫu chảy chất làm mẫu chảy cần phải đảm bảo những yêu cầu sau:

‐ Nhiệt độ nóng chảy không cao, trong khoảng 600C ÷ 1000C để thuận tiện trong quá trình chế tạo mẫu

‐ Nhiệt độ biến mềm cao, không thấp hơn 350C ÷ 450C để mẫu không bị biến dạng trước khi tạo hình khuôn

‐ Co và nở khi nung nóng và làm nguội phải nhỏ nhất và ổn định

‐ In hình trên khuôn cao su tốt: Chính xác về hình dạng, kích thước Bề mặt sạch và nhẵn Thấm ướt huyền phù tốt

‐ Có độ bền và độ cứng cao

‐ Trơ hóa học với khuôn cao su và khuôn gốm

‐ Rẻ, dễ kiếm và không độc hại

Các công đoạn của phương pháp đúc mẫu chảy bao gồm:

Hình 1.1: Các bước trong công nghệ đúc mẫu chảy

1.1.2 Đúc mẫu chảy với vật liệu làm khuôn thạch cao

Với phương pháp đúc mẫu chảy thông thường, vật liệu làm khuôn là cát thạch anh, cát zirconi với chất dính là etylsilicat hoặc thủy tinh lỏng Vỏ khuôn bao gồm lớp trong cùng dưới dạng huyền phù, các lớp ngoài là lớp cát rắc Khuôn được chế tạo bằng cách nhúng mẫu hoặc chùm mẫu vào huyền phù, nhấc ra khỏi huyền phù, rắc cát khô lên bề mặt mẫu, sấy khô, lại nhúng vào huyền phù Lặp lại quy trình này nhiều lần để tạo được một lớp vỏ rắn có chiều dày 3 ÷ 10 mm tùy thuộc vào kích thước vật đúc Lưu ý, độ hạt của cát rắc lên bề mặt càng về sau càng lớn

Nung khuôn

Rót kim loại lỏng vào khuôn

Làm nguội và tháo dỡ vật đúc

Với vật liệu làm khuôn là thạch cao thì phương pháp chế tạo khuôn hơi khác Quá trình làm khuôn được chia ra làm 2 phần chủ yếu : phần khuôn ngoài in hình vật đúc và bộ phận thao Phần khuôn ngoài đòi hỏi phải khống chế tốt dung sai, còn thao được làm tách biệt trong một hộp làm thao.Thạch cao đúc được trộn với các loại vật liệu chịu lửa và nước tạo thành hỗn hợp dùng để đổ khuôn Hỗn hợp này sau đó được đổ vào mẫu đợi khoảng 5 đến 15 phút cho chắc đặc

Sau khi khuôn đã đóng rắn hoàn toàn, chúng được tiến hành thoát sáp Quá trình thoát sáp có thể được tiến hành bằng nhiều phương pháp: dùng khí nóng, dùng ngọn lửa trực tiếp, ngâm khuôn và mẫu trong dung dịch tẩy sáp, luộc trong nước sôi Mục đích của quá trình này là làm thoát hoàn toàn hoặc gần như hoàn toàn mẫu sáp trong khuôn

Tiếp theo là quá trình nung khuôn Khuôn được đặt vào lò sấy, để sấy hết nước tự do và nước liên kết bên trong phân tử Khuôn có thể được sấy khô trong lò hoặc trên băng tải đã được lập trình trước để quá trình thoát nước được điều khiển chính xác nhằm đảm bảo hết nước mà không bị sốc nhiệt Thao được sấy khô theo cách tương tự, thường là cùng thời gian với khuôn bên ngoài

Sấy khô khuôn là yếu tố then chốt nhất của đúc trong khuôn thạch cao, vì việc thoát hết hơi ẩm là vô cùng quan trọng Nếu không khi rót kim loại sẽ dẫn đến hiện tượng không thoát được khí ra ngoài gây sôi khuôn Chu trình sấy khuôn ở

2600c trong khoảng từ 12 đến 16 giờ thông thường được sử dụng trong khuôn thạch cao nhằm đảm bảo khả năng rót nhôm hoặc kẽm Khi rót đồng, khuôn thường được sấy ở 700 – 8500c, và thời gian thường dài hơn 1,5 lần để khử triệt để nước

Sau khi sấy khô, các bộ phận như thao, vỏ bao ngoài, hoặc cốt đúc được lắp ghép lại Sau đó khuôn được giữ bởi một bộ gá cố định trước khi rót Quá trình rót

có thể được thực hiện hoàn toàn trong môi trường chân không, có thể sử dụng máy hút chân không, ngoài ra cũng có thể rót trực tiếp lợi dụng áp lực do trọng lực gây

ra Lựa chọn phương pháp rót đặc biệt này phụ thuộc vào khả năng trang thiết bị và yêu cầu của chất lượng vật đúc

Tính chất cách nhiệt của khuôn thạch cao đã qua sấy giúp thời gian đông đặc của kim loại đủ dài cho phép điền đầy những phần mỏng, đồng thời với khả năng thông khí khuôn thạch cao vẫn có thể thoát một lượng khí nhất định qua khuôn Hơn nữa, với thời gian đông đặc tương đối dài kết hợp với việc rót trong môi trường chân không sẽ cho vật đúc có chất lượng tốt hơn

Sau khi nguội, khuôn được phá dỡ cẩn thận, tháo bỏ hệ thống rót và đậu hơi Ngoài ra có thể dùng những chất mài mòn hoặc axit để xử lý vật đúc

Ưu điểm của phương pháp đúc mẫu chảy khuôn thạch cao so với phương pháp đúc mẫu chảy khuôn gốm đó là vật liệu làm khuôn rẻ, các thao tác làm khuôn đơn giản hơn

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đúc khuôn thạch cao:

1.2.1 Trên thế giới:

Ngày này, công nghệ đúc khuôn thạch cao là một trong những kỹ thuật đúc quan trọng nhất tại Hoa Kỳ được đầu tư trọng điểm, các nhà khoa học luôn tìm cách tận dụng ưu thế mà chỉ có được bởi công nghệ đúc khuôn thạch cao Hầu hết tất cả các xưởng đúc khuôn thạch cao trên thế giới được đặt tại Hoa Kỳ, và sản phẩm đúc thường được phân phối cho thị trường châu Âu

Về tình hình nghiên cứu, các công trình nghiên cứu về thạch cao sử dụng trong công nghệ đúc trên thế giới có rất ít hoặc chưa được công bố hiện nay Chủ yếu các công trình nghiên cứu về thạch cao của các nhà khoa học được ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu này chính là tiền đề,

cở sở để nghiên cứu về thạch cao ứng dụng trong công nghệ đúc

Đáng chú ý trong các công trình đó là các kết quả nghiên cứu về tính chất thạch cao (cơ học, vật lý, hoá học…); hoặc là các kết quả nghiên cứu về chế tạo thạch cao, có liên quan đến khâu chuẩn bị vật liệu làm khuôn thạch cao trong công nghệ đúc Có thể kể ra một số công trình sau:

Theo Farzaneh Aghajani [17], khái niệm hai dạng αCaSO4.0,5H2O và βCaSO4.0,5H2O được Kelley (1941) đưa ra Theo đó, đưa ra cách phân biệt và chế tạo hai dạng thạch cao này bằng các công nghệ nung khác nhau Và còn có nhiều

công trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề này cũng được đưa ra sau này như Bushuev và Borisov [12] nghiên cứu cấu trúc bằng nhiễu xạ X-quang hoặc nghiên cứu quang phổ hồng ngoại; Kuzel và Hauner [47] nghiên cứu cấu trúc bằng phân tích quang phổ Raman, phân tích quang phổ NMR; H Lehmann [33] tiến hành phân tích nhiệt vi sai của cả hai dạng thạch cao cũng tìm thấy sự khác biệt giữa hai dạng thạch cao này…

Đáng chú ý trong các nghiên cứu gần đây, Henry Tiemann, Ilka Sotje [31] đưa ra cấu trúc tế vi dạng αCaSO4.0,5H2O và βCaSO4.0,5H2O qua kính hiển vi điện

tử quét Theo đó đã giải thích được lý do dạng βCaSO4.0,5H2O cần nhiều lượng nước yêu cầu hơn dạng αCaSO4.0,5H2O để được một mẫu tiêu chuẩn thống nhất

Ở trên là một số công trình nghiên cứu liên quan đến khâu chuẩn bị vật liệu làm khuôn thạch cao trong công nghệ đúc Ngoài ra, còn một số công trình nghiên cứu gần đây đáng lưu tâm có kết quả liên quan đến các thông số nhiệt lý của thạch cao Đây có thể được coi là tiền đề, cơ sở cho các nghiên cứu về quá trình nung khuôn thạch cao, một công đoạn có tính quyết định trong công nghệ đúc khuôn thạch cao Cụ thể có một số công trình sau:

Thomas [45] [46] sau khi nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt λ của thạch cao, ông đưa ra được đồ thị so sánh giá trị nhiệt dung riêng và bảng so sánh giá trị hệ số dẫn nhiệt ảnh hưởng bởi nhiệt độ giữa các nhà khoa học nghiên cứu trước đây

Rahmanian, Y Wang [58], sau khi nghiên cứu về tính chất thạch cao cũng đưa ra kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ đến khối lượng riêng của thạch cao Ngoài

ra, sau khi tiến cận phương pháp kết hợp giữa thực nghiệm và toán học trong quá trình nghiên cứu độ dẫn nhiệt của thạch cao ở nhiệt độ cao Rahmanian, Y Wang [58] cũng đã đưa ra một số kết quả nghiên cứu có giá trị, giúp ta có được cái nhìn tổng thể về diễn biến nhiệt độ xảy ra trong quá trình nung thạch cao…

1.2.2 Trong nước:

Hiện nay ở nước ta, chỉ có một số doanh nghiệp hoặc tư nhân sử dụng công nghệ đúc khuôn thạch cao với chất lượng sản phẩm tốt Tuy nhiên các dòng sản phẩm chủ yếu là thủ công mỹ nghệ, không phong phú và vẫn chưa đáp ứng được với nhu cầu của thị trường Điều này có thể do chưa nắm hết được công nghệ đúc thạch cao, không dám nhận các sản phẩm, ngoài các sản phẩm của cơ sở đã chế tạo

Về nghiên cứu thạch cao dùng trong công nghệ đúc hiện tại ở Việt Nam, chưa có công trình nào nghiên cứu chuyên sâu và hoàn thiện về loại vật liệu làm khuôn này Chỉ có luận án tốt nghiệp của các sinh viên lớp Vật liệu và Công nghệ đúc khóa 48, 49, 50, 51 và gần đây là 2 luận văn thạc sĩ khoa học của Bùi Bình Hà [7] và Nguyễn Văn Lương [26] trường Đại học Bách Khoa Hà Nội là mới bắt đầu nghiên cứu về các tính chất của loại vật liệu làm khuôn này

Với các đồ án tốt nghiệp của các sinh viên khóa 48, 49, 50, 51 đã đưa ra được quy trình công nghệ đúc mẫu chảy khuôn thạch cao, đã hoàn thiện công nghệ tạo ra mẫu sáp và đã có nghiên cứu một phần về hỗn hợp khuôn thạch cao

Với luận văn thạc sĩ khoa học của Bùi Bỉnh Hà đã đưa ra các kết quả về quá trình chuyển pha và chế độ hấp tối ưu khi hấp thoát sáp khuôn thạch cao sử dụng thiết bị hấp autoclave

Với luận văn thạc sĩ khoa học, Nguyễn Văn Lương đã xây dựng được quan

hệ giữa các thông số công nghệ trong quá trình nung

Tuy nhiên, các đồ án tốt nghiệp và luận văn mới bước đầu đi sâu vào bản chất và chưa hoàn thiện về mặt công nghệ

Mặt khác, chưa đề tài nào đi sâu vào quá trình đóng rắn Chính vì vậy mà đề tài đi sâu nghiên cứu quá trình đóng rắn, đưa ra các thông số, chế độ để bổ xung và hoàn thiện công nghệ khuôn thạch cao ở Việt Nam

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Vật liệu thạch cao làm khuôn đúc:

2.1.1 Bản chất của vật liệu thạch cao làm khuôn đúc:

Vật liệu thạch cao tuỳ theo cách chế tạo tồn tại hai dạng sau: dạng αCaSO4.0,5H2O và dạng βCaSO4.0,5H2O (theo Farzaneh Aghajani [17], khái niệm hai dạng này được Kelley (1941) đưa ra) Theo đó, dạng thạch cao αCaSO4.0,5H2O được tạo ra bằng cách nung nguyên liệu đá thạch cao trong thiết bị kín bằng hơi nước bão hòa có nhiệt độ và áp suất cao (autoclaving), hay trong thiết bị lưu thông

áp suất có dung dịch nước muối Còn khi nung nguyên liệu đá thạch cao theo phương pháp khô sẽ tạo ra dạng thạch cao βCaSO4.0,5H2O Hai dạng thạch cao αCaSO4.0,5H2O và βCaSO4.0,5H2O có sự khác nhau ở tốc độ hydrát hóa, lượng nước yêu cầu, lượng nhiệt hòa tan và độ bền, độ cứng của sản phẩm hợp nước đó…

Khi nghiên cứu cấu trúc bằng nhiễu xạ X-quang hoặc nghiên cứu quang phổ hồng ngoại, Bushuev và Borisov [12] không cho thấy sự khác biệt giữa hai dạng thạch cao này Tuy nhiên, các tinh thể αCaSO4.0,5H2O kết tinh có dạng tinh thể đơn

tà (monoclinic) trong khi tinh thể β -hemihydrate ở dạng tam giác Còn theo Kuzel

và Hauner [47], không có sự khác biệt về tinh thể, dạng α và β chỉ khác nhau về kích thước và sự sắp xếp của các tinh thể Khi phân tích quang phổ Raman của cả hai dạng cũng cho thấy sự khác biệt về cấu trúc Cấu trúc khác biệt giữa αCaSO4.0,5H2O và βCaSO4.0,5H2O cũng có thể được phát hiện bằng cách sử dụng máy phân tích quang phổ NMR Tương tự như vậy, có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới cũng cho kết quả về sự khác nhau giữa hai dạng thạch cao αCaSO4.0,5H2O và βCaSO4.0,5H2O như H Lehmann [33] tiến hành phân tích nhiệt vi sai của cả hai dạng thạch cao và tìm thấy sự khác biệt tại nhiệt độ chuyển đổi…

Đáng chú ý trong các nghiên cứu gần đây, Henry Tiemann, Ilka Sotje [31] đưa ra cấu trúc tế vi dạng αCaSO4.0,5H2O và βCaSO4.0,5H2O qua kính hiển vi điện

tử quét Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét đã chỉ ra rằng dạng αCaSO4.0,5H2O bao gồm các dạng tinh thể trong suốt có dạng hình kim, lăng trụ với các cạnh tinh thể

sắc nét Trong khi đó, dạng βCaSO4.0,5H2O bao gồm các hạt dễ bong ra thành từng mảnh tạo thành các tinh thể nhỏ Chính vì vậy mà dạng βCaSO4.0,5H2O cần nhiều lượng nước yêu cầu hơn dạng αCaSO4.0,5H2O để được một mẫu tiêu chuẩn thống nhất bởi vì nó có một diện tích riêng bề mặt cao hơn nhiều Mặt khác, dạng αCaSO4.0,5H2O có kích thước tinh thể lớn nên tốc độ hyđrát hóa và đông kết rắn chắc chậm, lượng nước yêu cầu thấp và độ cứng, độ bền cao hơn

a) Cấu trúc dạng α qua SEM

b) Cấu trúc dạng β Hình 2.1: Hình ảnh cấu trúc thạch cao phân tích qua qua SEM

Đánh giá các hoạt động thủy lực của hai dạng thạch cao αCaSO4.0,5H2O và βCaSO4.0,5H2O, Lewry và Williamson [1] nghiên cứu khả năng hydrat hóa trong quá trình đóng rắn thạch cao Họ nghiên cứu mẫu chuẩn ở cùng một tỷ lệ (nước/ thạch cao = w/p = 0,6) là hàm của thời gian và thấy rằng hai dạng thạch cao có một

số sự khác biệt Trong đồ thị, ban đầu khoảng thời gian cảm ứng cho hydrat hóa dạng αCaSO4.0,5H2O là ngắn hơn dạng cho βCaSO4.0,5H2O nhưng sau đó βCaSO4.0,5H2O hydrat nhanh hơn vì diện tích bề mặt cao hơn của nó cung cấp nhiều mầm kết tinh hơn cho các kết tinh của thạch cao

Hình 2.2: Độ tăng nhiệt độ của dạng α và β hemihydrat theo thời gian

Tinh thể thạch cao cũng được Farzaneh Aghajani [17] tổng hợp lại từ các nghiên cứu của Wooster, 1936; Kelly, 1941; Deer, 1992 Theo đó, một đơn vị tinh thể của thạch cao được mô tả ở dạng đơn tà với 4 hoặc 8 phân tử CaSO4.2H2O Các nguyên tử canxi và nhóm sulfat được sắp xếp thành từng lớp, phân cách bởi các lớp phân tử nước Các phân tử nước này chiếm vị trí xác định trong mạng tinh thể của thạch cao Do vậy khi mất nước, nước tách ra khỏi thạch cao nhưng mạng lưới tinh thể thạch cao không bị phá hoại CaSO4 được tạo bởi liên kết ion trong khi lớp nước được tạo bởi liên kết hydro

Hình 2.3: Vị trí của nguyên tử canxi, nhóm sunfat và phân tử nước trong thạch cao

Hình 2.4: Vị trí của nguyên tử canxi, lưu huỳnh, oxy và phân tử nước trong thạch

cao

Vị trí của các nguyên tử trong thạch cao cũng được Farzaneh Aghajani [17] tổng hợp lại từ các nghiên cứu của Cole và Lancucki (1972a, 1972b, 1974) và (Cheng & Zussman, 1963; Arai & Yasue, 1979), cho thấy rằng, mỗi ion canxi được liên kết với bốn nguyên tử ôxy của một nhóm sulfat và với hai nguyên tử oxy của phân tử nước Khi Cole và Lancucki (1972a, 1972b, 1974) tiến hành phân tích cấu trúc 3 chiều X-ray, thấy rằng các ion SO4 có cấu tạo hình tứ diện đối xứng Điều này là do dạng OI hoặc OI' liên kết với hai phân tử nước, trong khi có không có liên kết hydro trong OII hoặc OII' (Hình 3) Các tứ diện đối xứng tăng lên sau khi loại bỏ các phân tử nước Chiều dài liên kết S - O trở thành tương tự với dạng khan sulfat canxi tự nhiên

Hình 2.5: Liên kết các ion trong thạch cao thể hiện vị trí các liên kết O I , O I ', O II và

O II '

2.1.2 Cơ chế đóng rắn của thạch cao:

Trong công nghệ đúc khuôn thạch cao, nguyên liệu đầu vào cho khuôn thạch cao chủ yếu ở dạng CaSO4.0,5H2O (cả anpha và bêta), các sản phẩm dạng CaSO4không có giá trị sử dụng như hai dạng thạch cao CaSO4.0,5H2O

Khi pha trộn với nước thì Thạch Cao phản ứng theo phương trình sau:

CaSO4.0,5H2O + 1,5H2O → CaSO4.2H2O + Q

Hầu hết các nhà nghiên cứu đồng ý rằng quá trình hydrat hóa của CaSO4.0,5H2O dẫn đến sự hình thành của CaSO4.2H2O xảy ra thông qua một cơ chế hòa tan, nghĩa là, CaSO4.0,5H2O đầu tiên hòa tan và sau đó là CaSO4.2H2O kết tủa

từ dung dịch nước bởi vì nó ít hòa tan hơn các CaSO4.0,5H2O Vì vậy khi CaSO4.0,5H2O được trộn với nước, một phần của nó ngay lập tức bị hòa tan tạo thành dung dịch bão hòa với các ion Ca2+ và SO42- Dung dịch bão hòa trở thành quá bão hòa đối với CaSO4.2H2O dẫn đến sự tạo mầm và tăng lên số lượng các tinh thể

Để sự kết tinh có thể diễn ra, các mầm kết tinh phải đạt được kích thước tới hạn Bán kính tới hạn liên quan đến trạng thái quá bão hòa (S) theo H.K Hensch [32] được tính theo công thức sau đây:

ở đây: S là năng lượng cho mỗi đơn vị diện tích bề mặt, ν là khối lượng phân tử, k

là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ (Kelvin) Từ phương trình, rõ ràng là giảm nồng độ quá bão hòa sẽ làm giảm xác suất tạo mầm bằng cách tăng rc

Trong thời gian phản ứng, ion Ca2+ hợp với ion SO42- dẫn đến sự hình thành của các mầm CaSO4.2H2O Các mầm mà có được một kích thước nhất định quan trọng sau đó bắt đầu kết tinh thành phân tử CaSO4 x 2H2O Tuy nhiên, quá trình kết tinh phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau như dung dịch bão hòa/ quá bão hòa, tạp chất, loại hemihydrate và diện tích bề mặt của nó, nhiệt độ, tỷ lệ nước/ thạch cao,…

Nhìn chung, các tinh thể lớn lên bằng cách hợp nhất sự lớn lên các đơn tinh thể tạo thành mạng tinh thể ở bề mặt Các tinh thể bề mặt thường gồm lưới phẳng cách nhau bởi thông số bước mạng Vị trí các nút mạng xuất hiện dọc theo sau các

bước mạng và chúng được coi là vị trí phát triển nhất Nó đã được giả định rằng các tinh thể phát triển từ dung dịch nước bằng cách tích hợp trực tiếp các đơn tinh thể vào mạng lưới tinh thể tại các điểm nút Kết quả là, lớp đơn tinh nối tiếp nhau, đã được thử nghiệm xác nhận bởi Bosbach [16] Các thí nghiệm tiến hành đã chỉ ra rằng các tinh thể thạch cao phát triển bởi một sự tạo mầm và cơ chế gia tăng tinh thể Tinh thể thạch cao có cấu trúc nhiều lớp gồm hai lớp Ca2+/SO42- song song với mặt (010) Hai lớp Ca2+/SO42-, được gắn kết với nhau bởi các tương tác ion, tạo lên một lớp phát triển song song với mặt (010) Những lớp gia tăng đó được phân cách bởi lớp H2O Sự phân lớp hoàn hảo (mặt cắt khai) xảy ra dọc theo lớp H2O song song với (010)

Sự tạo mầm trên bề mặt là một quá trình rất quan trọng để tạo ra bước mạng mới trên bề mặt (010) ít nhất là ở độ quá bão hòa cao Kích thước bề mặt hạt (mầm) đều nhau được hình thành trên bề mặt (010) của thạch cao, được bao quanh bởi nhiều bước mạng (001) và (100) Sau khi mầm đã được hình thành, số lượng mầm tăng xảy ra thông qua việc thúc đẩy các lớp đơn tinh nối tiếp nhau, chủ yếu là song song với (101) và (001) liên quan đến bước mạng (001), đó là kết quả của bước mạng năng lượng cao hơn cho bước mạng (101)

Hình 2.6: a) Cấu trúc nguyên tử thạch cao trượt theo bước mạng (010)

b) Hình thái cấu trúc tinh thể thạch cao với dạng (010), (120), (011), và (111)

thường được quan sát thấy

2.2 Cơ chế của quá trình hình thành Foam

2.2.1.Các giai đoạn của quá trình tạo Foam :

‐ Cung cấp khí cho quá trình tạo Foam

‐ Quá trình khí giãn nở

‐ Giai đoạn ổn định của khí trong hỗn hợp

Hình 2.7: Sự hình thành và phát triển của foam

Giai đoạn 1 : khí được tạo ra trong hỗn hợp

Giai đoạn 2 : khí lớn dần lên

Giai đoạn 3 : khí trong hỗn hợp đạt trạng thái ổn định

2.2.2.Cơ chế của quá trình hình thành Foam :

- Giới hạn hòa một thông số quan trọng trong giai đoạn cung cấp khí Nó phụ thuộc nhiều vào áp suất xung quanh, nhiệt độ và sự tương tác với dung dịch Một lượng khí đưa vào ban đầu phản ứng với dung dịch có thể điều khiển các thông số của phản ứng, tác động tới sự đồng đều của dung dịch, sự cơ động của Foam và sự đồng đều của Foam

- Folory-Huggins đã đưa ra phương trình nhằm xác định lượng khí đưa vào là bao nhiêu để quá trình tạo Foam có thể diễn ra:

Vg: : là thể tích khí

R là hằng số khí tiêu chuẩn

δ là thông số hòa tan ( được xác định qua bảng)

Khi lượng khí hòa tan đạt đến một giới hạn nhất định khi đó chúng có xu hướng phân chia từ pha ban đầu Một điều tin chác rằng:

- Cơ chế chính của giai đoạn bền vững là quá trình tạo mầm (Nu)

- Cơ chế chính của giai đoạn không bền vững là quá trinh phân hủy(SD)

Sự sắp sếp lại và lớn lên của mầm được điều khiển bởi quá trình khếch tán Quá trình khếch tán di chuyển từ nơi có mật độ tập trung cao đến nơi có mật độ tập trung

thấp Tuy nhiên trong một vùng phân tử được điều khiển bởi một lớp có một đám phân tử có thể lớn lên và vượt qua mật độ phân bố bình thường, chính vì thế nó có thể hấp thụ các phân tử gần đó Tùy thuộc vào quá trình phân chia từng phần và độ

ổn định của từng giai đoạn mà có thể hình thành quá trình phân hủy hoặc quá trình tạo mầm

Rất khó để đưa ra động năng của phân tử để xác định cơ chế tạo Foam đầu tiên Năng lượng để Foam được hình thành phải đạt đến một giới hạn nhất định, khi

đó để pha khí phải đạt đến một giới hạn hào tan thì mới có thể phát triển và tạo thành Foam Foam có xu hướng tạo thành ở năng thấp nhất, dạng tròn và phân bố đều trong nền Foam được hình thành ở một Gradient năng lượng xác định Cùng với năng lượng thấp đó và được sự giúp đỡ của các yếu tố bên ngoài thông qua máy móc đã làm cho mầm Foam phát triển một các đễ dàng

Bán kính của Foam được xác định như sau:

R=2σ.(Pk-P)

σ : Sức căng bề mặt

Pk: áp suất lỗ khí

P: áp suất xung quanh

Khi áp suất xung quanh là lớn hơn nhiều so với áp suất khí của các phân tử khí các phân tử khí bị mất đi và khi đó nó sẽ tạo ra một dung dịch đồng nhất Trong quá trình giãn nở của Foam áp suất bên trong Foam là cần thiết để giữ quá trình phân chia Foam trước khi quá trình giãn nở tự do kết thúc Một lượng vừa đủ áp suất giảm xuống là cần thiết để các phân tử khí kết hợp với nhau và vượt qua giới hạn giam giữ ban đầu

Một phương pháp Lase được sử dụng để tìm ra kích thước của mầm cho quá trinh giãn nở của Foam, và sử dụng một phương pháp ngoại suy để đưa ra kích thước ban đầu của Foam

Động năng để mầm có thể vượt qua hàng rào năng lượng được tính như sau:

J ~ exp(-Ea/KT)

J là năng lượng hoạt động được xác định như sau:

J=N.(2σ/Πm)1/2exp(-16Πσ3/3KT.∆P2)

Trong đó:

- N là số phân tử khí trên một đơn vị thể tích

- σ là sức căng bề mặt

- m: khối lượng một phân tử khí

- ∆P là hiệu của áp suất

Sự phân bố lớn hơn giữa năng lượng bề mặt và năng lượng dòng có tác động đến quá trình đông đặc cân bằng Các mầm lớn lên qua từng giai đoạn, trong đó quá trình giãn nở và khếch tán xảy ra đồng thời

2.3 Ảnh hưởng của các chất phụ gia đến thạch cao

2.3.1 Axit citric

Axít citric là một axít hữu cơ thuộc loại yếu và nó thường được tim thấy trong các loại trái cây thuộc họ cam quít Nó là chất bảo quản thực phẩm tự nhiên và thường được thêm vào thức ăn và đồ uống để làm vị chua Ở lĩnh vực hóa sinh thì axít citric đóng một vai trung trung gian vô cùng quan trọng trong chu trình axít citric của quá trình trao đổi chất xảy ra trong tất cả các vật thể sống Ngoài ra axít citric còn đóng vai trò như là một chất tẩy rửa, an toàn đối với môi trường và đồng thời là tác nhân chống oxy hóa Axít citric có mặt trong nhiều loại trái cây và rau quả nhưng trong trái chanh thì hàm lượng của nó được tìm thấy nhiều nhất, theo ước tính axít citric chiếm khoảng 8% khối lượng khô của trái chanh

Tên chuẩn 2-hydroxypropane-1,2,3-tricarboxylic acid

Tên thường Axít chanh

Axit citric làm chậm quá trình đóng rắn của thạch cao [18,31,32,50] Mục đích định lượng để đưa ra những thông tin về cơ chế của quá trình làm chậm và ảnh hưởng của axit citric đến cấu trúc và tổ chức của thạch cao Axit citric thực hiện quá trình này thông qua việc hình thành muối citrat Chính muối này ảnh hưởng đến

sự phát triển của mầm và các tinh thể đang lớn thông qua sự hấp phụ Sự hấp phụ diễn ra qua 2 giai đoạn Giai đoạn thứ nhất là giai đoạn làm chậm quá trình Hidrat hóa và giai đoạn thứ 2 là giai đoạn đóng rắn thông thường

2.3.2 Axit boric

Là một axit yếu của Boron, thường được dùng làm chất sát trùng, thuốc trừ sâu, chữa lửa, dùng trong các nhà máy hạt nhân để khống chế tốc độ phân hạch của urani, và là chất ban đầu để chế ra các hợp chất hóa học khác Nó tồn tại ở dạng các tinh thể không màu hoặc bột màu trắng và có thể hòa tan trong nước Công thức hóa học của nó là H3BO3, đôi khi viết là B(OH)3 Khi ở dạng khoáng vật, nó được gọi là sassolite

- Phân bố

Axit tự dạng tự do được tìm thấy trong các vùng có núi lửa nhất định như ở Tuscany, quần đảo Lipari và Nevada, trộn lẫn với hơi nước trong các khe nứt trong đất; nó cũng được tìm thấy ở dạng thành phần cấu tạo trong một số khoáng vật (borax, boracite, boronatrocaicite và colemanite) Axit boric và các muối của nó cũng được ghi nhận trong nước biển Nó cũng tồn tại trong thực vật và đặc biệt là

trong hầu hết trái cây

Axit boric được điều Wilhelm Homberg (1652–1715) chế đầu tiên từ borax, từ

phản ứng của các axit vô cơ, và được đặt theo tên sal sedativum Hombergi

("sedative salt of Homberg") Tuy nhiên, các Borate, bao gồm cả axit boric, đã được

sử dụng vào thời kỳ Ai Cập cổ đại để lau chùi, bản quản thực phẩm, và các ứng

dụng khác

- Điều chế

Axit boric có thể được điều chế khi cho borax (sodium tetraborate decahydrate)

phản ứng với axit vô cơ, như axit clohidric:

Na2B4O7·10H2O + 2 HCl → 4 B(OH)3 [or H3BO3] + 2 NaCl + 5 H2O

- Tính chất

Axit boric có thể tan trong nước sôi Khi nung trên 170 °C, nó tách nước tạo

thành axit metaboric (HBO2):

H3BO3 → HBO2 + H2O

Axit metaboric là chất rắn kết tinh theo hệ lập phương, có màu trắng và chỉ hòa tan

ít trong nước Axit boric nóng chảy ở 236 °C, và khi nung trên 300 °C nó tiếp tục

tách nước tạo thành axit tetraboric hay axit pyroboric (H2B4O7):

4 HBO2 → H2B4O7 + H2O

Thuật ngữ axit boric đôi khi cũng được dùng để chỉ các hợp chất này Nếu tiếp

tục tách nước, nó sẽ tạo ra boron trioxit

H2B4O7 → 2 B2O3 + H2O

Axit boric không phân ly trong dung môi gốc nước như axit Brønsted, nhưng là một axit Lewis phản ứng với các phân tử nước để tạo thành ion tetrahydroxyborate,

và được quan sát dưới quang phổ Raman[2]:

B(OH)3 + H2O B(OH)−4 + H+ (Ka = 5.8x10−10 mol/l; pKa = 9.24)

Các anion polyborate anions được tạo ra tạo thành dung dịch có pH 7–10 nếu

nồng độ boron lớn hơn 0,025 mol/L Ion phổ biến nhất là tetraborate được tìm thấy

trong borax khoáng:

4 B(OH)−4 + 2 H+ B4O2−7 + 9 H2O

Axit boric có vai trò quan trọng trong việc hấp thụ các sóng âm tần số thấp trong nước biển

- Cấu trúc tinh thể

Axit boric tinh thể bao gồm các lớp phân tử B(OH)3 liên kết với nhau bởi liên

kiết hydro Khoảng cách giữa hai lớp cạnh nhau là 318 pm

Ô cơ sở của axit boric

Liên kết hydro (đường đứt nét) cho phép các phân tử axit boric hình thànhcác lớp song song ở trạng thái rắn

Hình 2.10: cấu trúc tinh thể của axit Boric

- Vai trò của axit boric trong thạch cao

Đây là kết quả của một số công trình nghiên cứu trên thế giới [9,49,50,52] chỉ

ra vai trò của Botric trong thạch cao

- Tăng bền cho thạch cao

- Làm thạch cao nhẹ hơn

- Tăng thời gian đóng rắn của thạch cao

- Tăng tính bền nhiệt cho thạch cao

2.3.3 Cao lanh

2.3.3.1 Khái quát :

Cao lanh ( kaolin) là một khoáng sản phi kim được hình thành do quá trình phong hóa của phenpat chủ yếu là octodaz và anbit Quá trình phong hóa trên được gọi là quá trình kaolin hóa

Thành phần hóa học Cao lanh (Kaolin):

- Công thức hóa học: Al2O3.2SiO2.2H2O

- Thành phần lý thuyết: Al2O3: 39,48%; SiO2: 46,6%; H2O: 13,92%

- Tỷ trọng: 2,57 - 2,61

- Độ cứng: 1 - 2,5

2.3.3.2 Vai trò của cao lanh trong thạch cao:

Các nghiên cứu [52,55] đã chỉ ra vai trò của cao lanh trong thạch cao :

- Tăng tính bền nhiệt cho thạch cao

- Giảm thời gian đóng rắn

Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hàm lượng cao lanh từ 5 – 15% cho tác dụng tối

ưu tới độ bền khuôn

PHẦN III: MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ

KẾT QUẢ

3.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Từ các phân tích ở trên, thấy rằng quá trình quá trình đóng rắn là một trong những công đoạn quan trọng trong công nghệ khuôn thạch cao, tuy nhiên với những điều kiện và nguyên liệu ở Việt Nam thì chưa có công trình nào nghiên cứu sâu về quá trình này

Chính vì vậy, mục tiêu của đề tài là “Nghiên cứu hỗn hợp khuôn trong công nghệ đúc mẫu chảy (Quá trình đóng rắn)”, mục đích là để nghiên cứu, phân

tích, đánh giá nguyên liệu thạch cao sẵn có ở Việt Nam để sử dụng làm khuôn trong công nghệ đúc Từ đó, nghiên cứu diễn biến trong quá trình đóng rắn, xác định các chất phụ gia, hàm lượng cho vào để tạo ra hỗn hợp làm khuôn và làm ruột có cơ tính phù hợp nhất

3.2 Nguyên liệu và phương pháp phân tích nguyên liệu đầu vào:

3.2.1 Nguyên liệu đầu vào:

Hiện nay nguồn thạch cao đúc tại thì trường Việt Nam chưa có hoặc rất hiếm Chúng ta chỉ có các loại thạch cao cơ bản sau tại thị trường Việt Nam: loại thạch cao xây dựng chất lượng thấp được nhập từ mỏ thạch cao Bản Tưng, mỏ thạch cao Na Đôn của Lào hoặc loại thạch cao xây dựng cao cấp hơn được nhập khẩu từ Thái Lan về cùng với một số loại thạch cao được tái sinh tại Việt Nam Tuy nhiên nguồn và chất lượng các loại thạch cao này hoàn toàn không ổn định Chính vì vậy, cần phải nghiên cứu đặc tính ban đầu của thạch cao trước khi đem vào sản xuất trong công nghệ đúc

Ở đây, nguyên liệu chủ yếu được sử dụng cho nghiên cứu này gồm hai loại thạch cao:

+ Thạch cao Gyproc của Thái Lan với thành phần chủ yếu ban đầu ở dạng αCaSO4.½H2O

+ Thạch cao Lào nhập từ Bát Tràng với thành phần chủ yếu ban đầu ở dạng βCaSO4.½H2O

3.2.2 Phương pháp phân tích và đánh giá nguyên liệu đầu vào theo tiêu chuẩn ATSM:

Thạch cao trước khi làm khuôn đúc cần phải được đánh giá cơ tính để phù hợp tiêu chí làm khuôn theo tiêu chuẩn ASTM C59 [5], bao gồm các phương pháp đánh giá theo tiêu chuẩn C472 và C473 Các đơn vị đo các thông số kỹ thuật của thạch cao trong hai hệ pound-inch hoặc SI (metric), đơn vị này được coi là tiêu chuẩn Trong các tiêu chuẩn này, các đơn vị SI được hiển thị trong dấu ngoặc đơn

Sản phẩm thạch cao sau khi nung từ đá thạch cao bị ảnh hưởng nhiều bởi một lượng nhỏ tạp chất bởi sự bất cẩn trong phương pháp bảo quản hay quá trình làm thí nghiệm đánh giá cơ tính Do đó, khi đem đánh giá cơ tính để chuẩn bị làm nguyên liệu đầu vào cho hỗn hợp khuôn thạch cao cần có các biện pháp phòng tránh như sau:

+ Giữ tất cả các máy phân tích, dụng cụ thí nghiệm sạch sẽ, đặc biệt lau chùi thạch cao cũ ở thí nghiệm trước đó

+ Sử dụng cẩn thận khi làm thí nghiệm liên quan đến sấy hoặc nung Nếu nung hoặc sấy ở nhiệt độ vượt quá có thể có sự biến đổi dạng thạch cao hoặc nung thành vôi làm kết quả không chính xác

3.3 Phương pháp nghiên cứu và đánh giá kết quả:

3.3.1 phương pháp đánh giá hàm lượng nước tự do

Cân một lượng mẫu, không nhỏ hơn 50 gam, và trải mỏng trên lồng kính thủy tinh Sấy liên tục ở 450C trong vòng 2 giờ sau đó để nguội trong bình hút ẩm

và cân lại Lượng chất bay hơi tương ứng với lượng nước tự do có trong mẫu

Hàm lượng nước tự do trong thạch cao được xác định theo công thức