. TÀI LIỆU THAM KHẢO
Hình 2.3Sơ đồ khối các bộ phận của kính hiển vi điện tử quét
Phương pháp SEM được sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu. Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu đươc những bức ảnh 3 chiều chất lượng cao và khơng địi hỏi phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu. Phương phép SEM đặc biệt hữu dụng, bởi vì nó cho độ phóng đại có thể thay đổi từ 10 đến 100000 lần với hình ảnh rõ nét, hiển thị ba chiều phù hợp cho việc phân tích hình dạng và cấu trúc bề mặt.
2.3.4. Phƣơng pháp xác định các tính chất vật lí
2.3.4.1. Xác định độ co ngót khi nung
Mẫu được ép viên (hình trụ) sấy khơ 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 phịng.
Ta có cơng thức sau: Độ co ngót 0 0 0 0 .100% H D H D H D 2.3.4.2. Xác định độ hút nƣớc
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
2.3.4.3. Xác định khối lƣợng riêng bằng phƣơng 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 thơng qua phương pháp đẩy nước. Thể tích dâng lên chính là thể tích tự nhiên của viên gốm. Xác định thể tích tồn 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 cơng thức:
D = m/ Vo
2.3.4.4. Xác định cƣờng độ nén [4]
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 cơng nghệ sản xuất ra sản phẩm đó.
Luận văn tốt nghiệp bộ mơn Hố học vơ cơ
Hình 2.4. Mơ hình thiết bị đo cƣờng độ kháng nén
Cường độ kháng nén Rn được tính theo cơng 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)
Chúng tôi tiến hành xác định cường độ kháng nén tại Cục đo lường chất lượng Việt Nam.
2.3.4.5. Hệ số giãn nở nhiệt [4]
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 q 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 độ của vật liệu từ T0 đến Tt
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 thơng
Lực nén (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
số vật lí đặc trưng cho độ bền nhiệt của vật liệu. Được xác định trên máy phân tích nhiệt tại Khoa Hóa Học – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – ĐHQGHN.
2.3.4.6. Độ bền sốc nhiệt [4]
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 1000-12000C, 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 khơng 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 khơng 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.
2.3.4.7. Độ chịu lửa [4]
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. Cơn 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 ±10+.
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 cơn hay độ chịu lửa. Nếu đầu cơn dính dài trên mặt đế, nhiệt độ tương ứng đã vượt quá độ chịu lửa. Ngược lại, nếu đầu cơn chưa chạm đến đế thì
Luận văn tốt nghiệp bộ mơn Hố học vơ cơ Nếu tăng nhiệt độ nâng nhiệt trong lị sẽ tăng nhiệt độ gục của cơn. Vì thế người ta thực hiện tốc độ nâng nhiệt quy định 4-60C/phút bắt đầu từ nhiệt độ kết khối sản phẩm.
2.4. THỰC NGHIỆM 2.4.1. Chuẩn bị mẫu 2.4.1. Chuẩn bị mẫu
Nghiên cứu này nhằm chế tạo gốm Monticelite 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 = 1 : 1 : 1 và thêm phụ gia Cr2O3 và Fe2O3 có thành phần hóa học được trình bày trong bảng 2.1
Bảng 2.1: Thành phần các khoáng trong các mẫu
% Bột talc % MgO % CaCO3 % Cr2O3 % Fe2O3
M1 46,69 3,96 49,35 0 0 M2 46,69 3,96 49,35 1,00 0 M3 46,69 3,96 49,35 1,50 0 M4 46,69 3,96 49,35 2,00 0 M5 46,69 3,96 49,35 2,50 0 M6 46,69 3,96 49,35 3,00 0 M7 46,69 3,96 49,35 0 1,00 M8 46,69 3,96 49,35 0 1,50 M9 46,69 3,96 49,35 0 2,00 M10 46,69 3,96 49,35 0 2,50 M11 46,69 3,96 49,35 0 3,00 2.4.2. Cách làm
- Cân các phối liệu talc, MgO, CaCO3, Cr2O3, Fe2O3 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 được 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.
2.4.3. Phân tích nhiệt của các mẫu nghiên cứu
2.4.3.1. Phân tích nhiệt mẫu M1 ( talc, magie oxit, canxi cacbonat)
Mẫu hỗn hợp gồm bột talc, magie oxit và canxi cacbonat với thành phần (46,69% Talc, 3,96% magie oxit, 49,35% canxi cacbonat ) được trộn trong máy nghiền hành tinh trong 30 phút với tốc độ 200 vịng/ phút. Mẫu được tiến hành phân tích nhiệt DTA/TG với tốc độ nâng nhiệt: 100/phút, mơi trường: khơng khí, nhiệt độ cực đại 12000C, tại Đại học Bách Khoa Hà Nội.
2.4.3.2. Phân tích nhiệt mẫu M2 (talc, magie oxit, canxi cacbonat, crom (III) oxit)
Mẫu hỗn hợp gồm bột talc, magie oxit , canxi cacbonat và crom(III) oxit với thành phần (46,69% Talc, 3,96% magie oxit, 49,35% canxi cacbonat, 1,00% crom(III) oxit ) được trộn trong máy nghiền hành tinh trong 30 phút với tốc độ 200 vịng/ phút. Mẫu được tiến hành phân tích nhiệt DTA/TG .
2.4.3.3. Phân tích nhiệt mẫu M7 (talc, magie oxit, canxi cacbonat, sắt(III) oxit)
Mẫu hỗn hợp gồm bột talc, magie oxit , canxi cacbonat và sắt (III) oxit với thành phần (46,69% Talc, 3,96% magie oxit, 49,35% canxi cacbonat, 1,00% Sắt (III) oxit ). Mẫu được tiến hành phân tích nhiệt DTA/TG .
2.4.4. Khảo sát ảnh hƣởng của Crom (III) oxit , Sắt (III) oxit đến sự hình thành Monticelite. Monticelite.
2.4.4.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của Crom (III) oxit , Sắt (III) oxit đến sự hình thành Monticelite bằng phƣơng pháp XRD
Chuẩn bị các mẫu với hàm lượng Crom (III) oxit và Sắt (III) oxit thay đổi như trong bảng 2.1 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các mẫu phối liệu với thành phần như trên được trộn đều trong máy nghiền hành tinh trong 30 phút với tốc độ 200 vịng/phút, sau đó lấy ra trộn chất kết dính PVA, ép viên hình trụ, sấy khơ rồi tiến hành nung thiêu kết ở 12000C, tốc độ nâng
Luận văn tốt nghiệp bộ mơn Hố học vô cơ
máy D8 ADVANCE BRUKER-LB Đức, góc quay 2 từ 5 -700, bức xạ Cu-K tại
khoa Hóa học trường ĐHKHTN.
2.4.4.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của Crom (III) oxit , Sắt (III) oxit đến sự hình thành Monticelite bằng phƣơng pháp SEM
Từ kết quả phân tích XRD chúng tơi xác định được sự hình thành pha tinh thể, từ đó chúng tơi chọn các mẫu M3, M6, M7, M11 điển hình để tiến hành xác định hình thái học bằng phương pháp SEM tại khoa Vật Lý – Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên –ĐHQGHN.
2.4.4.3. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng crom(III) oxit, sắt (III) oxit đến các tính chất của vật liệu
2.4.4.3.1. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng crom(III) oxit, sắt (III) oxit đến độ hút nƣớc của vật liệu
Các mẫu ứng với hàm lượng crom (III) oxit và sắt (III) oxit khác 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
2.4.4.3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng crom (III) oxit và sắt (III) oxit đến khối lƣợng 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 khối lượng riêng và độ xốp bằng phương pháp Ascimet theo mục 1.5.4.3
2.4.4.3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng crom(III) oxit và sắt(III) 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.
2.4.4.3.4. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng crom (III) oxit, sắt (III) oxit đến cƣờng độ kháng nén của vật liệu
Các mẫu M1,M2, M7, M8, M9, M10,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 Nam.
2.4.4.3.5. Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng crom (III) oxit, sắt (III) 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.
2.4.5. Khảo sát và xây dựng quy trình điều chế gốm monticelite
2.4.5.1. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành Monticellite
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 tơi tiến hành khảo sát nhiệt độ nung để chọn điều kiện phù hợp tổng hợp vật liệu gốm Monticelite.
Trên cơ sở kết quả khảo sát ảnh hưởng của sắt (III) oxit và crom (III) oxit đến sự hình thành Monticelite chúng tơi nhận thấy mẫu M11 cho kết quả tốt nhất về hàm lượng tinh thể monticelite cũng như sự sắp xếp các hạt chặt chẽ và đồng đều và đạt các tính chất cơ lý tốt nên chúng tơi tiến hành khảo sát nhiệt độ nung đối với mẫu M11 (ứng với thành phần bột talc 46,69%, magie oxit 3,96%, canxi cacbonat 49,35%, sắt (III) oxit 3,00%).
Tiến hành nghiền mịn talc, magie oxit, canxi cacbonat, sắt (III) oxit, rồi chuẩn bị mẫu nghiên cứu bằng cách cân hàm lượng các nguyên liệu theo thành phần đã tính tốn. Phối liệu được trộn trong máy nghiền hành tinh trong 30 phút với tốc độ 200 vịng/ phút. Sau đó được tạo độ kết dính bằng PVA, rồi ép viên, sấy khơ, 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.
2.4.5.1.1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành Monticellite bằng phƣơng pháp XRD, SEM
Các mẫu T - 1050, T - 1100, T - 1150, T-1200 sau khi nung thiêu kết được tiến hành xác định thành phần pha, cấu trúc tinh thể.
Luận văn tốt nghiệp bộ môn Hố học vơ cơ
2.4.5.1.2. Nghiên cứu 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…
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, MgO, canxi cacbonat) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kết quả phân tích nhiệt DTA/TG thu được trên giản đồ 3.1.
Hình 3.1. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp
Trên giản đồ hình 3.1 cho thấy trong khoảng từ 750 đến 8700C có sự mất khối lượng mạnh 21,15% và xuất hiện hiệu ứng thu nhiệt rõ rệt với cực tiểu ở 813,60
C. 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 1,62% 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 phù hợp với các tác giả [2,3,18] đã công bố.
Luận văn tốt nghiệp bộ môn Hố học vơ cơ 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. Theo các tác giả và cộng sự [6,10,20] 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 Monticellite (CaO.MgO.SiO2) hay Akermanite (2CaO.
MgO.SiO2), phản ứng giữa MgO.2SiO2 với CaO để tạo diopside
(CaO.MgO.2SiO2)...
Từ kết quả trên chúng tôi chọn nhiệt độ nung thiêu kết các mẫu nghiên cứu