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.
Ta có công thức sau: Độ co ngót 0 0 0 0 .100% H D H D H D 1.5.4.2. Xác định độ hút nước
Độ hút nước của vật liệu là khả năng hút và giữ nước của nó ở điều kiện bình thường.
Độ hút nước theo khối lượng là tỉ số phần trăm giữa khối lượng nước mà vật liệu hút được với khối lượng của vật liệu ở trạng thái khô.
Các bước tiến hành như sau:
- Sấy mẫu ở nhiệt độ 1050C-1100C đến khối lượng không đổi. - Để nguội, cân mẫu khô (m0).
- Ngâm mẫu đã cân đến bão hòa nước.
- Vớt mẫu ra, lau nước đọng trên mặt mẫu bằng vải ẩm rồi cân mẫu bão hòa nước (m). Thời gian từ khi vớt mẫu ra đến khi cân không vượt quá 3 phút. Độ hút nước của mẫu được xác định theo công thức:
Độ hút nước 0 .100% m m m
1.5.4.3. Xác định khối lượng riêng bằng phương pháp Acsimet
Thể tích tự nhiên của viên gốm V0 được xác định bằng cách : sau khi ngâm bão hòa viên gốm trong nước ta đem xách định thể tích thông qua phương pháp đẩy nước. Thể tích dâng lên chính là thể tích tự nhiên của viên gốm. Xác định thể tích toàn đặc của khối gốm bằng cách xác định thể tích gốm dạng bột bằng phương pháp đẩy nước ta được thể tích gốm là Va. Khi đó độ xốp của gốm được tính như sau :
0 0 .100 a V V r V
Cân khối lượng của viên gốm được m(g). Khi đó tỉ khối được tính theo công thức:
D = m/ Vo
1.5.4.4. Xác định cường độ nén [3]
Cường độ nén là khả năng lớn nhất của vật liệu chống lại sự phá hoại do tải trọng gây ra và được xác định bằng ứng suất tới hạn khi mẫu vật liệu bị phá hủy.
Cường độ nén của sản phẩm phản ánh mức độ kết khối hay mật độ của sản phẩm. Tuy nhiên sản phẩm có cùng mật độ như nhau nhưng độ bền nén có thể khác nhau. 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.
Để xác định độ bền nén theo TCVN 6530-1:1999 người ta đặt mẫu trên máy ép thủy lực hoặc máy ép cơ tiêu chuẩn để xác định lực phá hủy.
Hình 1.8. Mô hình thiết bị đo cường độ kháng nén
Cường độ kháng nén Rn được tính theo công thức: Rn=Pmax/F Trong đó: Pmax - Tải trọng nén phá hoại mẫu (N,KN)
F - Tiết diện chịu lực của mẫu (mm2,cm2, m2)
1.5.4.5. Hệ số giản nở nhiệt [3]
Khi vật liệu bị nung nóng, các nguyên tử sẽ nhận thêm năng lượng và dao động quanh vị trí cân bằng. Vì thế, khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử cũng như kích thước của vật liệu tăng lên. Nói cách khác, vật liệu bị nở ra khi đốt nóng và khi làm lạnh xảy ra quá trình ngược lại. Hiện tượng đó được gọi là sự giãn nở nhiệt của vật liệu, sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ của vật liệu rắn được biểu diễn
bởi công thức: 0 0( 0) t t l l l T T Trong đó:
lt và l0 tương ứng là chiều dài ban đầu và chiều dài cuối cùng khi tăng nhiệt Lực nén
α: hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài (0C-1)
Vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt càng lớn thì khi thay đổi nhiệt độ, sự co giãn của vật liệu càng lớn làm cho vật liệu bị nứt vỡ. Vì vậy, hệ số giãn nở nhiệt là thông số vật lí đặc trưng cho độ bền nhiệt của vật liệu.
1.5.4.6. Độ bền sốc nhiệt [3]
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.
Theo TCVN 6530-7:2000, để xác định độ bền sốc nhiệt, người ta nung mẫu 75x50x50mm đến khi nhiệt độ 10000
-12000C, sau đó lấy mẫu ra đặt vào khung đỡ và dùng lực bẩy để nâng đầu khung kia cao lên theo phương pháp thẳng đứng với lực đẩy tương ứng 20N. Như vậy mẫu được làm nguội bằng không khí và chịu lực uốn khi bẩy. sau khi bẩy, mẫu được nung và lại tiếp tục quy trình trên cho đến khi mẫu bị vỡ. Số lần quy trình đó được gọi là độ bền sốc nhiệt. Nếu sau 30 chu kỳ mà mẫu chưa vỡ thì có thể dừng và coi độ bền sốc nhiệt lớn hơn 30 lần.
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.
Chúng tôi tiến hành đo độ bền sốc nhiệt của các mẫu nghiên cứu tại Viện Vật Liệu Xây Dựng.
1.5.4.7. Độ chịu lửa [3]
Theo định nghĩa của ISO 836-2001 thì độ chịu lửa là tính chất đặc trưng cho vật liệu chịu lửa bền vững ở nhiệt độ cao trong môi trường và điều kiện sử dụng của nó. Để xác định độ chịu lửa của vật liệu, theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6530- 4:1999 tương ứng với ISO 528- 1983, người ta tạo mẫu thành côn để đo. Côn này là khối chóp cụt, hai đáy là tam giác đều có cạnh 8,5 và 3mm đặt trên đế chịu lửa sao cho nghiêng với đáy một góc 80
Khi nâng nhiệt độ có pha lỏng xuất hiện, lượng pha lỏng tăng lên, độ nhớt của chúng hạ thấp, đầu côn cong dần đân chậm vào mặt ngang của đế. Tại thời điểm đó gọi là nhiệt độ gục của côn hay độ chịu lửa. Nếu đầu côn dính dài trên mặt đế, nhiệt độ tương ứng đã vượt quá độ chịu lửa. Ngược lại, nếu đầu côn chưa chạm đến đế thì nhiệt độ tương ứng sẽ dưới độ chịu lửa.
Nếu tăng nhiệt độ nâng nhiệt trong lò sẽ tăng nhiệt độ gục của côn. Vì thế người ta thực hiện tốc độ nâng nhiệt quy định 4-60C/phút bắt đầu từ nhiệt độ kết khối sản phẩm.
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM 2.1. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN 2.1.1. Mục tiêu của luận văn
Nghiên cứu tổng hợp gốm Akermanite 2CaO.MgO.2SiO2 và ảnh hưởng của oxit TiO2, ZrO2 đến cấu trúc và tính chất của gốm.
2.1.2. Các nội dung nghiên cứu của luận văn
* Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến điều chế gốm Akermanite. Thành phần hóa học.
- Nhiệt độ nung thiêu kết. - Thời gian nung thiêu kết.
* Nghiên cứu cấu trúc, tính chất của gốm.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của Titan (IV) oxit đến cấu trúc, tính chất của gốm. - Nghiên cứu ảnh hưởng của Ziriconi (IV) oxit đến cấu trúc, tính chất của gốm. - Sử dụng các phương pháp: DTA, TG, TMA, XRD, SEM để nghiên cứu cấu trúc, thành phần và tính chất của gốm.
2.2. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT 2.2.1. Hóa chất 2.2.1. Hóa chất
- Bột talc được lấy từ Thanh Sơn - Phú Thọ - Silic đioxit SiO2
- Canxi cacbonat CaCO3 - Axit Boric H3BO3 - Titan (IV) oxit TiO2 - Ziriconi (IV) oxit ZrO2 - Chất kết dính PVA
Các hóa chất được sử dụng là loại tinh khiết của Trung Quốc.
2.2.2. Dụng cụ
- Lò nung, tủ sấy, cân kĩ thuật (chính xác 10-1, 10-2), cân phân tích chính xác 10-3, thước đo kĩ thuật chính xác 0,02 mm.
- Máy nghiền bi ( Fristch, Đức).
- Máy nhiễu xạ tia X SIEMEN D 5005 (Đức).
- Máy phân tích nhiệt DTA/TG - Đại học Bách Khoa Hà Nội.
- Máy chụp ảnh SEM (Trung tâm Khoa học Vật liệu- Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên- ĐHQGHN).
- Máy đo cường độ kháng nén IBERTEST (European) của tổng cục đo lường chất lượng Việt Nam.
2.3. THỰC NGHIỆM 2.3.1. Chuẩn bị mẫu
Nghiên cứu này nhằm chế tạo gốm Akermanite dựa trên hệ bậc ba CaO- MgO-SiO2 có sử dụng các chất phụ gia. Các kết quả được so sánh với các kết quả của gốm dựa trên hệ CaO-MgO-SiO2 để tìm ra cách chế tạo sản phẩm có chất lượng mà lại ít tiêu tốn năng lượng.
Các mẫu được chuẩn bị theo tỷ lệ mol CaO : MgO : SiO2 = 2 : 1 : 2 và thêm phụ gia TiO2 và ZrO2 có thành phần hóa học được trình bày trong bảng 2.1
Bảng 2.1: Thành phần các khoáng trong các mẫu
% Bột talc % SiO2 % CaCO3 % TiO2 % ZrO2
M1 34,91 9,25 55,84 0 0 M2 34,91 9,25 55,84 1,00 0 M3 34,91 9,25 55,84 1,50 0 M4 34,91 9,25 55,84 2,00 0 M5 34,91 9,25 55,84 2,50 0 M6 34,91 9,25 55,84 3,00 0 M7 34,91 9,25 55,84 0 1,00 M8 34,91 9,25 55,84 0 1,50 M9 34,91 9,25 55,84 0 2,00 M10 34,91 9,25 55,84 0 2,50 M11 34,91 9,25 55,84 0 3,00 2.3.2. Cách làm
- Cân các phối liệu talc, SiO2, CaCO3, TiO2 và ZrO2 theo thành phần các mẫu đã được chọn.
- Các nguyên liệu được trộn đều trong máy nghiền hành tinh trong 30 phút với tốc độ 200 vòng/ phút.
- Các nguyên liệu sau khi được trộn đều và nghiền mịn, được tạo độ kết dính bằng PVA, rồi đem ủ một ngày, sau đó đem ra ép viên bằng máy nén thủy lực.
- Sấy khô mẫu rồi đem nung thiêu kết ở 12000C với thời gian lưu là một giờ. Các sản phẩm thu được tiến hành xác định thành phần, cấu trúc và tính chất.
2.4. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH GỐM AKERMANITE: THÀNH GỐM AKERMANITE:
2.4.1. Phân tích nhiệt mẫu nghiên cứu:
Mẫu M1, M2, M7 có thành phần các chất khoáng như bảng 2.1 được tiến hành phân tích nhiệt DTA/TG với tốc độ nâng nhiệt: 100/phút, môi trường: không khí, nhiệt độ cực đại 12000C.
Chúng tôi tiến hành phân tích nhiệt ở máy phân tích nhiệt DTA/TG tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
2.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành gốm
Akermanite
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. Chính vì vậy chúng tôi tiến hành khảo sát nhiệt độ nung để chọn điều kiện phù hợp tổng hợp vật liệu gốm Akermanite.
Trên cơ sở kết quả khảo sát phân tích nhiệt DTA-TG chúng tôi tiến hành khảo sát nhiệt độ nung đối với mẫu M1 (ứng với thành phần bột talc (34,91% Talc, 9,25% silic đioxit, 55,84% canxi cacbonat ) . Tiến hành nghiền mịn talc, canxi cacbonat và thạch anh, rồi chuẩn bị mẫu nghiên cứu bằng cách cân hàm lượng các nguyên liệu theo thành phần đã tính toán. Phối liệu được trộn trong máy nghiền hành tinh trong 30 phút với tốc độ 200 vòng/ phút. Sau đó được tạo độ kết dính bằng PVA, rồi ép viên, sấy khô, nung thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau 10500
C, 11000C, 11500C, 12000C với thời gian lưu là 1 giờ. Các mẫu được kí hiệu lần lượt là T - 1050, T - 1100, T - 1150, T - 1200. 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…
2.4.2.1. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành gốm bằng phƣơng pháp XRD.
Các mẫu T - 1050, T - 1100, T - 1150, T-1200 sau khi nung thiêu kết được tiến hành xác định thành phần pha.
Chúng tôi tiến hành đo nhiễu xạ tia X trên máy nhiễu xạ tia X SIEMEN D 5005 của Đức tại trường ĐH KHTN Đại Học Quốc Gia Hà Nội
2.4.2.2.Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành gốm bằng phƣơng pháp SEM
Các mẫu T - 1050, T - 1100, T - 1150, T-1200 sau khi nung thiêu kết được tiến hành xác định cấu trúc tinh thể.
Chúng tôi tiến hành chụp ảnh SEM tại trung tâm Khoa Học Vật Liệu- Khoa Vật lí- Trường ĐHKHTN-ĐHQGHN
2.4.2.3. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến các tính chất cơ, lý của vật liệu
Các mẫu T - 1050, T - 1100, T - 1150, T- 1200 sau khi nung thiêu kết được tiến hành xác định các tính chất cơ lý như: độ co ngót, khối lượng riêng, độ xốp, độ hút nước, hệ số giãn nở nhiệt…
2.4.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành tinh thể Akermanite
2.4.3.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của hàm lƣợng Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành Akermanite bằng phƣơng pháp XRD
Chuẩn bị các mẫu với hàm lượng titan (IV) oxit và ziriconi (IV) oxit thay đổi như trong bảng 2.1
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. và phân tích nhiễu xạ XRD trên
máy D8 ADVANCE BRUKER-LB Đức, góc quay 2 từ 5 -700, bức xạ Cu-K tại khoa Hóa học trường ĐHKHTN.
2.4.3.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành Akermanite bằng phƣơng pháp SEM
Từ kết quả phân tích XRD chúng tôi xác định được sự hình thành pha tinh thể, từ đó chúng tôi chọn các mẫu M1, M2, M11 điểnhình để tiến hành xác định hình thái học bằng phương pháp SEM tại khoa Vật Lý – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên –ĐHQGHN.
2.4.3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến các tính chất của vật liệu
2.4.3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit
đến độ hút nước của vật liệu
Các mẫu ứng với hàm lượng Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxitkhác nhau M1, M2,M3, M4, M5, M6, M7, M8, M9, M10,M11, nung thiêu kết ở 12000C lưu trong một giờ được tiến hành xác định độ hút nước theo mục 1.5.4.2
2.4.3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến khối lượng riêng và độ xốp của vật liệu
Các mẫu M1,M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, M9, M10, M11, được tiến hành xác định tỉ khối và độ xốp bằng phương pháp Ascimet theo mục 1.5.4.3
2.4.3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến độ co ngót của vật liệu
Tiến hành xác định độ co ngót của các mẫu M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, M9, M10, M11, (bảng 2.1) nung ở 12000C trong 1h theo mục 1.5.4.1.
2.4.3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến cường độ kháng nén của vật liệu
Các mẫu M1,M3, M5, M7, M9,M11 đã nung ở 12000C trong 1h được tiến hành đo cường độ kháng nén theo mục 1.5.4.4 tại cục đo lường chất lượng Việt
2.4.3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Titan (IV) oxit , Ziriconi (IV) oxit đến độ bền sốc nhiệt của vật liệu
Các mẫu M6,M11 đã nung ở 12000C trong 1h được tiến hành đo độ bền sốc nhiệt theo mục 1.5.4.6 tại Viện Vật Liệu Xây dựng.
Chƣơng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả phân tích nhiệt của các mẫu nghiên cứu
3.1.1. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu M1 (talc, SiO2, canxi cacbonat)
Kết quả phân tích nhiệt DTA/TG thu được trên giản đồ 3.1.
200 400 600 800 1000 1200 Temperature /°C 0 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 DSC /(mW/mg) 80 85 90 95 100 105 TG /% Mass Change: -22.83 % Mass Change: -1.01 % Peak: 73.3 °C Peak: 134.4 °C Peak: 257.4 °C Peak: 813.6 °C Peak: 1068.3 °C [1] [1] exo Instrument: File: Project: Identity: Date/Time: Laboratory: Operator: NETZSCH STA 409 PC/PG M1.dsv 082011 8/13/2011 5:51:49 PM PCM T.D.Duc Sample: Reference: Material: Correction File: Temp.Cal./Sens. Files: Range: Sample Car./TC: M1 , 44.038 mg
Correction 1200C 10C_min KK ref 19mg cub 5mg Al2O3.bsv Calib new 27 01 07.tsv / Calib do nhay 27107.esv