Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình- 123docz.net

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 30/10.00(K/min)/1200 DSC(/TG) HIGH RG 2 / S Mode/Type of Meas.: Segments: Crucible: Atmosphere: TG Corr./M.Range: DSC Corr./M.Range: Remark: DSC-TG / Sample + Correction 1/1 DSC/TG pan Al2O3 O2/30 / N2/0 020/30000 mg 020/5000 µV Admin 16-08-2011 11:24

Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp mẫu M1

Từ kết quả phân tích trên giản đồ hình 3.1 cho thấy trong khoảng từ 8130C đến có sự 11000C mất khối lượng mạnh 23,83% và xuất hiện hiệu ứng thu nhiệt rõ rệt với cực đại ở 813,60C. Hiệu ứng này ứng với quá trình phân hủy canxi cacbonat, và bắt đầu xảy ra sự mất nước cấu trúc của khoáng talc.

CaCO3  CaO + CO2

Trong khoảng từ 900 đến 11000C thấy có sự mất 1,01% khối lượng. Chúng tôi cho rằng trong khoảng nhiệt độ này có sự mất nước cấu trúc của talc và xảy ra sự

Mg3[(OH)2Si4O10] 3(MgO.SiO2) + SiO2 +H2O

Trong khoảng từ 950 đến 11000C xuất hiện hiệu ứng tỏa nhiệt với cực đại ở 1075,60C. Chúng tôi cho rằng trong khoảng nhiệt độ trên 10500C các chất tồn tại dưới dạng oxit và xảy ra phản ứng hình thành pha mới hoặc chuyển pha. Do có phản ứng nội phân tử của talc nên phản ứng giữa pha rắn xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn đồng thời có sự phân hủy hết nước cấu trúc của talc, nhưng vì giai đoạn này cần tiêu tốn một lượng nhiệt nhỏ nên không thấy có hiệu ứng thu nhiệt. Theo các tác giả và cộng sự [2,3] sự chuyển nội phân tử talc thành metasilicat magie (MgO.SiO2) ,(MgO.2SiO2) tiếp đó xảy ra phản ứng giữa metasilicat magie với CaO có thể tạo thành akermanite (2CaO. MgO.2SiO2) hay monticellite (CaO.MgO.SiO2)

Từ kết quả trên chúng tôi chọn nhiệt độ nung thiêu kết các mẫu nghiên cứu trong khoảng nhiệt từ 10500C đến 12000

3.1.2. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu M2 (talc, SiO2, CaCO3, TiO2)

Kết quả phân tích nhiệt của mẫu được tiến hành ghi trên máy và thu được kết

quả trình bày trên hình 3.2

200 400 600 800 1000 1200 Temperature /°C 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 DSC /(mW/mg) 75 80 85 90 95 100 TG /% Mass Change: -23.84 % Mass Change: -0.46 % Peak: 74.5 °C Peak: 248.3 °C Peak: 818.9 °C Peak: 1073.6 °C [1] [1]  exo Instrument: File: Project: Identity: Date/Time: Laboratory: Operator: NETZSCH STA 409 PC/PG M9.dsv 082011 8/12/2011 1:12:25 PM PCM T.D.Duc Sample: Reference: Material: Correction File: Temp.Cal./Sens. Files: Range: Sample Car./TC: M9, 55.056 mg

Trên giản đồ hình 3.2 cho thấy đồ thị có dạng giống với mẫu M1 ( talc, SiO2, CaCO3). Trong khoảng từ 818,90C đến 8700C có sự mất khối lượng mạnh 23,84% . Hiệu ứng này ứng với quá trình phân hủy canxi cacbonat, và bắt đầu xảy ra sự mất nước cấu trúc của khoáng talc.

CaCO3  CaO + CO2

Trong khoảng từ 900 đến 11000C thấy có sự mất 0,43% khối lượng. Chúng tôi cho rằng trong khoảng nhiệt độ này có sự mất nước cấu trúc của talc và xảy ra sự phân hủy của talc nhưng không có hiệu ứng thu nhiệt là do lượng nhiệt cần thiết này để phân hủy quá nhỏ nên không thể hiện trên giản đồ.

Mg3[(OH)2Si4O10] 3(MgO.SiO2) + SiO2 +H2O

Trong khoảng từ 950 đến 11000C xuất hiện hiệu ứng tỏa nhiệt với cực đại ở 1073,60C. Chúng tôi cho rằng trong khoảng nhiệt độ này các oxit mới hình thành và bắt đầu phản ứng với nhau ( phản ứng xẩy ra giữa các pha rắn ) để hình thành pha mới hoặc chuyển pha lượng nhiệt thoát ra chiếm ưu thê nên chỉ thấy hiệu ứng phát nhiệt. Như vậy khi sử dụng thêm TiO2 không ảnh hưởng nhiều đến nhiệt độ kết khối của sản phẩm gốm.

3.1.3. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu M7 (talc, SiO2, CaCO3, ZrO2)

Mẫu được phân tích trình bày trên giản đồ hình 3.3.

Hình 3.3. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp mẫu M7 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) 75 80 85 90 95 100 TG /% Mass Change: -26.69 % Mass Change: -0.13 % Peak: 76.1 °C Peak: 136.3 °C Peak: 259.6 °C Peak: 819.1 °C Peak: 1072.8 °C [1] [1]  exo Instrument: File: Project: Identity: Date/Time: Laboratory: Operator: NETZSCH STA 409 PC/PG M3.dsv 082011 8/12/2011 10:08:42 AM PCM T.D.Duc Sample: Reference: Material: Correction File: Temp.Cal./Sens. Files: Range: Sample Car./TC: M3, 46.350 mg

Trên giản đồ hình 3.3 cho thấy trong khoảng từ 8000C đến 8700C có sự mất khối lượng mạnh 23,84% và xuất hiện hiệu ứng thu nhiệt rõ rệt với cực đại ở 818,90C. Hiệu ứng này ứng với quá trình phân hủy canxi cacbonat, và bắt đầu xảy ra sự mất nước cấu trúc của khoáng talc.

CaCO3  CaO + CO2

Trong khoảng từ 900 đến 11000C thấy có sự mất 0,95% khối lượng. Chúng tôi cho rằng trong khoảng nhiệt độ này có sự mất nước cấu trúc của talc và xảy ra sự phân hủy của talc. Điều này cũng được giải thích như trên.

Mg3[(OH)2Si4O10] 3(MgO.SiO2) + SiO2 +H2O

Trong khoảng từ 950 đến 11000C xuất hiện hiệu ứng tỏa nhiệt với cực đại ở 1072,90C. Chúng tôi cho rằng trong khoảng nhiệt độ này các chất rắn oxit bắt đầu phản ứng để hình thành pha mới ( quá trình kết khối) hoặc chuyển pha.

Từ kết quả của ba mẫu phân tích nhiệt, chúng tôi nhận thấy rằng: Chúng có các píc đặc trưng giống nhau, điểm cực đại của hiệu ứng tỏa nhiệt, và sự khác nhau không nhiều về nhiệt độ hình thành pha mới. Chứng tỏ với hàm lượng thêm TiO2 và

ZrO2 không ảnh hưởng nhiều đến nhiệt độ tạo pha mới với pic 1075,60C, 1073,60C, 1072,90C tương ứng.

Từ khoảng nhiệt độ đó chúng tôi chọn nhiệt độ từ 1050- 12000C để nung thiêu kết mẫu gốm.

3.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành Akermanite

3.2.1. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X ( X- Ray)

Từ kết quả nghiên cứu thu được trình bày ở trên, cũng như kết quả thu được từ giản đồ phân tích nhiệt DTA-TG hình 1,2,3 chúng tôi chọn mẫu M1 để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến hình thành pha tinh thể. Tiến hành nung mẫu ở các nhiệt độ 1050, 1100, 1150và 12000C được kí hiệu mẫu tương ứng như sau: T- 1050, T- 1100, T - 1150, T- 1200 , sản phẩm thu được sau khi nung thiêu

Kết quả phân tích XRD các mẫu nung ở nhiệt độ khác nhau T- 1050, T- 1100, T - 1150, T- 1200 lần lượt được trình bày trên hình 3.4, 3.5, 3.6 và 3.7, bảng 3.1 và đồ thị 3.8

Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1100

Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1200

Nhìn trên giản đồ nhiễu xạ tia X chúng tôi thấy các mẫu đều xuất hiện chủ yếu hai pha là Akermanite và Merwinite. Cường độ pic đặc trưng của các pha được trình bày trong bảng 3.1.

Bảng 3.1.Cường độ pic đặc trưng của các pha tinh thể phụ thuộc vào nhiệt độ nung Pha tinh thể Akermanite Merwinite Mẫu 2 (0) d ( A0) I 2 (0) d ( A0) I T- 1050 29,9 2,993 140 31,2 2,870 650 32,5 2,520 80 56,5 1,625 60 T- 1100 29,9 2,992 460 31,2 2,868 440 32,5 2,521 320 56,5 1,625 100 T – 1150 29,9 2,995 390 31,2 2,875 390 32,5 2,521 630 56,5 1,625 140 T- 1200 29,9 2,994 680 31,2 2,872 280 32,5 2,521 810 56,5 1,626 180

Từ bảng 3.1 chúng ta thấy khi nhiệt độ nung thiêu kết tăng thì thu được pha Akermanite với cường độ pic tăng được thể hiện ở pic có cường độ I lớn tương ứng góc 2=32,5o, d=2,520. Mẫu nung từ 11000C - 1200oC pha akermanite tăng dần lên, pha Merwinite giảm xuống được thể hiện ở pic có cường độ I nhỏ tương ứng góc 2=31,2o, d= 2,870. Chúng ta sẽ thấy rõ hơn khi nhìn vào hình 3.8 (Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha Akermanite vào nhiệt độ)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 T- 1050 T- 1100 T- 1150 T- 1200 Mẫu C ư ờ ng độ pi c

Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha akermanite vào nhiệt độ

Từ kết quả trên chúng tôi đi đến kết luận: Nhiệt độ nung trong khoảng 11000C đến 12000C pha Akermanite đều xuất hiện với cường độ tương đối mạnh và cường độ pic Akermanite tăng khi nhiệt độ nung tăng. Vì vậy chúng tôi chọn nhiệt độ nung là 12000C để thu được Akermanite với cường độ lớn nhất.

3.2.2. Kết quả ảnh SEM

Mẫu 1- 12000C được chụp ảnh SEM tại Khoa Vật Lý – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – ĐHQGHN được trình bày trên hình 3.9.

Hình 3.9.Ảnh SEM của mẫu 1

tăng cường độ chịu nén của mẫu. Tuy nhiên các lỗ trống vẫn còn xúât hiện dẫn đến độ xốp của sản phẩm.

3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến tính chất của vật liệu

Mẫu nung thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau , kết quả được trình bày trên bảng 3.2.

Bảng 3.2.Kết quả xác định các tính chất vật lý của mẫu ở các nhiệt độ nung khác nhau

Tên mẫu Độ co ngót (%) Độ xốp (%) Khối lượng riêng ( g/cm3)

T- 1050 3,84 12,64 2,38

T- 1100 3,96 11,58 2,45

T- 1150 4,26 10,52 2,57

T- 1200 5,02 9,48 2,64

Nhìn vào bảng 3.2 chúng ta thấy khi nhiệt độ tăng thì độ co ngót cũng tăng. Độ co ngót tăng mạnh khi nung ở 12000C, chứng tỏ quá trình kết tinh từ pha lỏng xẩy ra mạnh ở nhiệt độ càng cao.

Đồng thời khi nhiệt độ nung tăng thì khối lượng riêng của vật liệu tăng và độ

Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành gốm

Xác định độ co ngót khi nung

DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT