Đề cương môn công nghệ sản xuất chất màu

I.1Hiện tượng màu và đối tượng của KHMS• Chúng ta nhận biết được vật chất là do:+ vật chất phát ra nguồn bức xạ+ vật chất phản xạ ánh sáng chiếu vào• Hai thuộc tính cơ bản của vật chất mà mắtta có thể nhận biết:+ hình dạng của vật chất: đo ,thấy được+Màu sắc của vật chất: chỉ cảm nhậnI.1Hiện tượng màu và đối tượng của KHMS• Chúng ta nhận biết được vật chất là do:+ vật chất phát ra nguồn bức xạ+ vật chất phản xạ ánh sáng chiếu vào• Hai thuộc tính cơ bản của vật chất mà mắtta có thể nhận biết:+ hình dạng của vật chất: đo ,thấy được+Màu sắc của vật chất: chỉ cảm nhận

Đề cương môn CNSXCM Vô cơ

Phần 1: đại cương về màu sắc và chất màu

Chương I: mở đầu

Chương 2: Đại cương về lý thuyết màu sắc

Chương 3: các hệ thống so sánh màu sắc

Phần 2: sản xuất pigment vô cơ

Chương 4:các phương pháp sản xuất pigment vô cơ Chương 5: kỹ thuật sản xuất TiO2 từ ilmenit

Chương 6: kỹ thuật sản xuất Cr2O3 từ quặng cromit Chương 7:kỹ thuật sản xuất một số pigment vô cơ

Tài liệu tham khảo

1/Giáo trình “CNSXCMVC” trường ĐHBKtpHCM

2/Gunter buxbaum “Industrial inorganide pigments”

Federal republic of germany 1998 3/American society for testing and material

Paints pigment,resins and polymers 4/M.E ПOЗИН “Texнoлoгия минеральных coлeй”

5/Giáo trình “lý thuyết màu sắc” trường ĐHBK Hà nội 6/G.N phadeev “ Hóa học và màu sắc”

NXB khoa học kỹ thuật 1985 7/Nguyễn đình Soa: “Hóa vô cơ” trường ĐHBKtpHCM

Phần 1: Đại cương về màu sắc và chất màu

chương 1: Mở đầu

• I.1-Hiện tượng màu và đối tượng của KHMS

• Chúng ta nhận biết được vật chất là do:

+ vật chất phát ra nguồn bức xạ+ vật chất phản xạ ánh sáng chiếu vào

• Hai thuộc tính cơ bản của vật chất mà mắt

ta có thể nhận biết:

+ hình dạng của vật chất: đo ,thấy được

+Màu sắc của vật chất: chỉ cảm nhận

1-Hiện tượng màu

+ sự phân bố năng lượng theo λ

►xác định bởi phương pháp khách quan và biểu thị bởi các đơn vị đo vật lý

►đối tượng của môn tâm lý màu phức tạp

I.2/sơ lược lịch sử phát triển khoa học màu sắc

• Gần 4000 năm trước người Ai cập đã sử dụng chất màu, nhưng họ cho rằng màu là sự kết hợp sáng-tối

• Thế kỷ XV-XVI một số nhà bác học như Decac,Huck và Kiple mới nêu các giả thuyết gắn liền màu sắc với ánh sáng nhưng chưa đề cập tới vai trò của cơ quan thị giác

• Thế kỷ XVII ,Newton nghiên cứu về ánh sáng và phân tích phổ của

nó ,đã cho rằng màu sắc của vật được tạo bởi quá trình vật lý (khách quan) và phần cảm nhận (chủ quan)

• Thế kỷ XIX, Thomas young đã giải thích được sự thụ cảm màu của

cơ quan thị giác Màu sắc mà ta cảm nhận là kết quả của sự kết hợp các kích thích R-G-B ở cơ quan này Sự khác biệt về chất và lượng của các kích thích trên tạo khác biệt về màu sắc của thế giới vật chất

• Thế kỷ XX ,CIE công nhận các nghiên cứu của V.Vrai và J>Ghin về màu sắc của thế giới vật chất,

I.3.Định nghĩa-tiêu chuẩn đánh giá chất màu

I.3.1.định nghĩa

• Chất màu (pigment) có gốc từ tiếng latin “pigmentum” có nghĩa nguyên thủy là “màu sắc trong”

• Cuối đời Trung đại từ pigment để chỉ tất cả các tinh chất chiết ra

từ các loại cây dùng để nhuộm màu

• Sau này pigment là tên gọi tất cả những chất dạng hạt nhỏ không tan trong dung môi và có khả năng tạo màu, bảo vệ hay có từ

I.3.2 tiêu chuẩn

• Để đánh giá chất lượng pigment thường dựa vào các tiêu chí: +Thành phần hóa học

+Các tính chất quang học

+Khả năng phân tán

+Khả năng che phủ, bảo vệ

+Các đặc tính về màu sắc ( tông màu, cường độ màu,…)

+Các đặc tính lý hóa như tỷ trọng ,kích thước hạt,…

• thực tế trong chất màu ngoài chất chính là pigment còn có mặt các chất khác gọi chung là phụ gia (extender) hay chất độn chúng có màu trắng hay màu rất nhạt, dạng bột, không tan

I.4.lịch sử phát triển ngành sản xuất chất màu

• Từ thời tiền sử con người đã biết dùng chất màu có sẵn trong tự nhiên

• Khoảng 4000 năm trước con người đã biết khai thác,

xử lý , phối trộn các chất màu có sẵn trong tự nhiên , tinh lọc khoáng chất và chiết từ trong cây, cỏ

• Thế kỷ XVIII ra đời và phát triển ngành sản xuất pig qui mô công nghiệp với các sản phẩm như xanh berlin, crom vàng ,…

• Hiện nay ngành công nghiệp sản xuất pig phát triển rất mạnh cả chiều rộng và chiều sâu ( đa dạng , sản lượng , qui mô sản xuất ,…)

I.5.khái quát về lựa chọn và phân loại pigment

I.5.1 lựa chọn pigment

• Việc lựa chọn pigment phải căn cứ vào các đặc tính màu như tông màu , cường độ màu , độ phủ, khả

năng tán xạ, phản xạ ,… ngoài ra còn phải căn cứ

vào:

+Các tính chất lý hóa cơ bản: thành phần hóa, %ẩm,… +Các đặc tính cơ học:độ bền (tính cả bền ánh sáng,thời tiết,…), độ cứng ,…

+Khả năng liên kết ,phân tán trong môi trường,…

+Lĩnh vực ứng dụng : Sơn , chất dẻo ,vật liệu,…

I.5.2 phân loại pigment ( pig)

Pig trắng Do tán xạ as không chọn lọc

Pig màu Do hấp thụ và tán xạ as có chọn lọc

Pig đen Do hấp thụ as không chọn lọc

Pig hiệu ứng kl Do phản xạ as đều hay giao thoa as

Pig màu xà cừ Do phản xạ đều trên các lớp hạt pig

Pig giao thoa Do giao thoa as

Pig phát quang Do e* phát xạ, as phát ra có λ dài, t ngắn Pig huỳnh quang Do e * phát xạ, as phát ra có λ dài

Pig lân quang Do e* phát xạ, as phát ra có λ dài, t dài

I.6 những tính chất hóa lý của pigment vô cơ

I.6.1 Thành phần của pigment vô cơ

1/ pigment một thành phần : thường chứa một chất duy nhất nên có sự đồng nhất và tính chất khá ổn định

2/ pigment hỗn hợp: thực tế pigment thường có nhiều thành phần nhằm cải thiện tính chất,giảm giá thành và tăng hiệu quả sử dụng Tùy vai trò của các thành phần có trong

pigment có thể phân thành pigment hỗn hợp(có ≥ hai chất

và thường đồng nhất về d), pigment nền(hay lõi ) có một pigment (hay extender) làm nền và được phủ các pigment khác lên trên bề mặt nền ( loại này thường không cùng d và không đồng nhất giữa nền và chất phủ )

I.6.2 phân tích các tính chất của pigment

2/bảng 1.3 định nghĩa về các loại hạt

Hạt Đơn vị cơ bản của pigment,có thể có bất kỳ hình

dạng hay cấu trúc nào Hạt cơ bản Là hạt có thể xác định bởi các phương pháp vật

lý phù hợp,ví dụ soi kính hiển vi aggregate Gồm các hạt cơ bản nằm gần nhau thẳng hàng,

S mặt phẳng tổng cộng < ∑ S của các hạt agglomerate Gồm các hạt cơ bản liên kết dạng góc, cạnh và

cả dạng aggregate S mặt phẳng ≈ ∑S các hạt flocculate Là các agglomerate tồn tại thể huyền phù

3/bảng 1.4:khái niệm về kích thước hạt- sự phân

bố kích thước hạt

Kích thước hạt d giá trị hình học mô tả trạng thái không gian

D hiệu dụng Deff D của hạt cầu hay d đặc trưng một loại hạt

D tương đương Đường kính hạt qui ra dạng cầu

S bề mặt sT Gồm S bề mặt trong và S bề mặt ngoài

Thể tích hạt VT Gồm V thực (không tính lỗ) và V khả kiến

sự phân bố d Biểu đồ thống kê % các kích thước hạt

I.6.3 các phương pháp xác định tính chất

1/ cách lấy mẫu:

a/điều kiện khí hậu chuẩn:t 0 =230 ,độ ẩm tương đối 50% b/ cách lấy mẫu: mẫu lấy phân tích phải đại diện cho toàn bộ sản phẩm ( xem cách trộn và lấy mẫu trong hóa phân tích )

c/ lượng và số lượng mẫu đem phân tích phải đủ nhiều

để giảm sai số tương đối và mang tính đại diện cao

đem trung hòa bởi axit hay ba zơ

e- Xác định gốc sulfat, clorua ,… dùng phép phân tích phù hợp

f – Xác định khối lượng riêng:

→Tùy theo mục đích ,lĩnh vực ứng dụng,…cần dựa trên các tiêu chuẩn chất lượng

cụ thể đề xác định , ví dụ TCVN, tiêu chuẩn izo ,tiêu chuẩn ngành,…

3/ xác định kích thước và phân bố kích thước hạt

• Có nhiều phương pháp như:

+ đếm hạt bằng kính hiển vi điện tử

+ phân tích các chất lắng

+ sàng khô hay sàng ướt,…

• tùy theo mục đích có thể lựa chọn phương pháp thích hợp.với mỗi phương pháp sẽ có độ chính xác tùy theo tính chất của pigment ,trạng thái , dụng cụ sử dụng ,…

Kích thước hạt….

a)Đếm hạt bằng kính hiển vi: phân tán đều hạt( có thể dùng dung môi trơ) trên tấm kính và dùng kính hiển

vi đếm hạt ( 2500-10000 hạt) Cách này có thể xác định hình dạng ,phân biệt hạt cơ bản hay hạt kết tụ

b)Phân tích chất lắng: đo tốc độ di chuyển của hạt trong môi trường thích hợp ( nhờ lực ly tâm hay trọng lực)

Có 2 cách: +cho các hạt phân bố đều (thể huyền phù)

+ để huyền phù phía trên lớp dung môi trơ

►dựa vào tốc độ di chuyển (lắng) của hạt để tính d

►không đo chính xác d nếu hệ gồm nhiều loại hạt có d

≠ nên chỉ thích hợp khi xác định sự phân bố hạt

Kích thước hạt

c) phân tích bằng sàng : ( sàng khô hay sàng ướt )

Phương pháp này nhanh,đơn giản nhưng không đo được kích thước hạt mà chỉ xác định % phân bố hạt (khi sử dụng bộ sàng nhiều kích cỡ lỗ ) và tính đường kính trung bình

d)Ngoài ra có thể dùng nhiều phương pháp khác như

phương pháp quang ,phương pháp đo các đại lương vật lý như độ dẫn diện ,….

4/ xác định diện tích bề mặt

diện tích bề mặt riêng là diện tích của một đơn vị khối lượng chất rắn là đại lượng quan trọng vì nó đánh giá khả năng tương tác-hấp phụ của pigment

+phương pháp hấp phụ khí brunauer emmett teller (BET):

dùng cho hạt không tương tác hóa học với khí sử dụng

và các hạt nonmicroporous (không có vi mao quản)

+phương pháp hấp thụ khí carman: cho khí hay lỏng chảy

qua lớp vật liệu xốp ( ở điều kiện P cao hay chân không)

và đo độ giảm áp hay vân tốc chảy

5/ xác định độ phủ,độ phân tán,…

• Độ phủ (g/m 2 hay m2/g) đánh giá khả năng che phủ của pigment độ phủ càng lớn chất lượng pigment càng cao Xác định bằng cách tính lượng pigment cần dùng

để che phủ hoàn một đơn vị diện tích bề mặt

• Độ phân tán (trong nước, dầu,…)

Ngoài các đại lượng kể trên, tùy thuộc lĩnh vực sử dụng

và tiêu chuẩn chất lượng qui định cần xác định thêm các tính chất khác như độ cứng , độ bền nhiệt,…

6/ xác định tính chất màu của pigment

• Dựa trên các hệ thống so màu hay đo màu để xác

định các tính chất màu của pigment như xác định

tông màu , độ sáng , độ trắng , độ chênh màu ,…

Chương II.Đại cương về lý thuyết màu sắc

II.1/Ánh sáng và màu sắc : “ánh sáng là nguồn gốc của màu sắc –không có ánh sáng sẽ không có màu sắc”

II.1.1/Bản chất của ánh sáng:

• Ánh sáng là bức xạ điện từ ,đặc trưng bởi hai đại lượng : + độ dài sóng λ (nm)

+ tần số υ ( s -1 ; Hz ) Mối liên hệ : υ = c / λ ; với c= 3.10 8 m/s

• Ánh sáng có cả tính chất sóng và tính chất hạt

• Hai hiện tượng đặc trưng : nhiễu xạ và giao thoa

Bản chất của ánh sáng

b/ lý thuyết hạt:năm 1900 Max Planck đề ra thuyết

lượng tử năng lượng và năm 1908 Anhxtanh đề ra

thuyết photon coi ánh sáng cấu thành từ các hạt giống nhau gọi là lượng tử ánh sáng hay photon

• Với bức xạ điện từ đơn sắc có bước sóng λ ,tần số υ

II.1.2/ các đại lượng đo bức xạ1/ đối với nguồn điểm:

a/ thông lượng bức xạ: đo khả năng bức xạ của nguồn “ thông lượng bức xạ toàn phần là toàn

bộ năng lượng của nguồn phát ra theo mọi

phương trong một đơn vị thời gian”

W = A / t , j/s , erg/s , w+A là năng lượng bức xạ : j ; erg , (1j=107 erg)+t là thời gian , s

Nếu tính trên diện tích ds ta có thông lượng bức

xạ gửi tới bề mặt ds là : dw = dA / t

Các đại lượng đo bức xạ

Các đại lượng đo bức xạ2/ đối với nguồn khối bức xạ :

a/ độ trưng bức xạ: Re ( w/m2 , J / s.m2 )

• Re là khả năng bức xạ của một đơn vị diện tích xác định trên bề mặt nguồn phát ra

Re=dw / dσ+ dσ là phần diện tích bề mặt nguồn , m2+ dw là thông lượng bức xạ phát ra từ dσ

Các đại lượng đo bức xạb/ độ chói bức xạ: Be ( w/ sr m2 )

+a0-a0 nguồn khối

+N-M phương phát xạ

+dσ phần diện tích trên a0-a0

+dIe cường độ bức xạ của dσ

+dσa hình chiếu của dσ trên phương N-M

Các đại lượng đo bức xạ

c/ độ rọi năng lượng : Ee ( w/m2 )

“ Ee là đại lượng vật lý có trị số bằng thông

lượng bức xạ dw gửi tới diện tích của mặt ds”

Ee = dw / ds

II.1.3 -qui luật tương tác giữa ánh sáng-vật chất

1/ hiện tượng phản xạ-tán xạ-khúc xạ: xảy ra khi chiếu các tia bức xạ vào vật chất có đặc tính :

Hiện tượng phản xạ-tán xạ

• Khi một vật có khả năng phát,tán xạ ►nguồn thứ cấp ( ng lý huyghens )

ρ = dw , / dw +Độ rọi của mặt : Ee = dw / ds

+Độ trưng phát sáng của vật: Re, = dw, / ds

► ρ = Re, / Ee hay Re, = ρ Ee+Khi ρ ≈ 1 : phản xạ toàn bộ ► vật màu trắng + Khi ρ << 1: hấp thụ hoàn toàn ►vật màu đen +khi 1 > ρ > 0 : hấp thụ chọn lọc ► vật có màu

II.1.4 –quang phổ-phân loại-màu sắc

+ bức xạ gồm một hay nhiều bức xạ đơn sắc Kết quả của quá trình phân tách bức xạ tự nhiên ra các bức xạ đơn sắc là quang phổ.các λ ≠ phân bố theo chiều dài của phổ dạng x=f (λ)

•đối với thiết bị cách tử: quan hệ trên tuyến tín

•đối với lăng kính : λ ngắn phân tán nhiều hơn

+đa số bức xạ phổ phức tạp,màu= f (thànhphần)

+phổ vùng khả kiến của ánh sáng

Màu : đỏ … cam… vàng……lục … lam……tím… Λ,nm:700 614 597 582 514 476 400

Nguồn bức xạ

• Các nguồn sáng ≠ sẽ có phổ ≠ và khi chúng tác động vào cùng một vật có thể cho màu sắc ≠

• Để đánh giá thành phần phổ của nguồn có thể dựa vào khái niệm “nhiệt độ màu T0

4/ thủy tinh dịch ( 99% H2O + anbumin )

Tại võng mạc có các tế bào thụ cảm dạng que (1,2.10 8 tế bào) và dạng nụ hay dạng nón ( 7.10 6 tế bào )

b/ sự điều tiết của mắt

• Những lượng tử ánh sáng có λ ≠ sẽ bị hấp thụ với các mức độ ≠ Trong đó tế bào que có độ

nhạy phổ như nhau nên không phân biệt màu

mà chỉ phân biệt mức độ chiếu sáng

Phổ hấp thụ tế bào nụ

II.2.2-các đại lượng trắc quang

• Các đại lượng đo bức xạ : đặc trưng cho nguồn

• đại lương trắc quang :liên quan người quan sát

• Thực tế chỉ ≈ 60% thông lượng bức xạ (w) gây cảm giác sáng cho mắt ( riêng màu lục 100%)

►đưa ra các đại lượng trắc quang dựa trên các đại lượng đo bức xạ

1/ quang thông ( lumen –lm)

• Là đại lượng vật lý đặc trưng cho phần năng lượng gây ra cảm giác sáng

a/ quang thông toàn phần (Ф): Ф của nguồn là phần năng lượng gây ra cảm giác sáng phát ra theo mọi phương trong một đơn vị thời gian

2/ Cường độ sáng I (candela-Cd )

• I của nguồn phát ra theo một phương là đại lượng vật lý có trị

số bằng Ф gửi trong một dΩ

I = dФ / dΩ , (Cd )

“Cd là cường độ sáng đo theo phương vuông góc của vật bức xạ

có diện tích bằng 6.10 -5 m 2 với bức xạ như một vật bức xạ toàn phần ở t 0 đông đặc của Platin dưới áp suất 101325 N/m 2 ”

• Nếu I đẳng hướng : I = dФ / dΩ ►dФ=I.dΩ khi lấy ∫ cầu và đơn giản ta có Ф = 4.π.I

• Vậy 1 lumen = 1 candela 1 steradian

“lumen là Ф của nguồn điểm,đẳng hướng có cường độ 1 Cd gửi

đi trong 1 steradian”

3/ độ trưng R ( lm / m2 )

• R là đại lượng đặc trưng cho khả năng phát sáng của nguồn khối - nó là quang thông toàn phần do phần diện tích dσ của nguồn phát ra

R = dФ / dσ , lm / m2

4/ độ chói B , nit ( nt )

B đặc trưng cho sự phát sáng theo từng phương của nguồn khối Vậy B thay đổi theo phương chiếu (góc φ) Nếu B không phụ thuộc phương chiếu ► nguồn đó được gọi là nguồn lambe

“ lux là độ rọi của một mặt có diện tích 1 m2

nhận được quang thông 1 lumen gửi tới”

6/ độ chói của bề mặt được chiếu ; Гα

• Tùy thuộc : + cường độ nguồn chiếu I

+ tính chất của bề mặt được chiếu

• Hệ số chói Гα luôn < độ chói của nguồn B

Гα = Bα / Blt+Bα :độ chói bề mặt được chiếu theo hướng góc α +Blt : độ chói của bề mặt tán xạ lý tưởng Thực tế không có Blt Có thể coi bề mặt của MgCO3 ( có Г = 0,96-0,99) hay MgSO4 ( 0,95-0,97) là Blt

Do Blt = E /π ► Bα = Гα E / π

• Đối với ánh sáng đơn sắc : Гα,λi = Bα,λi / Blt

II.3.tâm sinh lý học ý niệm màu sắc

II.3.1 phân loại màu sắc

1/màu quang phổ (màu đơn sắc): thu được khi

phân tích bức xạ theo λ Các bức xạ vùng khả

kiến gồm các bức xạ đơn sắc 400 ≤ λ ≤ 700nm2/màu vô sắc: đặc trưng bằng I như nhau của các λnên không có λ trội Ví dụ màu đen ,trắng,…

3/màu hữu sắc: đăc trưng bởi các λ có I ≠ Màu

tùy thuộc λi có tỷ lệ max Màu hữu sắc bao gồm màu đơn sắc và màu đa sắc

II.3.2 các đại lượng đặc trưng của màu

*Khi căn cứ vào 3 thông số vật lý quan trọng của ánh

sáng : cường độ, độ dài sóng và phân bố năng lượng phổ có thể coi màu hữu sắc có 3 cặp thành phần đặc trưng chúng gắn chặt với nhau và hỗ trợ nhau để biểu thi cho sự đa dạng về màu sắc của vật chất

+ tông màu( khách quan) ↔ sắc màu (chủ quan)

+ độ thuần sắc( khách ) ↔ độ bão hòa ( chủ )

+ độ chói ( khách ) ↔ độ sáng ( chủ )

*các đặc trưng chủ quan gắn chặt với tâm sinh lý người