Nghiên cứu tách sio2 từ cao lanh phú thọ và ứng dụng trong vật liệu compozit

Trong khi đó, nước ta lại có nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú, trữ lượng nhiều, nếu chúng ta tận dụng được triệt để các khoáng sản này bằng cách tinh chế, sản xuất thành các sản phẩ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU.………4

BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ……… 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU ……… 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ……… 10

1.1 Cao lanh ……… 10

1.1.1 Khái niệm ……… 10

1.1.1.1 Nguồn gốc ……… 10

1.1.1.2 Tiềm năng quặng cao lanh ở Việt nam ……… 11

1.1.1.3 Phân loại ……… 12

1.1.1.4 Thành phần hóa học ………12

1.1.1.5 Cấu tạo mạng tinh thể ……….13

1.1.2 Các tính chất đặc trưng cơ bản của cao lanh ……… 14

1.1.3 Ứng dụng ……….16

1.2 Silic đioxit ……….19

1.2.1 Khái quát ……… 19

1.2.2 Tính chất vật lý ………19

1.2.3 Tính chất hóa học……… 19

1.2.4 Ứng dụng……….20

1.3 Vật liệu compozit ……… 20

1.3.1 Khái niệm ……… 20

1.3.2 Phân loại ………21

1.3.3 Cấu tạo của vật liệu compozit ……… 21

1.3.3.1 Polyme nền ……… 21

1.3.3.2 Chất độn (cốt) ……….22

1.3.4 Ứng dụng ……… 22

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM……… 24

2.1 Các phương pháp phân tích ………24

2.1.1 Phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF) ……… 24

2.1.2 Phương pháp phân tích nhiệt ……… 25

2.1.3 Phương pháp phân tích định tính bằng giản đồ XRD ……….26

2.1.4 Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét SEM ………28

2.1.5 Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại IR ……… 31

2.2 Thực nghiệm……… 32

2.2.1 Hóa chất - dụng cụ ……… 32

2.2.1.1 Hóa chất ……… 32

2.2.1.2 Dụng cụ ……… 32

2.2.2 Cách tiến hành thí nghiệm……… 32

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ……….34

3.1 Phân tích thành phần, tính chất nguyên liệu ban đầu ……… 34

3.1.1 Mẫu cao lanh Thanh Sơn - Phú Thọ ………34

3.1.2 Tinh thể muối NaHSO4 ………35

3.2 Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ các chất phản ứng và điều kiện phản ứng ……… 35

3.3 Kết quả phân tích mẫu bã rắn thu được sau hòa tách 36

3.3.1 Kết quả phân tích thành phần hóa học ……… 36

3.3.2 Kết quả phân tích cấu trúc ………38

3.3.3 Kết quả phân tích cỡ hạt ……… 38

3.4 Ứng dụng của SiO2 tách ra từ cao lanh Phú Thọ vào vật liệu compozit …… 39

3.4.1 Mô tả thí nghiệm ……… 39

3.4.2 Ảnh hưởng của chất độn SiO2 đến cơ tính của vật liệu compozit 40

3.4.3 Ảnh hưởng của chất độn SiO2 đến nhiệt độ chuyển pha thủy tinh của vật liệu compozit 43

3.4.4 Kết quả phân tích phổ hồng ngoại IR của mẫu vật liệu compozit 44

KẾT LUẬN ……… 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO ………47

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các ngành công nghiệp đang phát triển mạnh, đi kèm với nó là việc nghiên cứu cơ bản đòi hỏi phải đi trước một bước Trong công nghệ hóa học và vật liệu, sự phát triển này làm cho nhu cầu

về các hóa chất cơ bản cũng tăng theo Việc sản xuất trong nước không cung ứng đủ nhu cầu cho nên hàng năm nước ta phải chi một khoản ngoại tệ rất lớn để nhập các hóa chất này Trong khi đó, nước ta lại có nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú, trữ lượng nhiều, nếu chúng ta tận dụng được triệt để các khoáng sản này bằng cách tinh chế, sản xuất thành các sản phẩm phục vụ nhu cầu của các ngành công nghiệp khác thì sẽ góp một phần lớn vào sự phát triển kinh tế của đất nước

Trong các hóa chất đó phải kể đến các hợp chất của nhôm hay silic Nhôm và các hợp chất của nhôm có rất nhiều ứng dụng Nhôm kim loại được sử dụng trong công nghiệp vật liệu (chế tạo vật liệu gia dụng, vật liệu xây dựng, công nghiệp hàng không…) nhôm sulphat (phèn nhôm) được sử dụng trong xử lý nước, nhôm photphat dùng làm chất kết dính chịu nhiệt, chất tạo màng cho sơn vô cơ… Silic đioxit được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất gốm sứ, gốm kỹ thuật, sản xuất vật liệu chịu lửa, làm chất độn cho cao su, giấy và cho vật liệu compozit… Ngày nay, sự phát triển của các loại vật liệu compozit càng khiến cho nhu cầu sử dụng SiO2 làm chất độn tăng cao

Để sản xuất silic đioxit, có nhiều loại nguyên liệu chứa SiO2 như cát, thạch anh, điatomit, các muối aluminosilicat như tràng thạch, mica, cao lanh… và các khoáng sét khác Thạch anh chứa hàm lượng SiO2 cao nhưng nó tồn tại ở dạng tinh thể Hiện nay, phương pháp phổ biến để sản xuất SiO2 vô định hình là cho cát thạch anh phản ứng với NaOH để tạo ra hợp chất mới chứa silic là Na2SiO3 (hay còn gọi

là thủy tinh lỏng), sau đó từ thủy tinh lỏng ta thu được SiO2 vô định hình Ngoài ra

có một lượng silic đioxit là sản phẩm phụ của các nhà máy sản xuất axit photphoric

và supe với hàm lượng không nhiều Cách sản xuất này cũng dùng tác nhân NaOH

để phản ứng với SiF4 tạo ra sản phẩm SiO2 vô định hình SiO2 cũng có thể được sản

xuất theo phương pháp hòa tách bằng axit, sử dụng các axit mạnh để phá hủy cấu trúc khoáng cao lanh rồi hòa tách các muối tan để thu được bã rắn chứa SiO2 [7] Tuy nhiên phương pháp này tương đối tốn kém và nguy hiểm, trong khi hiệu suất tách SiO2 vẫn chưa thực sự cao

Thời gian qua, đã có nhiều công trình nghiên cứu sản xuất nhôm oxit đi từ cao lanh theo phương pháp phản ứng pha rắn với hiệu suất tách khá cao Ngoài sản phẩm Al2O3 thì còn một lượng lớn bã rắn sau quá trình có chứa hàm lượng SiO2cao, có khả năng thu hồi và ứng dụng vào một số lĩnh vực khác

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, tôi đã chọn hướng nghiên cứu là sản xuất SiO2 từ nguồn cao lanh tự nhiên, vừa đảm bảo chi phí kinh tế thấp, vừa đảm bảo đạt yêu cầu về chất lượng để sử dụng làm chất độn cho vật liệu compozit Vấn đề này cũng đã bước đầu được nghiên cứu ở một số công trình khoa học Tuy nhiên với mỗi quốc gia có các loại cao lanh với thành phần hóa học khác nhau và thành phần pha khác nhau đòi hỏi phải có một nghiên cứu cụ thể cho từng loại cao lanh cụ thể Luận văn này trình bày việc tách silic đioxit từ nguồn nguyên liệu cao lanh Thanh Sơn - Phú Thọ với natri hydro sulfat theo phương pháp phản ứng pha rắn, đồng thời cũng khảo sát thử nghiệm ứng dụng sản phẩm SiO2 đó làm thành phần độn trong vật liệu compozit nền nhựa epoxy gia cường vải thủy tinh

BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

STT KÝ HIỆU,

1 XRF Huỳnh quang tia X (X-ray Fluorescence)

2 XRD Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction)

3 TGA Phân tích nhiệt trọng lượng

(Thermal Gravimetric Analysis)

4 DTA Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis)

15 DSC Phân tích nhiệt quét vi sai

(Differential scanning calorimetry)

16 SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)

17 EDXS Phổ tán sắc năng lượng tia X

(Energy-dispersive X-ray spectroscopy)

18 WDXS Phổ tán sắc bước sóng tia X

(Wavelength-dispersive X-ray spectroscopy)

19 SEMPA

Hiển vi điện tử quét có phân tích phân cực

(Scanning Electron Microscope with Polarisation Analysis)

20 IR Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy)

21 NIR Phổ hổng ngoại gần (Near Infrared spectroscopy)

22 PA Chất tinh khiết (Pure Agent)

23 TETA Trietylen tetramin

24 DMA Phân tích cơ động lực (Dynamic Mechanical Analysis)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG BIỂU

2 Hình 1.2 Sơ đồ không gian cấu trúc mạng lưới tinh thể cấu

3 Hình 1.3 Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt

4 Hình 1.4 Vị trí các nhóm OH trong cấu trúc cao lanh 16

5 Hình 2.1 Nguyên lý phát huỳnh quang tia X 24

6 Hình 2.2 Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X (XRF) 25

7 Hình 2.3 Sự nhiễu xạ tia X trên bề mặt tinh thể 27

8 Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét

9 Hình 2.5 Nguyên lý chụp phổ hồng ngoại (IR) 31

10 Hình 2.6 Sơ đồ phương pháp tiến hành thí nghiệm tách SiO2

11 Bảng 3.1 Thành phần hóa học mẫu cao lanh Thanh Sơn - Phú

12 Hình 3.1 Kết quả XRD mẫu cao lanh chưa nung 34

13 Hình 3.2 Kết quả phân tích nhiệt mẫu sau khi trộn 36

14 Bảng 3.2 Thành phần hóa học mẫu bã rắn thu được sau hòa

15 Hình 3.3 Phổ EDX của mẫu bã rắn thu được sau hòa tách 37

16 Bảng 3.3 Thành phần hóa học quy đổi từ thành phần các

nguyên tố của mẫu bã rắn thu được sau hòa tách 38

17 Hình 3.4 Giản đồ XRD của mẫu bã rắn thu được 38

18 Hình 3.5 Đồ thị phân bố cỡ hạt bằng tán xạ laze của mẫu bã 39

rắn

20 Hình 3.7 Sơ đồ tiến hành thí nghiệm chế tạo vật liệu

compozit sử dụng SiO2 làm chất độn 40

21 Bảng 3.4 Kết quả độ bền uốn của mẫu vật liệu compozit 41

22 Bảng 3.5 Kết quả độ mài mòn của mẫu vật liệu compozit 41

23 Hình 3.8 Ảnh SEM của mẫu vật liệu compozit có độn SiO2 42

24 Hình 3.9 Kết quả phân tích DMA của mẫu đối chứng và mẫu

25 Hình 3.10 Đồ thị phổ hồng ngoại IR của mẫu đối chứng và

mẫu vật liệu compozit có độn SiO2 44

do quá trình phong hóa của phenspat chủ yếu là octođaz và anbit Quá trình phong hóa trên được gọi là quá trình cao lanh hóa

Cao lanh có nguồn gốc tên gọi từ Cao Lĩnh thổ (tức đất Cao Lĩnh, là đất sét trắng tại Cao Lĩnh), một khu vực đồi tại Giang Tô (Trung Quốc) Các mỏ đất sét trắng tại đây được khai thác để làm nguồn nguyên liệu sản xuất đồ sứ Trung Quốc Tên gọi kaolinit được các giáo sĩ người Pháp du nhập vào châu Âu trong thế kỷ 18

và khi được phiên âm ngược trở lại tiếng Việt thì nó đã trở thành cao lanh (kaolin)

Hình 1.1: Cao lanh trong tự nhiên

Cao lanh là một loại khoáng sét tự nhiên rất phổ biến trên thế giới, đây là một loại khoáng sét dẻo không trương nở, có màu trắng, vàng hoặc nâu đỏ Cao lanh được tìm thấy ở nhiều mỏ khác nhau trên thế giới, ở Việt Nam cao lanh có ở Yên Bái, Hải Dương, Vĩnh Phúc, Lâm Đồng, Phú Thọ… với trữ lượng lớn và chất lượng khá tốt

1.1.1.2 Tiềm năng quặng cao lanh ở Việt nam:

Việt Nam là một trong các quốc gia có tiềm năng lớn về cao lanh, phân bố khá rộng rãi và phổ biến ở nhiều nơi trên lãnh thổ với các loại hình nguồn gốc khác nhau, trong đó tập trung chủ yếu trong 3 kiểu nguồn gốc, là phong hoá, trầm tích và nhiệt dịch Cao lanh nguồn gốc phong hoá tập trung chủ yếu ở Đông Bắc Bộ và ít hơn ở Trung Bộ và Tây Nguyên Quặng cao lanh ở nước ta được phân bố ở nhiều nơi, trong đó một số mỏ quặng cao lanh đã được thăm dò, khai thác là:

Mỏ Thạch Khoan - Phú Thọ gồm 4 vùng với tổng trữ lượng đã xác định khoảng 3,2 triệu tấn, trong số đó vùng mỏ cao lanh Hữu Khánh là vùng mỏ có giá trị công nghiệp với hàm lượng quặng như sau:

SiO2 : 47.5 - 76.1%

Al2O3 : 18 - 49%

Fe2O3 : 0.11 – 2.9%

MKN : 9.81%

Mỏ Trại Mật - Lâm Đồng với tổng trữ lượng đã thăm dò là 11 triệu tấn, mỏ

có 4 thân quặng, dày trung bình 20m hàm lượng quặng như sau:

Mỏ cao lanh Tấn Mài (Quảng Ninh), Trúc Thôn (Hải Dương), Tuyên Quang

đã được khai thác dùng làm gạch chịu lửa cho công ty gang thép Thái Nguyên Cao lanh ở Tấn Mài dạng dickit và có thành phần hóa học như sau:

SiO2 : 43.38%

Al2O3 : 37.43%

Fe2O3 : 0.18%

Ngoài ra một số mỏ quy mô nhỏ ở các địa phương như Yên Bái, Hải Dương, Đồng Nai,… đã được sử dụng để khai thác cao lanh làm nguyên liệu sản xuất gốm

sứ dân dụng, gốm sứ kỹ thuật, phèn nhôm

Theo nhiệt độ chịu lửa, cao lanh được phân thành loại chịu lửa rất cao (trên 1750°C), cao (trên 1730°C), vừa (trên 1650°C) và thấp (trên 1580°C)

Theo thành phần Al2O3 + SiO2 ở trạng thái đã nung nóng, cao lanh được phân thành loại siêu bazơ, bazơ hoặc axit

1.1.1.4 Thành phần hóa học:

Theo các tài liệu, cao lanh là một loại khoáng sét tự nhiên ngậm nước mà thành phần chính là khoáng vật kaolinit, công thức hóa học đơn giản là

Al2O3.2SiO2.2H2O, công thức lý tưởng là Al4(Si4O10)(OH)8 với hàm lượng SiO2

= 46,54%; Al2O3 = 39,5% và H2O = 13,96% trọng lượng Tuy nhiên, trong thực

tế thành phần lý tưởng này thường rất ít gặp [8,12], vì ngoài ba thành phần chính

kể trên, thường xuyên có mặt Fe2O3, TiO2, MgO, CaO, K2O, Na2O với hàm lượng nhỏ Ngoài ra, trong cao lanh nguyên khai còn chứa các khoáng khác như haloysit, phlogopit, hydromica, felspat, -quartz, rutil, pyrit nhưng hàm lượng không lớn

1.1.1.5 Cấu tạo mạng tinh thể:

Cao lanh tồn tại ở nhiệt độ thường chủ yếu dưới dạng tinh thể của kaolinit Kaolinit có cấu trúc lớp 1:1, dạng điocta, với công thức chung là

Al2Si2O5(OH)4.nH2O (n = 0, 2) Cấu trúc tinh thể của kaolinit được hình thành từ một lưới tứ diện liên kết với một mạng bát diện tạo nên một lớp cấu trúc Chiều dày của lớp này từ 7,15 – 7,2Å Mỗi lớp cấu trúc được phát triển liên tục trong không gian theo hướng trục a và b Các lớp cấu trúc được chồng xếp song song với nhau

và tự ngắt quãng theo hướng trục c (hình 1.2)

Hình 1.2: Sơ đồ không gian cấu trúc mạng lưới tinh thể cấu trúc Kaolinit

Các tứ diện quay đỉnh chung về phía mạng bát diện Ở vị trí đỉnh chung của

tứ diện và bát diện là ion OH- Giữa hai mặt đó xuất hiện một lực liên kết giữ chặt các lớp lại làm cho mạng tinh thể kaolinit ít di động, hấp thụ nước và không trương

nở Trong cấu trúc của kaolinit cứ 3 vị trí tâm bát diện thì có hai vị trí bị chiếm giữ bởi ion Al3+ còn một vị trí bỏ trống Chính vì vậy kaolinit thuộc nhóm điocta

1.1.2 Các tính chất đặc trưng cơ bản của cao lanh

Tính chất cơ bản của cao lanh thường đề cập là tính chất trao đổi ion, tính chất hấp phụ và tính chất xúc tác Do bề mặt của kaolinit không lớn, thường dao động từ 15 – 20m2/g tương ứng với khả năng hấp phụ kém của kaolinit làm chất xúc tác mà chỉ sử dụng nó với vai trò chất nền

Cao lanh có màu trắng, trắng xám, dạng đặc sít hoặc là những khối dạng đất sáng màu, tập vảy nhỏ, tinh thể đơn vị dạng hình lục lăng liên kết thành các tấm nhỏ, mỏng, đường kính khoảng 0,2 - 12µm, khối lượng riêng khoảng 2,1 - 2,6 g/cm3, độ cứng 1 - 2,5; có khả năng trao đổi cation khoảng 2 - 15 meq/100g và phụ thuộc nhiều vào kích thước của hạt, nhưng các phản ứng thay thế cation xảy

ra với tốc độ rất lớn

Khi ngấm nước, nó có tính dẻo, nhưng không có hiện tượng co giãn Đây là tính chất được biết đến sớm nhất của cao lanh, người ta dùng nó ở dạng hồ quánh để định hình và nung thiêu kết để tạo ra các đồ gốm sứ

Cao lanh có tính chất trao đổi anion và cation vào trong mạng tinh thể của mình Sự trao đổi cation thường được nghiên cứu nhiều hơn và khả năng ứng dụng rộng hơn so với anion Các cation trao đổi thường là Ca2+

, Mg2+, NH4+, Na+, K+,

H+ Các anion trao đổi thường là SO42-, Cl-, PO43-, NO3-

Đại lượng đặc trưng cho dung lượng trao đổi được tính bằng mili đương lượng trao đổi trên 100g mẫu Dung lượng trao đổi cation (CEC) và anion (AEC) của cao lanh rất nhỏ, thông thường CEC chỉ khoảng 3 ÷15 meq/100g và AEC khoảng 20,3 meq/100g

Hình 1.3: Các vị trí trao đổi ion khác nhau đối với hạt Kaolinit

Bề mặt của kaolinit được chia thành bề mặt trong và bề mặt ngoài CEC ở bề mặt ngoài phụ thuộc nhiều vào sự gãy liên kết và sự tăng khuếch tán bề mặt hay sự giảm kích thước hạt CEC ở bề mặt trong phản ánh toàn bộ điện tích âm chưa cân bằng trong mạng lưới cấu trúc Dung lượng trao đổi ion nói chung và CEC nói riêng

là tín hiệu cho biết số ion hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc cation hấp phụ giữa các lớp trong cấu trúc và số ion hoặc cation hấp phụ lên

bề mặt ngoài của kaolinit Hình 1.3 cho thấy rõ vị trí trao đổi ion ở bên ngoài hay bên trong hạt kaolinit

Cao lanh có khả năng hấp phụ kém Độ hấp phụ của nó khoảng từ 1 ÷ 3% và chủ yếu là hấp phụ bề mặt Do vậy cao lanh ít có giá trị sử sụng làm chất hấp phụ

Nhiệt độ nóng chảy của cao lanh: 1750 ÷ 1787oC Khi nung nóng, cao lanh

có hiệu ứng thu nhiệt, pic ở 510 - 600oC liên quan đến sự mất nước kết tinh và hiện tượng không định hình của khoáng vật Hai píc toả nhiệt từ 960 - 1000 và 1200o

C liên quan đến quá trình mulit hoá của các sản phẩm cao lanh không định hình, với píc 1200oC là quá trình kết tinh của silic đioxit vô định hình để tạo thành cristobalit

Việc nghiên cứu những biến đổi cấu trúc cao lanh khi nung chính là cơ sở cho những ứng dụng của cao lanh trong nhiều ngành công nghiệp vật liệu và hoá chất Trong cao lanh cũng như nhiều loại khoáng sét khác có chứa một lượng nước nhất định khi còn ở nhiệt độ thấp (nhiệt độ thường) Nhìn chung, nước trong cấu trúc khoáng sét được chia làm 3 loại: (1) nước hấp phụ trong lỗ xốp, trên bề mặt và xung quanh các hạt phân tử khoáng rời rạc; (2) nước ở dạng hydrat, nước ở dạng xen kẽ giữa các lớp khoáng; (3) nước nằm trong các khe, hốc giữa các đơn vị cấu trúc dài (các nhóm OH cấu trúc) Nếu khoáng chứa loại (1) sẽ tốn ít năng lượng nhất khi tiến hành loại bỏ nước

Các phân tử nước trong cao lanh thuộc loại (1), chỉ là nước hấp phụ bề mặt

và một số nằm trong lỗ xốp, do đó sẽ dễ dàng mất đi khi cao lanh bị nung nóng từ

100 ÷ 150oC Khi cao lanh bị nung đến khoảng nhiệt độ 550 ÷ 700oC, nước trong cấu trúc (nhóm OH trong mạng lưới) sẽ dần mất hết và kèm theo sự phá vỡ cấu trúc

cao lanh Khi nhiệt độ tăng đến 900oC thì cấu trúc tinh thể cao lanh bị sập hoàn toàn

Việc xác định sự mất dần các nhóm OH ở các vị trí là dựa vào phương pháp nhiệt vi sai (DTA) Ngoài ra bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) người ta xác định được khi nung cao lanh, song song với sự tăng nhiệt độ là sự giảm của trọng lượng (lượng mất khi nung)

Hình 1.4: Vị trí các nhóm OH trong cấu trúc cao lanh

Quá trình xử lý nhiệt cao lanh còn dẫn tới các pha khuyết tật, tuy nhiên các pha khuyết tật này lại hoạt động hơn đối với quá trình kết tinh Sơ đồ sau diễn tả quá trình xử lý cao lanh bởi các nhiệt độ khác nhau

3Al4Si3O12 1050 C 0 2Al6Si2O23 + 5SiO2

1.1.3 Ứng dụng

Cao lanh được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như: công nghiệp gốm sứ, giấy, sơn, cao su, sợi thuỷ tinh, chất dẻo, vật liệu xây dựng, gạch chịu lửa, làm xúc tác cho công nghệ lọc dầu… Nhờ có khả năng hấp thụ đặc biệt không chỉ các chất béo, chất đạm mà còn có khả năng hấp thụ cả các loại vi rút

và vi khuẩn, vì vậy, cao lanh được ứng dụng cả trong các lĩnh vực y tế, dược phẩm,

mỹ phẩm

Công nghiệp sản xuất giấy: trong công nghiệp giấy, cao lanh được sử dụng làm chất độn tạo cho giấy có mặt nhẵn hơn, tăng độ kín, giảm độ thấu quang và làm tăng độ ngấm mực in tới mức tốt nhất Loại giấy thông thường chứa 20% cao lanh,

có loại chứa tới 40% Thông thường, một tấn giấy cần 250 - 300 kg cao lanh Chất lượng cao lanh dùng làm giấy được xác định bởi độ trắng, độ phân tán và mức độ đồng đều của các nhóm hạt

Công nghiệp sản xuất đồ gốm: công nghiệp sản xuất sứ, gốm sứ dân dụng, sứ

mỹ nghệ, dụng cụ thí nghiệm, sứ cách điện, sứ vệ sinh,… đều sử dụng chất liệu chính là cao lanh; chất liệu kết dính là sét chịu lửa dẻo, có màu trắng Chất lượng cao lanh đòi hỏi rất cao và phải khống chế các oxit tạo mầu (Fe2O3 và TiO2) Hàm lượng Fe2O3 không được quá 0,4 - 1,5%; TiO2 không quá 0,4 - 1,4%; CaO không quá 0,8% và SO3 không quá 0,4%

Sản xuất vật liệu chịu lửa: trong ngành sản xuất vật liệu chịu lửa, người ta dùng cao lanh để sản xuất gạch chịu lửa, gạch nửa axit và các đồ chịu lửa khác Trong ngành luyện kim đen, gạch chịu lửa làm bằng cao lanh chủ yếu được dùng để lót lò cao, lò luyện gang, lò gió nóng Các ngành công nghiệp khác cần gạch chịu lửa với khối lượng ít hơn, chủ yếu để lót lò đốt, nồi hơi trong luyện kim mầu và công nghiệp hóa học, ở nhà máy lọc dầu, trong công nghiệp thủy tinh và sứ, ở nhà máy xi măng và lò nung vôi

Chế tạo sợi thuỷ tinh: một lĩnh vực khác cũng sử dụng cao lanh tăng nhanh hàng năm đó là dùng làm nguyên liệu vào của sản xuất sợi thuỷ tinh Trong thành phần của cao lanh có chứa cả silica và alumina, chất có trong thành phần của sợi thuỷ tinh Cao lanh được sử dụng đồng thời với một lượng nhỏ sắt và titan Nguyên nhân tăng nhu cầu sử dụng cao lanh trong lĩnh vực này bởi vì hạn chế khi sử dụng nguyên liệu amiăng, loại chất gây hại cho sức khoẻ

Lĩnh vực chất độn: cao lanh được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực làm chất độn giấy, nhựa, cao su, hương liệu,… Cao lanh có tác dụng làm tăng độ rắn, tính đàn hồi, cách điện, độ bền của cao su, tăng độ cứng và giảm giá thành sản phẩm của

các chất dẻo như PE, PP, PVC Trong sản xuất da nhân tạo (giả da), Cao lanh có tác dụng làm tăng độ bền, độ đàn hồi

Sản xuất xà phòng: Cao lanh có tác dụng đóng rắn khi sản xuất, hấp thụ dầu

mỡ khi sử dụng Lĩnh vực sản xuất xà phòng yêu cầu cao lanh có độ hạt dưới rây 0,053mm lớn hơn 90%; không lẫn cát, không lắng cặn trước 8 giờ, hàm lượng

Fe2O3 ≤ 2-3%, TiO2 ≤ 1%; chất bazơ trao đổi ≤ 0,8-2% và cacbonat ≤ 15 - 20%

Sản xuất gia công thuốc BVTV: Ở Mỹ, Chilê, Israel cao lanh đã được dùng

để tăng hiệu quả sử dụng phân bón và thuốc BVTV với một số loại cây như: bông, cây họ bầu bí, ớt, khoai tây, đậu nành, dâu tây, củ cải đường, cà chua, Cao lanh cũng được pha trộn với thuốc BVTV giúp giảm tác hại của côn trùng, nấm, vi khuẩn và cháy nắng với cây trồng Cao lanh được coi là một loại thuốc trừ sâu sinh học Khi hỗn hợp với thuốc BVTV, cao lanh có thể có hoạt tính với loại thuốc này hoặc cũng có thể là thành phần trơ đối với loại thuốc khác Cao lanh có độ hấp thụ

và khuếch tán lớn, bám tốt, trơ hóa học, tạp chất sắt thấp, không gây cháy lá, … nên được sử dụng nhiều làm phụ gia, chất mang cho các loại thuốc BVTV dạng khô như thuốc bột, hạt, bột thấm nước, hạt phân tán trong nước,… Công nghệ sản xuất thuốc BVTV cần sử dụng cao lanh có độ khuếch tán lớn, cỡ hạt 22 μm từ 40 đến 75%

Tổng hợp zeolit: cao lanh là nguyên liệu chính để tổng hợp zeolit, loại chất được ứng dụng nhiều trong công nghiệp như hấp phụ, làm chất xúc tác…

Sản xuất sơn: cao lanh được sử dụng trong công nghiệp sơn có tác dụng tăng

độ bao phủ vì cao lanh các hạt cấu tạo chồng chéo nhau nó có đặc tính thấm nước bởi tính hấp thụ, có thể thay thế cho TiO2 do chi phí sử dụng TiO2 đắt hơn nhiều so với cao lanh [8]

Trong các lĩnh vực khác, cao lanh được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất xi măng trắng, các chất tráng trong xây dựng, nguyên liệu trong sản xuất nhôm, phèn nhôm…

1.2 Silic đioxit

1.2.1 Khái quát

Silic đioxit là một hợp chất hóa học còn có tên gọi khác là silica, là một oxit của silic có công thức hóa học là SiO2 và nó có độ cứng cao được biết đến từ thời cổ đại Phân tử SiO2 không tồn tại ở dạng đơn lẻ mà liên kết với nhau thành một phân

tử rất lớn Silic đioxit có hai dạng cấu trúc là tinh thể và vô định hình Trong tự nhiên nó tồn tại chủ yếu ở dạng tinh thể hoặc vi tinh thể (thạch anh, tridimit, cristobalit, đá mã não), đa số silica tổng hợp nhân tạo đều được tạo ra ở dạng bột hoặc dạng keo và có cấu trúc vô định hình Một số dạng silica có cấu trúc tinh thể

có thể được tạo ra ở áp suất và nhiệt độ cao như coesit và stishovit

1.2.2 Tính chất vật lý

SiO2 là chất rắn màu trắng, khó nóng chảy, khó sôi (SiO2 nguyên chất sôi ở

2590oC) khi làm nguội chậm khối nóng chảy ta thu được dạng vô định hình (dạng thủy tinh) là thủy tinh thạch anh Những đặc trưng của các dạng như sau

Thạch anh α (tam phương): d = 2,646; tcp ( thạch anh β) 573oC

Thạch anh β (lục phương): d = 2,533; tnc = 1550oC

Tridimit α (tứ phương): d = 2,265; tcp ( tridimit β) =163oC

Tridimit β (lục phương): d = 2,2192; tcp ( cristobalit β) = 1470oC

Cristobalit α (tứ phương): d = 2.334;

Cristobalit β (lập phương) d = 2.194; tnc = 1720oC

1.2.3 Tính chất hóa học

Dạng tinh thể ít có khả năng phản ứng, dạng vô định hình hoạt động hơn Rất

ít tan trong nước, khi kết tủa được dạng hidrat SiO2.nH2O từ dung dịch SiO2 thể hiện tính axit, phản ứng với kiềm trong dung dịch và khi nóng chảy, nó không phản ứng với oxy, clo và brom nhưng rất dễ bị flo hóa

SiO2 + 2F2  SiF4 + O2

SiO2 + 4HF  SiF4 + 2H2O

SiO2 + 2NaOH  Na2SiO3 + H2O

1.2.4 Ứng dụng

Với SiO2 tinh thể, được ứng dụng nhiều trong xây dựng, trong việc sản xuất các vật liệu gốm Thạch anh tinh khiết được dùng làm thấu kính hay lăng kính Cát thạch anh tinh khiết được dùng để điều chế thủy tinh, sứ

Người ta còn dùng SiO2 để làm chất chịu lửa gọi là dinat Dinat được điều chế bằng cách nung thạch anh nghiền nhỏ với 2 – 2,5% vôi ở 1700oC Gạch diant chỉ mềm ở 1700oC nên được dùng để lót lò mactin

Đối với silic đioxit vô định hình, là SiO2 tổng hợp được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Một trong những ứng dụng quan trọng nhất và cổ điển nhất là làm chất độn, chất tăng cường lực cho cao su: cao su tự nhiên, cao su butadiene – styrene và cao su lưu hóa Khi dùng SiO2 làm chất độn cho cao su để làm lốp ô tô thì có tác dụng tăng quãng đường chạy của lốp lên gấp hai lần Silica kết tủa được dung nhiều để làm chất độn trong cao su sản xuất đế giầy, vì nó có tác dụng làm cho

đế giày xốp, mềm, nhẹ và bền hơn Ứng dụng này sử dụng khoảng 40% silica kết tủa

SiO2 còn đóng vai trò như một chất mang vì nó có tính hút nước (khoảng 70% khối lượng), làm cho chất lỏng trở nên khô và có thể trộn với chất khác ở bất

kì tỉ lệ nào Do đó nó thường dùng làm chất mang của một số phụ gia trong thức ăn gia súc, thuốc bảo vệ thực vật

Ở Việt Nam, việc sử dụng SiO2 vẫn chủ yếu là dạng tinh thể trong công nghệ gốm sứ Việc sản xuất SiO2 làm phụ gia chưa được quan tâm nhiều, và mới chỉ ứng dụng để làm chất hút ẩm như silicagen

1.3 Vật liệu compozit

1.3.1 Khái niệm

Vật liệu compozit là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu Vật liệu compozit được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho compozit có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của compozit liên kết, làm việc hài hoà với nhau

1.3.2 Phân loại

Vật liệu compozit được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần

* Phân loại theo hình dạng:

+ Vật liệu compozit độn dạng sợi:

Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi đó là compozit độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho polyme nền

+ Vật liệu compozit độn dạng hạt:

Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các tiểu phân hạt độn phân tán vào polyme nền Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thước ưu tiên

* Phân loại theo bản chất, thành phần:

+ Compozit nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ (polyamit, kevlar…), sợi khoáng (thủy tinh, cacbon…), sợi kim loại (Bo, nhôm…)

+ Compozit nền kim loại: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…) cùng với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng (Si, C)…

+ Compozit nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…

1.3.3 Cấu tạo của vật liệu compozit:

1.3.3.1 Polyme nền:

Là chất kết dính, tạo môi trường phân tán, đóng vai trò truyền ứng suất sang độn khi có ngoại lực tác dụng lên vật liệu Có thể tạo thành từ một chất hoặc hỗn hợp nhiều chất được trộn lẫn một cách đồng nhất tạo thể liên tục Trong thực tế, người ta có thể sử dụng nhựa nhiệt rắn hay nhựa nhiệt dẻo làm polyme nền: + Nhựa nhiệt dẻo: PE, PS, ABS, PVC…độn được trộn với nhựa, gia công trên máy

ép phun ở trạng thái nóng chảy

+ Nhựa nhiệt rắn: PU, PP, UF, Epoxy, Polyeste không no, gia công dưới áp suất và nhiệt độ cao, riêng với epoxy và polyeste không no có thể tiến hành ở điều kiện thường, gia công bằng tay (hand lay-up method) Nhìn chung, nhựa nhiệt rắn

1.3.3.2 Chất độn (cốt):

Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì độn thường có tính chất cơ lý cao hơn nhựa Người ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:

+ Tính gia cường cơ học

+ Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ

+ Phân tán vào nhựa tốt

+ Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt

+ Thuận lợi cho quá trình gia công

+ Độn dạng hạt: thường được sử dụng là : silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, cao lanh, đất sét, bột talc, hay graphit, cacbon,… khả năng gia cường cơ tính của chất độn dạng hạt dược sử dụng với mục đích sau:

- Giảm giá thành

- Tăng thể tích cần thiết đối với độn trơ, tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy đối với độn tăng cường

- Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo bọt khí trong nhựa có độ nhớt cao

- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng rắn, che khuất sợi trong cấu tạo tăng cường sợi, giảm toả nhiệt khi đóng rắn Cốt sợi cũng có thể là sợi

tự nhiên (sợi đay, sợi gai, sợi lanh, xơ dừa, xơ tre, bông…), có thể là sợi nhân tạo (sợi thuỷ tinh, sợi vải, )

Ngoài ra còn có chất pha loãng, chất tách khuôn, chất làm kín và các phụ gia khác

1.3.4 Ứng dụng:

+ Thế giới:

Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu compozit đã được nhiều

nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến Việc nghiên cứu và áp dụng thành công vật liệu này đã được nhiều nước trên thế giới áp dụng Đại chiến thế giới thứ hai, nhiều nước đã sản xuất máy bay, tàu chiến và vũ khí phục vụ cho cuộc chiến này Cho đến nay thì vật liệu compozit polyme đã được sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện chế tạo ôtô; Dựa trên những ưu thế đặc biệt như giảm trọng lượng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu cho máy móc Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cuốn cánh máy bay, mũi máy bay và một số linh kiện, máy móc khác của các hãng như Boing 757, 676 Airbus 310… Trong ngành công nghiệp điện tử được sử dụng để sản xuất các chi tiết, các bảng mạch và các linh kiện Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô; các ngành dân dụng như y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ…, ngành thể thao, các đồ dùng thể thao như gậy golf, vợt tennis… và các ngành dân dụng, quốc kế dân sinh khác

+ Việt Nam:

Vật liệu compozit được áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân Tính riêng nhựa dùng để sản xất vật liệu compozit được tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm; tại Hà Nội đã có nhiều đề tài nghiên cứu về compozit cấp thành phố được tuyển trọn, theo đó vật liệu compozit được sử dụng nhiều trong đời sống xã hội Tại khoa răng của bệnh viện trung ương Quân đội 108

đã sử dụng vật liệu compozit vào trong việc ghép răng thưa, các ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, các giải phân cách đường giao thông, hệ thống tàu xuồng, hệ thống máng trượt, máng hứng và ghế ngồi, mái che của các nhà thi đấu, các sân vận động

và các trung tâm văn hoá…Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu compozit vào các lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Với mục đích đặt ra là nghiên cứu quá trình tách SiO2 từ nguồn cao lanh tự nhiên, đảm bảo đáp ứng yêu cầu chất lượng để ứng dụng làm chất độn cho vật liệu compozit, cần sử dụng một số phương pháp phân tích hàm lượng, cấu trúc của vật liệu như sau:

2.1 Các phương pháp phân tích

2.1.1 Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X (XRF):

Nguyên lý phát huỳnh quang tia X:

Cấu tạo của vật chất bao gồm nguyên tử, và khi vật thể đó bị bắn phá bởi chùm electron hoặc tia X thì tia X với bước sóng (năng lượng) xác định sẽ phát ra

từ vật thể Khi vật liệu bị bắn phá bởi chùm electron hoặc chùm tia X, thì nó sẽ phát

ra chùm tia X mới, đó là đặc tính của tia X Huỳnh quang tia X là 1 đặc tính của tia

X, được sinh ra do vật liệu bị bắn phá bởi tia X

Hình 2.1: Nguyên lý phát huỳnh quang tia X

Ứng dụng của quang phổ huỳnh quang tia X:

Như mô tả ở trên, tia X được phát ra do kết quả bắn phá vật thể (mẫu) của tia

X gọi là huỳnh quang tia X Do những huỳnh quang này có năng lượng (hay bước sóng) đặc trưng phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tố, do vậy những nguyên tố có thể được phát hiện nhờ việc đo năng lượng huỳnh quang (bước sóng) của chúng Do cường độ huỳnh quang tia X tỷ lệ với hàm lượng nguyên tố tương ứng, do vậy hàm