I: cordierite (2MgỌ2Al 2O3.5SiO2)
1.2.2.2.Tổng hợp composite MC bằng ph−ơng pháp sol-gel
Do có nhiều −u điểm nên ph−ơng pháp sol-gel cũng đ−ợc nhiều nhà khoa học sử dụng để tổng hợp composite MC.
T. Ebadzadeh và cộng sự [30] đã tổng hợp composite MC đi từ nguyên liệu đầu là keo SiO2 và các muối Al2(SO4)3, Mg(NO3)2. Ph−ơng pháp sol-gel đ−ợc sử dụng để tổng hợp mullite thiêu kết và cordierite thiêu kết tinh khiết có độ chắc
đặc cao, sau đó sử dụng các sản phẩm làm nguyên liệu đầu để tổng hợp composite MC (sơ đồ quá trình tổng hợp đ−ợc nêu ở hình 1.16).
Theo ph−ơng pháp sol-gel, precursor mullite đ−ợc điều chế bằng cách phân tán keo SiO2 vào dung dịch muối Al2(SO4)3, sau đó tiến hành gel hoá hỗn hợp sao cho precursor thu đ−ợc đúng tỉ lệ hợp thức của mullite (3Al2O3.2SiO2), sau khi sấy khô, nghiền mịn, ép viên và nung thiêu kết hoàn toàn ở 1700oC trong thời gian 2 giờ. Mẫu gốm mullite thiêu kết đ−ợc nghiền mịn bằng máy nghiền hành tinh (dùng bi zirconia) trong dung môi etanol, thời gian nghiền 22 giờ.
Precursor cordierite đ−ợc điều chế bằng cách phân tán keo SiO2 vào hỗn hợp dung dịch Al2(SO4)3 và Mg(NO3)2, sau đó gel hoá hỗn hợp sao cho precursor thu đ−ợc đúng tỉ lệ hợp thức của cordieritẹ Sau khi sấy khô, precursor đ−ợc nghiền mịn, ép viên và nung thiêu kết ở 1300oC trong thời gian 2 giờ. Mẫu gốm sau khi nung thiêu kết đ−ợc nghiền mịn bằng máy nghiền hành tinh (dùng bi zirconia) trong dung môi etanol.
Bột mullite và cordierite thiêu kết đ−ợc sử dụng làm nguyên liệu đầu để tổng hợp composite MC. Thành phần phối liệu của các mẫu composite MC đ−ợc chuẩn bị theo các tỉ lệ khối l−ợng khác nhau của bột mullite và cordierite thiêu kết. Phối liệu đ−ợc trộn đều bằng máy nghiền bi trong dung môi etanol, sau khi làm khô, ép viên với lực nén khoảng 250 MPa và nung thiêu kết ở 1300oC trong 2 giờ. Các tác giả cho thấy: quá trình tổng hợp mullite và cordierite thiêu kết bằng ph−ơng pháp sol-gel cho sản phẩm thiêu kết rất tốt, thành phần đơn pha, các tính chất cơ nhiệt đạt yêu cầu kỹ thuật. Vì thế, khi sử dụng mullite và cordierite đã thiêu kết để tổng hợp composite MC, có thể kiểm soát đ−ợc thành phần pha của vật liệụ Quan hệ tuyến tính giữa các tính chất nh− hệ số giãn nở nhiệt, khối l−ợng thể tích, hằng số điện môị.. và thành phần của vật liệu cũng đ−ợc xác nhận nh− công bố của M.Ạ Camerucci và cộng sự. Mặt khác, khi thay đổi thành phần, có thể điều chỉnh đ−ợc tính chất của composite MC theo ý muốn. Tuy có nhiều
−u điểm nh−ng ph−ơng pháp trên khá phức tạp, phải trải qua nhiều giai đoạn nung thiêu kết.
G.M.Ụ Ismail và các cộng sự [51] cũng đã nghiên cứu tổng hợp composite MC bằng ph−ơng pháp sol-gel với nguyên liệu là boehmite AlO(OH), keo SiO2 và dung dịch muối Mg(NO3)2 nh−ng chỉ nung thiêu kết 1 lần precursor mullite-cordiertitẹ Quy trình tổng hợp composite MC bằng ph−ơng pháp sol-gel theo G.M.Ụ Ismail đ−ợc trình bày ở hình 1.17. Bột boehmite tinh khiết (hãng Vista Chemical) có diện tích bề mặt riêng 270 m2/g đ−ợc phân tán vào n−ớc tinh khiết tạo thành sol. Keo SiO2 (hãng Nihon Silica) với diện tích bề mặt riêng 140 m2/g đ−ợc phân tán vào n−ớc cất tạo thành dung dịch keọ Tr−ớc tiên, sol boehmite và keo SiO2 đ−ợc phối liệu với nhau sao cho sol mullite thu đ−ợc có tỷ lệ (Al2O3/SiO2 = 1,5). Sau đó, điều chế sol cordierite từ boehmite, keo SiO2 và dung dịch Mg(NO3)2 sao cho thành phần ứng với tỷ lệ hợp thức của cordieritẹ Sol mullite và sol cordierite phối trộn với nhau tạo thành hỗn hợp có hàm l−ợng cordierite lần l−ợt là 20, 30, 40, 50 và 60%. Hỗn hợp sau khi trộn có độ nhớt cao và đ−ợc gel hoá. Quá trình tạo gel đóng vai trò rất quan trọng để hình thành các pha mullite và cordierite trong composite MC. Các mẫu precursor MC đ−ợc sấy khô ở 90oC, nghiền mịn qua rây có kích th−ớc lỗ 63 àm và nung sơ bộ ở nhiệt độ 600oC. Precursor sau khi nung sơ bộ đ−ợc ép viên và nung thiêu kết ở nhiệt độ khác nhau từ 1300oC đến 1450oC trong thời gian 3 giờ.
Kết quả nghiên cứu của tác giả cho thấy khi hàm l−ợng phối liệu cordierite < 10% thì sau khi nung thiêu kết, thành phần pha của vật liệu không có mặt cả cordierite và mullitẹ Điều này chứng tỏ MgO tạo dung dịch rắn với mullitẹ Các pha mullite và cordierite xuất hiện khi hàm l−ợng cordierite trong phối liệu > 20%. Khi tăng dần hàm l−ợng cordierite từ 20 ữ 60%, c−ờng độ các pic nhiễu xạ của cordierite tăng, của mullite giảm xuống. Giữa thành phần phối liệu ban đầu và các tính chất của vật liệu có mối quan hệ hữu cơ với nhau : khi tăng dần hàm l−ợng phối liệu cordierite, hệ số giãn nở nhiệt, c−ờng độ bền uốn của vật liệu giảm, ng−ợc lại khối l−ợng thể tích của vật liệu tăng.
1300oC, 2 giờ 250MPa 90oC 6 giờ 90oC 90oC 30 giờ 22 giờ 1700oC, 2 giờ 1300oC, 2 giờ 90oC 90oC Nung ép viên Sấy Nghiền hỗn hợp Phối liệu composite MC
Rây Sấy Nghiền Thiêu kết Nghiền Sấy Tạo gel Rây Sấy Nghiền Thiêu kết Nghiền Sấy Tạo gel
Phối liệu mullite
Phối liệu cordierite
Mg(NO3)2.6H2O
Keo SiO2
Al2(SO4)3.16H2O
Keo SiO2
Al2(SO4)3.16H2O
Hình 1.16. Quy trình tổng hợp composite MC bằng ph−ơng pháp sol-gel theo T. Ebadzadeh [30]
Nung thiêu kết ép viên
Phối liệu composite mullite-cordierite Rây Nghiền Nung sơ bộ Nghiền Sấy Tạo gel Dung dịch Mg(NO3)2 SiO2 AlO(OH) Keo SiO2 AlO(OH)
Hình 1.17. Quy trình tổng hợp composite MC bằng ph−ơng pháp sol-gel theo G.M.Ụ Ismail [51]