Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá tính chất vật liệu gốm diopside CaO.MgO.2SiO2
MỤC LỤC
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU GỐM 1. Vật liệu gốm [10]
Các phương pháp tổng hợp gốm [10]
Phương pháp này cũng mắc phải một số khó khăn đó là chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như thành phần nguyên liệu ban đầu, cách thức thực hiện quá trình thủy phân các hợp chất của Si, Ca và Al rất nhạy cảm với những thay đổi (xúc tác axit-. bazơ, sử dụng nhiệt duy trì trong quá trình thủy phân, thời gian thủy phân,chất phân tán, chất chống keo tụ..). Khi đó, các hạt pha kết tủa sẽ bám xung quanh hạt pha rắn ban đầu, làm cho mức độ phân bố của chúng đồng đều hơn, tăng diện tích tiếp xúc cũng như tăng hoạt tính của các chất tham gia phản ứng, do đó làm giảm nhiệt độ phản ứng xuống thấp hơn nhiều so với phương pháp gốm truyền thống.
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ BẬC BA CaO-MgO-SiO 2
Khái quát về các oxit trong hệ CaO.MgO.SiO 2
Phản ứng giữa các pha rắn không thể thực hiện hoàn toàn, nghĩa là sản phẩm vẫn còn có mặt chất ban đầu chưa phản ứng hết nên thường phải tiến hành nghiền trộn lại rồi ép viên, nung lại lần hai. Thạch anh nóng chảy ở 1600-16700C nhiệt độ nóng chảy của nó không thể xác định chính xác được vì sự biến hóa một phần sang những dạng đa hình khác với tỉ lệ khác nhau tùy theo điều kiện bên ngoài.
Khái quát về gốm hệ CaO. MgO.SiO 2 [19]
Nhưng nhiệt độ chuyển pha này được nâng lên bằng cách thêm vào chất hòa tan và đạt cực đại 13430C với dãy diopside và 13650C với dãy 2CaO.MgO.2SiO2. + Dung dịch rắn pyroxen tạo thành một chuỗi liên tục với các phần cuối cùng, diopside (CaO.MgO.2SiO2) và clino - enstatite (MgO.SiO2), tất cả xảy ra như là pha chính.
GIỚI THIỆU VỀ GỐM DIOPSIDE 1. Cấu trúc của Diopside [3, 31]
Tính chất của gốm Diopside [33]
Diopside công thức hóa học CaMgSi2O6 thường tồn tại ở dạng đá quý trong như pha lê. Gốm diopside có đặc tính bền nhiệt, bền cơ, bền với môi trường oxy hóa - khử, bền với axit, kiềm, tính chất cách điện tốt, có hoạt tính sinh học ….
Ứng dụng của gốm Diopside
GIỚI THIỆU PHẢN ỨNG GIỮA PHA RẮN 1. Cơ chế phản ứng giữa các pha rắn [10]
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng giữa các pha rắn
+ Chất khoáng hóa [13] thường được đưa vào phối liệu với hàm lượng khá thấp (khoảng vài %) nhằm tạo pha lỏng có độ nhớt thấp, giúp thấm ướt các hạt rắn của các chất phản ứng dẫn đến xảy ra quá trình hoà tan của các chất phản ứng. Đôi lúc chất khoáng hóa có thể tham gia phản ứng với một trong các chất phản ứng để chuyển thành pha khí, sự xuất hiện pha khí đã chuyển phản ứng giữa các pha rắn theo một cơ chế khác –cơ chế vận chuyển hơi nước (chemical vapor transport).
Phản ứng phân hủy nhiệt nội phân tử [10]
Từ đó giúp sự khuếch tán chất phản ứng dễ dàng hơn nên có tác dụng thúc đẩy tốc độ phản ứng cũng như quá trình tái kết tinh sản phẩm trong hỗn hợp. Mặt khác, pha lỏng có tác dụng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt rắn, làm tăng mật độ của sản phẩm phản ứng, nghĩa là giúp cho quá trình kết khối xảy ra nhanh ở nhiệt độ thấp. Phương pháp sử dụng phân hủy nhiệt nội phân tử không chỉ giúp tổng hợp gốm hệ bậc hai mà còn có thể sử dụng để tổng hợp gốm bậc cao hơn, Ví dụ tổng hợp cordierit 2MgO.2Al2O3.5SiO2 ta có thể sử dụng phản ứng phân hủy nhiệt mạng caolinit và bằng một thủ thuật có thêm oxit magie vào.
Về lý thuyết chúng ta thấy trong quá trình phân hủy nhiệt thì các oxit có trong hợp chất ban đầu đã được phân bố hoàn toàn có trật tự ở mức độ nguyên tử, mặt khác sản phẩm vừa mới phân hủy đang ở trạng thái rất hoạt động do đó phản ứng hình thành mầm tinh thể sản phẩm có thể xảy ra một cách nhanh chóng. Vậy là do xảy ra phản ứng nội phân tử đã làm giảm nhiệt độ phản ứng giữa các pha rắn.Trong sản xuất gốm việc giảm được nhiệt độ nung thiêu kết là rất quan trọng vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành tổng hợp gốm diopside từ khoáng talc.
CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 1. Phương pháp phân tích nhiệt [7]
Từ đường TG có thể thu được các thông tin về thành phần của chất rắn nghiên cứu, độ bền của nó, về các sản phẩm được tạo thành trong quá trình phân hủy, kết hợp cũng như giả thiết được về cơ chế và nhiệt động học của phản ứng theo từng giai đoạn hay toàn bộ quá trình. Khi chiếu một chùm tia X đơn sắc có bước sóng xác định đi qua một hệ tinh thể, trong tinh thể ta chọn hai mặt phẳng nút song song với nhau có khoảng cách là dhkl, góc hợp bởi tia tới với mặt phẳng nút là θ. Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật rắn bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu.
Các bước ghi được ảnh SEM như sau: một chùm electron được quét trên bề mặt mẫu, các electron này đập vào mẫu và tạo ra một tập hợp các hạt thứ cấp đi tới detector, tại đây nó sẽ được chuyển thành tín hiệu điện, các tín hiệu này sau khi được khuếch đại đi tới ống tia catot và được quét lên ảnh. Cho chùm tia quét trên mẫu, và quét một cách đồng bộ, một tia điện tử trên màn hình của đèn hình, thu và khuếch đại một loại tín hiệu nào đó từ mẫu phát ra để làm thay đổi cường độ sáng của tia điện tử quét từ trên màn hình, ta có được ảnh. Mẫu được ép viên (hình trụ) sấy khô trước khi nung được đo chiều cao, đường kính tương ứng là H0, D0.H,D tương ứng là chiều cao và đường kính của mẫu sau khi nung thiêu kết đã làm nguội về nhiệt độ phòng.
Điều đó chứng tỏ chúng phụ thuộc vào cấu trúc cũng như loại liên kết trong sản phẩm.Vì vậy độ bền nén là chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm nhanh chóng cũng như đánh giá cả quy trình công nghệ sản xuất ra sản phẩm đó. Tính chất của vật liệu chống lại sự dao động nhiệt độ không bị phá hủy gọi là độ bền sốc nhiệt.Nguyên nhân vỡ sản phẩm do dao động nhiệt độ là các ứng suất xuất hiện trong sản phẩm do chênh lệch nhiệt độ khi đốt nóng và làm nguội. Điều kiện xác định độ bền sốc nhiệt không giống như điều kiện sử dụng vì vậy những số liệu đo độ bền sốc nhiệt chỉ có tính chất gần đúng và để so sánh giữa các vật liệu với nhau.
THỰC NGHIỆM
Mẫu talc sau khi nghiền mịn chúng tôi tiến hành phân tích thành phần hóa học của khoáng talc tại Viện Vật liệu xây dựng và phân tích nhiễu xạ XRD trên máy D8. Chúng tôi tiến hành khảo sát quá trình phân hủy nhiệt của talc bằng phương pháp phân tích nhiệt (DTA,TG) với tốc độ nâng nhiệt: 100/phút, môi trường: không khí, nhiệt độ cực đại 12000C, tại Viện Vật liệu Xây dựng. Các mẫu phối liệu với thành phần như trên được trộn đều trong máy nghiền hành tinh trong 30 phút với tốc độ 200 vòng/phút, sau đó lấy ra trộn chất kết dính PVA, ép viên hình trụ, sấy khô rồi tiến hành nung thiêu kết ở 12000C, tốc độ nâng nhiệt 100/phút, lưu trong 1 giờ, làm nguội tự nhiên.
Nhiệt độ nung hợp lý (tmax) là yếu tố rất cơ bản, có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng sản phẩm nung, sản phẩm thu được có thành phần pha mong muốn, có độ chắc đặc cao. Các mẫu sau khi nung thiêu kết được tiến hành xác định thành phần pha, cấu trúc tinh thể và các tính chất cơ lý như: độ co ngót, khối lượng riêng, độ xốp, độ hút nước…. Chất khoáng hóa có vai trò như chất xúc tác, có tác dụng thúc đẩy quá tình biến đổi thù hình, phân hủy các khoáng của nguyên liệu làm tăng quá trình khuếch tán vật thể trong phối liệu ở trạng thái rắn, cải thiện khả năng kết tinh của pha tinh thể mới tạo thành trong lúc nung, làm tăng hàm lượng hay kích thước của nó.
Để khảo sát ảnh hưởng của một vài chất khoáng hóa lên sự hình thành pha của vật liệu chúng tôi tiến hành khoáng hóa mẫu M9 với các chất khoáng hóa: Na2O, B2O3, CaF2. Các mẫu sau khi ép viên, sấy khô được nung thiêu kết ở 11500C trong 1h, rồi tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X để xác định thành phần pha. Các mẫu sau khi được nung thiêu kết ở 12000C lưu trong 1h được tiến hành mài bóng bề mặt rồi đem đi đo tính chất điện tại Viện Khoa học Vật liệu-Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
