Nghiên cứu tổng hợp gốm monticelite cao mgo sio2 và ảnh hưởng của oxit fe2o3 cr2o3 đến cấu trúc và tính chất của gốm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THU HIỀN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP GỐM MONTICELITE CaO.MgO.SiO2 VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA OXIT Fe2O3, Cr2O3 ĐẾN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA GỐM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI, 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THU HIỀN NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP GỐM MONTICELITE CaO.MgO.SiO2 VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA OXIT Fe2O3, Cr2O3 ĐẾN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA GỐM Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 60 44 25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nghiêm Xuân Thung Hà Nội, 2011 Luận văn tốt nghiệp mơn Hố học vô MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU Chƣơng 1- TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU GỐM 1.1.1 Vật liệu gốm 1.1.2 Các phƣơng pháp tổng hợp gốm 1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ BẬC BA CaO-MgO-SiO2 1.2.1 Khái quát oxit hệ CaO-MgO-SiO2 .5 1.2.2 Khái quát oxit Fe2O3, Cr2O3 1.2.3 Giới thiệu talc 1.2.3.1 Nguồn gốc hình thành talc 1.2.3.2 Thành phần hóa học thành phần khoáng talc .8 1.2.3.3 Cấu trúc talc 1.2.3.4 Tính chất talc .10 1.2.3.5 Ứng dụng talc 11 1.2.4 Khái quát gốm hệ CaO- MgO-SiO2 11 1.3 GIỚI THIỆU VỀ GỐM MONTICELITE 13 1.3.1 Cấu trúc Monticelite .13 1.3.2 Tính chất gốm Monticelite .14 1.3.3 Ứng dụng gốm Monticelite 14 1.4 GIỚI THIỆU PHẢN ỨNG GIỮA PHA RẮN 15 1.4.1 Cơ chế phản ứng pha rắn 15 1.4.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến phản ứng pha rắn .15 1.4.3 Phản ứng phân hủy nhiệt nội phân tử 16 Chƣơng THỰC NGHIỆM 17 2.1 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN 17 2.1.1 Mục tiêu luận văn 17 2.1.2 Các nội dung nghiên cứu luận văn 17 2.2 DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT 17 2.2.1 Hóa chất 17 2.2.2 Dụng cụ 17 Nguyễn Thu Hiền Lớp cao học K20 Luận văn tốt nghiệp mơn Hố học vô 2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18 2.3.1 Phƣơng pháp phân tích nhiệt .18 2.3.2 Phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ tia X 19 2.3.3 Hình ảnh quét kính hiển vi điện tử SEM 20 2.3.4 Phƣơng pháp xác định tính chất vật lí 21 2.4 THỰC NGHIỆM 25 2.4.1 Chuẩn bị mẫu 25 2.4.2 Cách làm 25 2.4.3 Phân tích nhiệt mẫu nghiên cứu .26 2.4.4 Khảo sát ảnh hƣởng Crom (III) oxit , Sắt (III) oxit đến hình thành Monticelite 26 2.4.5 Khảo sát xây dựng quy trình điều chế gốm monticelite 28 Chƣơng - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30 3.1 Kết phân tích nhiệt mẫu nghiên cứu 30 3.1.1 Kết phân tích nhiệt mẫu M1 (talc, MgO, canxi cacbonat) .30 3.1.2 Kết phân tích nhiệt mẫu M2 (talc, MgO, CaCO3, Cr2O3) 31 3.1.3 Kết phân tích nhiệt mẫu M7 (talc, MgO, CaCO3, Fe2O3) 32 3.2 Ảnh hƣởng hàm lƣợng crom(III) oxit , sắt(III) oxit đến hình thành Monticelite tính chất gốm 33 3.2.1 Kết phân tích nhiễu xạ tia X ( X- Ray) 33 3.2.2 Kết ảnh SEM 37 3.2.3 Ảnh hƣởng crom (III) oxit sắt (III) oxit đến tính chất vật liệu 39 3.2.3.2 Độ hút nƣớc 41 3.2.3.4 Cƣờng độ kháng nén 44 3.3 Xây dựng quy trình điều chế gốm Monticelite 46 3.3.1 Ảnh hƣởng nhiệt độ nung đến trình hình thành Monticelite 3.3.2 Xác định tính chất vật liệu 51 3.3.3 Quy trình điều chế gốm Monticelite .53 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 Nguyễn Thu Hiền Lớp cao học K20 Luận văn tốt nghiệp mơn Hố học vơ DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thông số cấu trúc talc 10 Bảng 1.2 Tiêu chuẩn chất lượng khoáng talc theo ISO (ISO 3262) [29] 11 Bảng 1.3 : Tính chất Monticelite……………………………………………………….14 Bảng 2.1: Thành phần khoáng mẫu 25 Bảng 3.1 Các pic đặc trưng pha tinh thể 34 Bảng 3.2 Kết xác định độ co ngót mẫu với hàm lượng crom (III) oxit khác 39 Bảng 3.3 Kết xác định độ co ngót mẫu với hàm lượng sắt (III) oxit 40 khác 40 Bảng 3.4 Kết đo độ hút nước mẫu với hàm lượng Cr2O3 khác 41 Bảng 3.5 Kết đo độ hút nước mẫu với hàm lượng Fe2O3 khác 42 Bảng 3.6 Độ xốp khối lượng riêng mẫu với hàm lượng crom (III) oxit khác nung 12000C 1h 43 Bảng 3.7 Độ xốp khối lượng riêng mẫu với hàm lượng sắt (III) oxit khác nung 12000C 1h 43 Bảng 3.8 Kết đo cường độ nén 44 Bảng 3.9 Hệ số giãn nở nhiệt mẫu 45 Bảng 3.10 Độ bền sốc nhiệt mẫu 45 Bảng 3.11 Độ chịu lửa mẫu 45 Bảng 3.12.Cường độ pic đặc trưng pha tinh thể phụ thuộc vào nhiệt độ nung 49 Bảng 3.13 Các tính chất vật lý mẫu nhiệt độ nung khác 51 Bảng 3.14 Các tính chất mẫu M11- 12000C 52 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phương pháp gốm truyền thống để sản xuất vật liệu gốm Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể talc Hình 1.3 Hệ bậc ba CaO – MgO – SiO2 12 Nguyễn Thu Hiền Lớp cao học K20 Luận văn tốt nghiệp mơn Hố học vơ Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị phân tích nhiệt 19 Hình 2.2 Nhiễu xạ tia X theo mơ hình Bragg 20 Hình 2.3 Sơ đồ khối phận kính hiển vi điện tử quét 21 Hình 2.4 Mơ hình thiết bị đo cường độ kháng nén 23 Hình 3.1 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp 30 Hình 3.2 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp 31 Hình 3.3 Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp 32 Hình 3.4.Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ pha Monticelite vào hàm lượng crom (III) oxit 35 Hình 3.5.Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ pha Monticelite vào hàm lượng sắt (III) oxit 36 Hình 3.6 Ảnh SEM mẫu M3 37 Hình 3.7 Ảnh SEM mẫu M6 38 Hình 3.8.Ảnh SEM mẫu M7 .38 Hình 3.9.Ảnh SEM mẫu 11 39 Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn độ co ngót mẫu với hàm lượng Cr2O3 khác 40 Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn độ co ngót mẫu với hàm lượngFe2O3 khác 41 Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn độ hút nước phụ thuộc vào hàm lượng Cr2O3 42 Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn độ hút nước phụ thuộc vào hàm lượng Fe2O3 43 Hình 3.14 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu T- 1050 47 Hình 3.15 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu T- 1100………………………………… 47 Hình 3.16.Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu T- 1150 48 Hình 3.17 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu T- 1200………………………………… 48 Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc cường độ pha Monticelite vào nhiệt độ 50 Hình 3.19.Ảnh SEM mẫu M 11 .50 Nguyễn Thu Hiền Lớp cao học K20 Luận văn tốt nghiệp mơn Hố học vơ MỞ ĐẦU Công nghiệp gốm sứ ngành cổ truyền phát triển sớm Từ 9000 năm trước công nguyên vật liệu gốm người biết đến sử dụng Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật, vật liệu gốm ngày sử dụng rộng rãi, đặc biệt đời nhiều loại gốm với nhiều đặc tính ưu việt trở thành đề tài nhiều nhà khoa học giới nước quan tâm nghiên cứu Gốm Monticelite (CaO.MgO.SiO2) [15,19,25] loại gốm có nhiều tính chất vượt trội: có độ bền học cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, không phản ứng với axit, bazơ, với tác nhân oxi hóa, có hoạt tính sinh học, khơng có tính độc với phát triển tế bào…Với đặc tính nên gốm Monticelite sử dụng nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau: công nghệ xây dựng, công nghệ điện, điện tử, sinh học… Do vậy, việc nghiên cứu tổng hợp gốm Monticelite góp phần vào phát triển ngành công nghệ vật liệu gốm Hiện có nhiều phương pháp tổng hợp gốm Monticelite tác giả [ 10,12,13] nghiên cứu: Phương pháp truyền thống, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp khuếch tán pha rắn vào pha lỏng…Trong đó, phương pháp gốm truyền thống có nhiều ưu điểm cách phối trộn nguyên liệu ban đầu dẫn đến đồng cao sản phẩm Không thế, xu nay, người ta tổng hợp gốm Monticelite từ khống chất có sẵn tự nhiên [23,28] như: đá vơi, khống talc, thạch anh…để thu Monticelite có giá thành rẻ mà giữ đặc tính quan trọng Với mục đích sử dụng nguồn nguyên liệu khống sản sẵn có Việt Nam để sản xuất vật liệu gốm phục vụ cho phát triển kinh tế đất nước, chọn đề tài cho luận văn : “Nghiên cứu tổng hợp gốm Monticelite CaO.MgO.SiO2 ảnh hƣởng oxit Fe2O3, Cr2O3 đến cấu trúc tính chất gốm ” Nguyễn Thu Hiền Lớp cao học K20 Luận văn tốt nghiệp mơn Hố học vơ Chƣơng 1- TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU GỐM 1.1.1 Vật liệu gốm [10] Gốm loại vật liệu có cấu trúc tinh thể bao gồm hợp chất kim loại kim như: kim loại với oxi (các oxit), kim loại với nitơ (các nitrua), kim loại với cacbon (các cacbua), kim loại với silic (các silixua), kim loại với lưu huỳnh (các sunfua)… Liên kết chủ yếu vật liệu gốm liên kết ion, nhiên có trường hợp liên kết cộng hóa trị đóng vai trị Vật liệu gốm có nhiều đặc tính q cơ, nhiệt, điện, từ, quang… đóng vai trị quan trọng hầu hết ngành cơng nghiệp Về đặc tính cơ, vật liệu gốm có độ rắn cao nên dùng làm vật liệu mài, vật liệu giá đỡ… Về đặc tính nhiệt, vật liệu gốm có nhiệt độ nóng chảy cao, đặc biệt hệ số giãn nở nhiệt thấp nên dùng làm thiết bị địi hỏi có độ bền nhiệt, chịu xung nhiệt lớn (lót lị, bọc tàu vũ trụ…) Về đặc tính điện, độ dẫn điện vật liệu gốm thay đổi phạm vi rộng từ 10 -1.cm-1 đến 10-12 -1.cm-1 Có loại vật liệu gốm phần tử dẫn điện electron kim loại, có loại vật liệu gốm ion đóng vai trị phần tử dẫn điện Do ta tổng hợp nhiều loại vật liệu gốm kĩ thuật khác gốm cách điện, gốm bán dẫn, gốm siêu dẫn điện… Đặc tính từ vật liệu gốm đa dạng Ta tổng hợp gốm nghịch từ, gốm thuận từ, gốm sắt từ, gốm phản sắt từ với độ từ cảm thay đổi từ đến 10 phụ thuộc đa dạng vào nhiệt độ từ trường Về đặc tính quang, ta tổng hợp loại vật liệu có tính chất quang học khác vật liệu phát quang tác dụng dòng điện (chất điện phát quang), vật liệu phát quang tác dụng ánh sáng (chất lân quang) loại gốm sử dụng thiết bị phát tia laze Nguyễn Thu Hiền Lớp cao học K20 Luận văn tốt nghiệp mơn Hố học vơ Vật liệu gốm góp phần đặc biệt quan trọng phát triển ngành khoa học kỹ thuật công nghiệp cuối kỉ XX công nghệ vật liệu xây dựng, công nghệ chế tạo máy, giao thông vận tải, công nghệ thông tin, kỹ thuật điện, từ, quang, công nghệ chinh phục vũ trụ… 1.1.2 Các phƣơng pháp tổng hợp gốm [10] 1.1.2.1 Phƣơng pháp sol-gel Ƣu điểm : - Có thể tổng hợp gốm dạng bột với cấp hạt cỡ micromet, nanomet - Có thể tổng hợp gốm dạng màng mỏng, dạng sợi đường kính