Tổng hợp vật liệu gốm diopzit CaO.MgO.2SiO2 và nghiên cứu ảnh hưởng của talc đến cấu trúc, tính chất của vật liệu

8/12/2019 Tổng hợp vật liệu gốm diopzit CaO.MgO.2SiO2 và nghiên cứu ảnh hưởng của talc đến cấu trúc, tính chất của vật li…

http://slidepdf.com/reader/full/tong-hop-vat-lieu-gom-diopzit-caomgo2sio2-va-nghien-cuu-anh 1/71

1

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU .......................................................................................................1 Chươ ng 1- TỔNG QUAN ............................................................................2

1.1. Giớ i thiệu về talc ................................................................................2 1.1.1. Nguồn gốc hình thành talc ........................................................... 2 1.1.2. Thành phần hóa học và thành phần khoáng talc............................2 1.1.3. Cấu trúc của talc ........................................................................... 3 1.1.4. Tính chất của talc .........................................................................5 1.1.5. Ứ ng dụng của talc.........................................................................6

1.2. Giớ i thiệu chung về vật liệu gốm .................................................... 10 1.2.1. Vật liệu gốm .............................................................................. 10 1.2.2. Các phươ ng pháp tổng hợ p gốm .................................................11

1.2.2.1. Phươ ng pháp sol-gel ............................................................ 11 1.2.2.2. Phươ ng pháp đồng k ế t t ủa ................................................... 12 1.2.2.3. Phươ ng pháp phân tán r ắ n - lỏng ........................................ 12 1.2.2.4. Phươ ng pháp đ iề u chế gố m truyề n thố ng ............................. 12

1.3. Giớ i thiệu chung về hệ bậc ba CaO-MgO-SiO2 ............................. 13 1.3.1. Khái quát về các oxit trong hệ CaO.MgO.SiO2 ........................... 13

1.3.1.1. Canxi oxit (CaO .................................................................. 13 1.3.1.2. Magie oxit (MgO) ................................................................ 14 1.3.1.3. Silic oxit (SiO2) ................................................................... 14

1.3.2. Khái quát về gốm hệ CaO. MgO.SiO2 ........................................ 16 1.4. Giớ i thiệu về gốm diopside .............................................................. 18

1.4.1.Cấu trúc của Diopside.................................................................. 18 1.4.2.Tính chất của gốm Diopside ........................................................ 19 1.4.3. Ứ ng dụng của gốm Diopside ...................................................... 19

1.5. Giớ i thiệu phản ứ ng giữ a pha rắn .................................................. 19 1.5.1. Cơ chế phản ứng giữa các pha rắn .............................................. 19 1.5.2.Các yếu tố ảnh hưở ng đến phản ứng giữa các pha rắn.................20 1.5.3. Phản ứng phân hủy nhiệt nội phân tử .......................................... 22

1.6. Các phươ ng pháp thự c nghiệm....................................................... 23 1.6.1. Phươ ng pháp phân tích nhiệt ...................................................... 23 1.6.2.Phươ ng pháp phân tích nhiễu xạ tia X .........................................25

1.6.3. Hình ảnh quét bằng kính hiển vi điện tử SEM............................. 26 1.6.4. Phươ ng pháp xác định các tính chất vật lí ................................... 27

1.6.4.1. Xác định độ co ngót khi nung ............................................... 27 1.6.4.2. Xác định độ hút nướ c ........................................................... 28 1.6.4.3. Xác định khố i lượ ng riêng bằ ng phươ ng pháp Acsimet ........28 1.6.4.4. Xác định cườ ng độ nén ........................................................ 28

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON



2

1.6.4.5. H ệ số giản nở nhiệt .............................................................. 29 1.6.4.6. Độ bề n số c nhiệt .................................................................. 30 1.6.4.7. Độ chịu lử a .......................................................................... 30 1.6.4.8. Tính chấ t đ iện ...................................................................... 31

Chươ ng 2. THỰ C NGHIỆM ..................................................................... 33 2.1. Dụng cụ, thiết bị, hóa chất ............................................................. 33 2.1.1. Hóa chất..................................................................................... 33 2.1.2. Dụng cụ ...................................................................................... 33

2.2. Thự c nghiệm .................................................................................... 33 2.2.1. Khảo sát ảnh hưở ng của thờ i gian nghiền đến kích thướ c hạt củabột talc..................................................................................................33 2.2.2. Phân tích thành phần của khoáng talc ......................................... 34 2.2.3. Khảo sát sự phân hủy nhiệt của talc ............................................ 34 2.2.4. Phân tích nhiệt mẫu hỗn hợ p (talc , thạch anh, canxi cacbonat) .. 34

2.2.5. Khảo sát ảnh hưở ng của bột talc đến sự hình thành diopside ......34 2.2.6. Khảo sát ảnh hưở ng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thànhdiopside................................................................................................ 35 2.2.7. Khảo sát ảnh hưở ng của chất khoáng hóa đến sự hình thành phatinh thể gốm ......................................................................................... 36 2.2.8. Khảo sát ảnh hưở ng của hàm lượ ng bột talc đến các tính chất củavật liệu.................................................................................................. 36

2.2.8.1. Khảo sát ảnh hưở ng của hàm lượ ng bột talc đế n độ hút nướ ccủa vật liệu ....................................................................................... 36 2.2.8.2. Khảo sát ảnh hưở ng của hàm lượ ng bột talc đế n t ỉ khố i và độ

xố p c

ủa v

ật li

ệu................................................................................. 37

2.2.8.3. Khảo sát ảnh hưở ng của hàm lượ ng bột talc đế n độ co ngót

của vật liệu ....................................................................................... 37 2.2.8.4. Khảo sát ảnh hưở ng của hàm lượ ng bột talc đế n cườ ng độ

kháng nén của vật liệu ...................................................................... 37 2.2.8.5.Khảo sát ảnh hưở ng của hàm lượ ng bột talc đế n độ bề n xố cnhiệt của vật liệu .............................................................................. 37 2.2.8.6. Khảo sát ảnh hưở ng của hàm lượ ng bột talc đế n tính chấ tđ iện của vật liệu ............................................................................... 37

Chươ ng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 38 3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưở ng của thờ i gian nghiền đến kích thướ ccủa bột talc.............................................................................................. 38 3.2. Kết quả phân tích thành phần bột talc........................................... 38 3.3. Kết quả phân tích nhiệt bột talc...................................................... 40 3.4. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu hỗn hợ p (talc, SiO2, canxicacbonat)................................................................................................. 41





3

3.5. Ảnh hưở ng của hàm lượ ng bột talc đến sự hình thành diopside ..43 3.6.Ảnh hưở ng của nhiệt độ nung đến hình thành diopside................. 45 3.7. Ảnh hưở ng của chất khoáng hóa đến sự hình thành pha của vậtliệu ........................................................................................................... 49

3.8. Kết quả ảnh SEM ............................................................................ 53 3.9. Ảnh hưở ng của bột talc đến các tính chất của vật liệu ................. 55 3.9.1. Độ co ngót .................................................................................. 55 3.9.2. Độ hút nướ c................................................................................ 57 3.9.3. Độ xốp, tỉ khối ............................................................................ 58 3.9.4. Cườ ng độ kháng nén................................................................... 59 3.9.5. Hệ số giãn nở nhiệt ..................................................................... 59 3.9.6. Độ bền xốc nhiệt......................................................................... 60 3.9.7. Độ chịu lửa ................................................................................. 60 3.9.8.Độ dẫn điện ................................................................................. 61

KẾT LUẬN................................................................................................. 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 66





1

MỞ ĐẦU

Công nghiệp gốm sứ là một trong những ngành cổ truyền đượ c phát triển rất

sớ m. Từ hơ n 9000 năm trướ c công nguyên vật liệu gốm đã đượ c con ngườ i biết đếnvà sử dụng. Ngày nay cùng vớ i sự phát triển của khoa học kỹ thuật, vật liệu gốm

càng ngày càng đượ c sử dụng rộng rãi, đặc biệt sự ra đờ i của nhiều loại gốm mớ i

vớ i nhiều đặc tính ưu việt đang trở thành đề tài đượ c rất nhiều nhà khoa học trên thế

giớ i và trong nướ c quan tâm nghiên cứu.

Gốm diopside (CaO.MgO.2SiO2) là một trong những loại gốm mớ i có nhiều

tính chất vượ t trội: như có độ bền cơ học cao, có tính đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt

thấp, không phản ứng vớ i axit, bazơ , vớ i tác nhân oxi hóa, có hoạt tính sinh học,

không có tính độc vớ i sự phát triển của tế bào…Vớ i những đặc tính như vậy nên

gốm diopside đượ c sử dụng trong nhiều l ĩ nh vực công nghệ khác nhau: công nghệ

xây dựng, công nghệ điện, điện tử, sinh học…

Do vậy, việc nghiên cứu tổng hợ p gốm diopside sẽ góp phần vào sự phát

triển của ngành công nghệ vật liệu gốm.

Hiện nay có rất nhiều phươ ng pháp tổng hợ p gốm diopside: Phươ ng pháp

truyền thống, phươ ng pháp đồng kết tủa, phươ ng pháp sol-gel, phươ ng pháp khuếch

tán pha rắn vào pha lỏng…Trong đó, phươ ng pháp gốm truyền thống có nhiều ưu

điểm về cách phối trộn nguyên liệu ban đầu dẫn đến sự đồng nhất cao về sản phẩm.

Không những thế, xu thế hiện nay, ngườ i ta đi tổng hợ p gốm diopside từ các

khoáng chất có sẵn trong tự nhiên như: đá vôi, khoáng talc, thạch anh…để thu đượ c

diopside có giá thành rẻ mà vẫn giữ đượ c những đặc tính quan trọng.

Vớ i mục đích sử dụng nguồn nguyên liệu khoáng sản sẵn có của Việt Nam

để sản xuất các vật liệu gốm phục vụ cho sự phát triển kinh tế của đất nướ c, chúng

tôi chọn đề tài cho luận văn: “T ổ ng hợ p vật liệu gố m diopzit CaO.MgO.2SiO2 và

nghiên cứ u ảnh hưở ng của talc đế n cấ u trúc, tính chấ t của vật liệu”.





2

Chươ ng 1- TỔNG QUAN

1.1. GIỚ I THIỆU VỀ TALC

1.1.1. Nguồn gốc hình thành talc [33]

Talc là một khoáng vật đượ c hình thành từ quá trình biến chất các khoáng vậtmagie như pyroxen, amphiboli, olivin có mặt của nướ c và cacbon đioxit. Quá trình

này tạo ra các đá tươ ng ứng gọi là talc cacbonat.

Talc ban đầu đượ c hình thành bở i sự hydrat và cacbonat hóa serpentin, theo

chuỗi phản ứng sau:

Serpentin + cacbon đioxit → Talc + manhezite + nướ c

2Mg3Si2O5(OH)4 + CO2 → Mg3Si4O10(OH)2 + 3 MgCO3 + 3 H2O

Bên cạnh đó, talc cũng đượ c tạo ra thông qua quá trình biến chất tiếp xúc bở iphản ứng giữa dolomit và silica, gọi là skarn hóa dolomit.

Dolomit + silica + nướ c → Talc + canxít + cacbon đ ioxit

3 CaMg(CO3)2 + 4SiO2 + H2O → Mg3Si4O10(OH)2 + 3 CaCO3 + 3CO2

Talc cũng đượ c tạo thành từ magie chlorit và thạch anh có mặt trong đá phiến

lục và eclogit qua phản ứng biến chất.

Chlorite + thạch anh → Kyanite + talc + H2O

Trong phản ứng này, tỉ lệ talc và kyanite phụ thuộc vào hàm lượ ng nhôm

trong đá giàu nhôm. Quá trình này xảy ra trong điều kiện áp suất cao và nhiệt độ

thấp thườ ng tạo ra phengite, granate, glaucophan trong tướ ng phiến lục. Các đá có

màu trắng, dễ vỡ vụn và dạng sợ i đượ c gọi là phiến đá trắng.

1.1.2. Thành phần hóa học và thành phần khoáng talc [8]

+ Thành phần hóa học

Bột talc có tên gọi hóa học là hydrous magnesium silicate. Talc tinh khiết có

công thức hóa học là Mg3Si4O10(OH)2 vớ i tỷ lệ MgO: 31,9% , SiO2: 63,4% và H2O:

4,7%. Tuy nhiên quặng talc trong tự nhiên thườ ng chứa các tạp chất như FeO,

Fe2O3, Al2O3, Na2O, K2O, CaO... hàm lượ ng các tạp chất thườ ng chứa vài phần

trăm. Trong những tạp chất trên ngườ i ta lưu ý nhiều đến thành phần của các oxit

kim loại nhóm d vì chúng có khả năng gây màu, gây màu mạnh nhất là oxit sắt. Nếu





3

sử dụng talc làm nguyên liệu sản xuất gốm sứ hay vật liệu chịu lửa thì ngườ i ta

thườ ng chọn talc có thành phần oxit sắt nhỏ. Màu của talc thườ ng là màu xanh sáng,

trắng hoặc xanh xám. Nếu oxit sắt lớ n thì có màu trắng ngà hoặc phớ t hồng.

+ Thành phần khoáng vậtDo nguồn gốc của talc đượ c hình thành từ quá trình biến đổi nhiệt dịch đá giàu

magie, các đá silicat trầm tích, các đá cacbonat magie nên ngoài talc

Mg3[Si4O10(OH)2 ] thì quặng talc còn có các khoáng như: dolomite Mg.Ca(CO3)2;

manhezite MgCO3; serpentin 4MgO.2SiO2.2H2O; actinolite Ca2Fe5[Si4O11]2.(OH)2;

manhetite Fe3O4; hemantite Fe2O3…

Trong thực tế cùng họ khoáng silicat magie ba lớ p có khoáng pyrophillit

Al2O

3.2SiO

2.H

2O có một số tính chất vật lý, ứng dụng rất giống talc.

1.1.3. Cấu trúc của talc [3, 16]

Khoáng chất talc có cấu trúc tinh thể và ở dạng cấu trúc lớ p: tứ diện –bát diện-

tứ diện (T-O-T). Hình 1.1 mô tả cấu trúc tinh thể của talc.





4

Hình 1.1. C ấ u trúc tinh thể talc

Cấu trúc lớ p cơ bản của talc đượ c tạo thành từ lớ p bát diện Mg-O2 /hyđroxyl

nằm kẹp giữa 2 lớ p tứ diện SiO2.Các lớ p đều trung hòa điện tích, xen giữa chúng

không có cation trao đổi và chúng liên kết vớ i nhau bằng lực liên kết yếu. Điều này

dẫn đến độ cứng thấp và khuyết tật trong trình tự các lớ p của talc.

Talc có thể kết tinh trong hai hệ tinh thể khác nhau: một nghiêng và ba

nghiêng. Thông số cấu trúc tinh thể tế bào đơ n vị hệ một nghiêng và ba nghiêng

đượ c trình bày trong bảng 1.1.

Bảng 1.1. Thông số cấu trúc của talc

Thông số tế bào đơ n vị Một nghiêng Ba nghiêng

a ( 0 A ) 5,28 5,290

b ( 0 A ) 9,15 9,173

c ( 0 A ) 18,92 9,460

α (0) 90,00 98,68

β (0) 100,15 119,90

γ (0) 90,00 85,27

Z 4 2

Nhóm không gian C2/c 1C

Khi các lớ p TOT chồng lên nhau thì các vòng sáu tứ diện của chúng không

đối nhau trực diện, mà lệch nhau một khoảng bằng 1/3 cạnh a của ô cơ sở . Mặt

khác, vòng sáu cạnh tứ diện không đối xứng sáu phươ ng, mà ba phươ ng kép do các





5

tứ diện tự xoay một góc quanh trục đứng. Vậy, talc có những loại cấu trúc như 1Tc

(một lớ p ba nghiêng), 2M (hai lớ p một nghiêng) và 2O (hai lớ p trực thoi).

Tinh thể talc có dạng hình vẩy. Thườ ng tập hợ p tạo các lá hay khối sít đặc. Do

lực liên kết các vảy nhỏ nên sờ tay có cảm giác mỡ .Khi nghiên cứu talc bằng phươ ng pháp phổ nhiễu xạ XRD, tinh thể talc cho

các vạch Rơ nghen chính dhkl: 9,25; 3,104; 1,525.

Về tính chất quang học tinh thể talc có giá trị chiết suất Ng = 1,575-1,590; Np

= 1,538-1, 545; Ng-Np=0,030-0,050, góc 2v=0-300.

1.1.4. Tính chất của talc [2, 3, 33]

Trong các loại khoáng chất có trong tự nhiên, bột talc là loại bột mềm nhất (độ

cứng 1 Moh), có khả năng giữ mùi thơ m lâu và đặc biệt là có độ sạch cao. Tỷ trọng

của bột talc dao động trong khoảng 2,58 - 2,83 g/cm3, talc nóng chảy ở 15000C.

Bề mặt chính hay bề mặt cơ sở trên các phiến cơ sở của talc không chứa các

nhóm hyđroxyl hay các ion hoạt động, điều này giải thích tính kỵ nướ c và trơ về

mặt hóa học của talc, dẫn điện, dẫn nhiệt kém. Chính vì vậy talc đượ c sử dụng trong

sản xuất bộ phận cách điện tần số cao.

Talc không tan trong nướ c cũng như trong dung dịch axit hay bazơ yếu. Mặc

dù có rất ít khả năng gây phản ứng hóa học nhưng talc có một mối quan hệ rõ rệt

vớ i các chất hữu cơ tức là nó ưa các hợ p chất hữu cơ .

Khi nung talc có hiệu ứng nhiệt mạnh bắt đầu từ 9000C, thông thườ ng là 920-

10600C nếu nung nóng trong môi trườ ng không khí. Ở khoảng nhiệt độ này talc bị

mất nướ c hóa học tạo thành metasilicat magie.

3MgO.4SiO2.H2O → 3(MgO.SiO2) + SiO2 + H2O

Khi đó SiO2 đượ c tách ra ở trạng thái vô định hình. Ở 11000C nó chuyển một

phần sang cristobalit kèm theo giãn nở thể tích. Cristobalit có khối lượ ng riêng nhỏ

và nó sẽ bù trừ sức co khi nung talc. Vì thế thể tích quặng talc khi nung thực tế ổn

định. Nhờ tính ổn định thể tích và độ mềm của nó cho phép ta có thể sử dụng quặng

talc cưa thành những viên gạch xây lò, buồng đốt nhiên liệu khí.





6

Tạp chất Al2O3 và CaO làm giảm độ chịu lửa của sản phẩm. Oxit sắt mặc dù

xúc tiến quá trình kết khối của gạch forsterite nhưng hạ thấp độ chịu lửa của chúng.

FeO có trong nguyên liệu silicat manhê sẽ bị oxi hóa ở nhiệt độ 500-6000C. Ở nhiệt

độ cao hơ n nó sẽ phản ứng vớ i forsterite để tạo metasilicat manhê theo phản ứng :2MgO.SiO2 + Fe2O3 → MgO.SiO2 + MgO.Fe2O3

Sự oxi hóa sắt sẽ làm mủn sản phẩm đồng thờ i lại tiêu tốn MgO để biến thành

2MgO.SiO2 cho nên phải hạn chế oxit sắt trong nguyên liệu.

Nếu trong môi trườ ng chân không thì quá trình phân hủy có thể bắt đầu từ

7000C [ Kronơ t, 1964]. Sự phân hủy và tách nướ c hóa học khoáng talc khoảng 4,8%

khối lượ ng. Tuy nhiên tùy thuộc vào thành phần tạp chất mà nhiệt độ phân hủy và

tách nướ c có thể diễn ra từ 7500C – 8000C. Các nghiên cứu trướ c đây của Pask;

Warner (1954); Lapin (1952); Gapeep (1965) và một số tác giả khác đều thống nhất

rằng calxit; dolomit; clorit; montmorillonit là những khoáng tạp làm thay đổi nhiệt

độ và giá trị hiệu ứng phân hủy nhiệt của quặng talc.

Khi nung talc đến nhiệt độ cao hơ n metasilicat magie hoạt tính phản ứng để

tạo ra các khoáng bền hơ n như: enstatit- MgO.SiO2, còn SiO2 sẽ tồn tại ở dạng

cristobalit.

Nếu phối liệu chứa các cấu tử khác MgO, Al2O3, SiO2… thì sản phẩm của quá

trình nung khoáng talc có thể cho enstatit, corđierit, spinel…

Bả ng 1.2. Tiêu chuẩ n chấ t l ượ ng khoáng talc theo ISO (ISO 3262) [33]

LoạiHàm lượ ng Talc trung

bình %Mất khi nung ở

1000 °C, %Khả năng hòa tan trong HCl,

tối đa %A 95 4 – 6,5 5B 90 4 – 9 10

C 70 4 – 18 30

D 50 4 – 27 30

1.1.5. Ứ ng dụng của talcVớ i các tính chất của talc như: cấu trúc dạng phiến, mềm, kỵ nướ c, ưa dầu và

có thành phần khoáng... nên Talc đượ c ứng dụng rộng rãi trong các ngành công

nghiệp như gốm, sơ n, m ĩ phẩm, polime …[14, 33]





7

Trong nông nghiệ p và thự c phẩ m: Talc là một tác nhân chống đóng bánh có

hiệu quả, là tác nhân phân tán và cố định chất nhờ n và do đó giúp thức ăn cho động

vật và các loại phân bón cho cây trồng có hiệu quả hơ n. Trong các hỗn hợ p và chất

hóa học dùng trong nông nghiệp, talc là một chất mang trơ lý tưở ng.Talc cũng đượ c sử dụng như một tác nhân phủ chống dính trong một số các

thực phẩm phổ biến như kẹo cao su, kẹo ngọt, các loại thịt chế biến sẵn,...Trong sản

xuất dầu oliu, talc có vai trò như chất trợ giúp cho quá trình chế biến, tăng năng suất

và cải thiện độ trong của dầu.

Trong công nghiệ p gố m: Talc thuộc nhóm silicat có ứng dụng rộng rãi trong

các loại gạch ốp lát, các đồ vệ sinh, các đồ dùng nhà bếp,...các vật liệu chịu lửa và

gốm k ĩ thuật. Trong các loại gốm xây dựng truyền thống (như gạch và đồ vệ sinh),

về cơ bản nó đượ c sử dụng như một chất pha loãng, làm cho nhiệt độ và chu trình

nung thích hợ p đượ c giảm xuống. Trong gốm nghệ thuật talc đượ c thêm vào để làm

tăng độ trắng và tăng khả năng chịu nhiệt khi nung, tránh nứt vỡ .Trong stoneware,

một lượ ng nhỏ talc đượ c thêm vào để làm tăng độ bền và làm chảy thủy tinh. Là

nguyên liệu sản xuất MgO bở i quá trình điện phân nóng chảy.

Chế tạo gốm xốp đã đượ c nhiều tác giả trên thế giớ i quan tâm nghiên cứu .

Tác giả Kiyoshi Okada [17] đã điều chế một loại gốm xốp bằng cách nung hỗn hợ p

bột talc và các hạt thuỷ tinh vớ i sự có mặt của LiCl. Tỷ lệ của thành phần bột talc :

hạt thuỷ tinh = 7 : 8; 8 : 2; 9 : 1. Sản phẩm tạo thành có độ bền cơ học cao cho

phép gia công khoan, cắt dễ dàng.

Chandra và các đồng nghiệp [15] đã nghiên cứu ảnh hưở ng của bột talc đến

khả năng thiêu kết của ngói lợ p trên cơ sở tro bay. Hàm luợ ng talc đưa vào lần lượ t

từ 0 đến 100% theo khối lượ ng khi có mặt của 10% natri hexametaphotphat. Khi có

mặt bột talc làm giảm nồng độ của silimatit Al2[OSiO4] và tăng hàm lượ ng của tinh

thể natri magiephotphat dẫn đến cải thiện độ bền nén của ngói lợ p. Khi tăng hàm

lượ ng bột talc, độ hấp thụ nướ c ban đầu giảm xuống và đạt giá trị nhỏ nhất khi có

60% bột talc. Ở trên nồng độ này, quá trình hấp phụ nướ c bắt đầu tăng trở lại. Tỷ

trọng của ngói lợ p tăng lên khi tăng hàm lượ ng bột talc trong hỗn hợ p.





8

Trong một nghiên cứu vật liệu gốm cordierite của nhóm tác giả R. Goren [32]

đã tổng hợ p từ hỗn hợ p 4 loại hợ p chất khác nhau: talc, tro bay, silic oxit và nhôm

oxit. Corđirerit rắn có cấu trúc lục giác thu đượ c ở nhiệt độ thiêu kết 1350oC trong

1 giờ .Nhóm tác giả Phan Văn Tườ ng và cộng sự [11] đã tổng hợ p đượ c gốm

compozit mulite-cordierite từ cao lanh A lướ i và talc Phú Thọ vớ i hệ số dãn nở

nhiệt rất bé (α=3,26.10-6 / 0C), độ bền sốc nhiệt đạt trên 30 lần (sau khi nung ở

10000C và làm lạnh đột ngột bằng nướ c). Độ chịu lửa đạt >15800C.

Cùng hướ ng quan tâm đến vật liệu gốm cordirite, tác giả Trần Ngọc Tuyền ở

trườ ng Đại học Khoa học, Đại học Huế nghiên cứu tổng hợ p vật liệu này từ cao

lanh Lâm Đồng và Talc Phú Thọ. Kết quả cho thấy mẫu sau khi nung ở 1250

0

C cóđộ thiêu kết tốt, thành phần pha chủ yếu là α-cordirite, có hệ số giãn nở thấp

(α=4,1.10-6 / 0C) [12].

Trong công nghiệ p giấ y: Talc đượ c sử dụng trong cả hai loại giấy in có lớ p

phủ và không có lớ p phủ, trong đó chúng cải thiện khả năng bám mực cũng như

giảm độ ma sát của bề mặt giấy. Chúng cũng cải thiện độ trắng và giảm sự giây

mực. Talc làm sạch quá trình sản xuất giấy bằng cách thu hút bất kỳ hạt nhựa cây

nào còn lại trong bột giấy lên trên bề mặt dạng phiến của chúng, do đó ngăn ngừa

quá trình kết tụ và lắng đọng của những hạt nhựa này trên bề mặt giấy [34].

Trong công nghiệ p cao su: Bột talc đượ c dùng làm chất phụ gia cho quá trình

chế biến và làm chất độn gia cườ ng. Talc làm giảm độ nhớ t của các hợ p chất cao su,

do đó làm cho các bộ phận đúc và ép dễ dàng hơ n. Chúng cũng cải thiện điều kiện

công nghệ của các quá trình này, tăng tốc độ sản xuất và nâng cao khả năng chống

tia UV cho các bộ phận bên ngoài như vỏ ngoài của các động cơ . Trong các chất

nhồi và các loại đệm cao su, chúng cung cấp khả năng kháng nén tốt.

Bột talc cũng giúp các nhà sản xuất lốp xe giảm độ dày và trọng lượ ng của

lốp. Việc này không chỉ làm tăng sức cản lăn mà nó còn khiến cho lốp xe đượ c sản

xuất rẻ hơ n nhiều. Cao su bổ sung bột talc HAR cũng có thể dẫn đến tiết kiệm giá

thành trong khi độ thấm không khí không thay đổi so vớ i dùng nguyên cao su.





9

Các xe ô tô hiện nay chứa tớ i 1.000 các thành phần cao su và chất dẻo và một

xe chứa trung bình 8 kg bột talc.

Sử dụng bột talc không thấm nướ c trong lốp xe giúp các nhà sản xuất lốp xe

tạo ra những lốp nhẹ và mỏng hơ n vớ i sức cản lăn thấp, và tiêu thụ nhiên liệu íthơ n. Bột talc cũng tiết kiệm năng lượ ng do việc giảm độ nhớ t của hợ p chất cao su

làm cho các bộ phận đúc và ép dễ dàng hơ n.

Trong công nghiệ p nhự a, sơ n: Talc là một phụ gia hiệu quả cao vớ i khả năng

nâng cao những tính chất cơ bản của phần lớ n các loại nhựa, talc có khả năng đem

lại khả năng gia cườ ng và cải thiện khả năng che chắn cho các loại nhựa mà chúng

đượ c thêm và. Cùng vớ i quá trình sản xuất các loại polyme, là một loại khoáng mền

nhất, talc giảm tối đa hao mòn thiết bị, giảm sự co ngót trong quá trình đúc sản

phẩm và cải thiện việc gia công các sản phẩm cuối cùng. Talc mang lại nhiều ưu

điểm khi gia cườ ng cho polypropylen (PP), tạo độ cứng, chống biến dạng ở nhiệt độ

cao và tăng độ ổn định nhiệt và giảm giá thành sản phẩm.

Mỗi năm có khoảng 200 nghìn tấn bột talc kỹ thuật đượ c trộn vớ i

polypropylen (PP). Xu hướ ng hiện nay trong ngành công nghiệp ô tô là chế tạo các

bộ phận mỏng, nhẹ và kích thướ c chính xác, điều này đòi hỏi nhựa có tính lưu biến

cao hơ n. Mặt khác, các nhựa có độ nóng chảy cao lại hay bị giòn.

Vừa qua, công ty Rio Tinto Minerals đã phát triển một loại bột talc (HAR)

siêu mịn, cho phép định vị tốt các hạt trong quá trình đúc bằng áp lực, do có độ

phân tán tốt hơ n trong nhựa nên duy trì độ cứng cho các phụ tùng đúc [35].

Bột talc HAR làm tăng hệ số uốn cong lên 20% tăng nhiệt độ biến dạng của

hợ p chất PP vớ i hệ số giãn nở nhiệt thấp hơ n 20% và tỉ lệ co ngót thấp trong khi

không làm giảm độ dẻo của các bộ phận đúc. Loại PP chứa bột talc HAR đượ c dùng

bên ngoài các bộ phận của ô tô (bộ giảm chấn, bộ phận cân bằng và tấm chắn bùn)

và các bộ phận cần chống va đập cao.

Trong d ượ c, m ỹ phẩ m:

Trong sản xuất thuốc, bột talc có tác dụng như chất trượ t (glidant) giúp khả

năng chảy của bột thuốc tốt hơ n trong quá trình ép thuốc tạo viên.Bên cạnh tính





10

trượ t, bột talc còn giúp làm giảm khả năng bám dính thuốc lên khuôn và các thiết bị

khác trong quá trình sản xuất thuốc.

Trong mỹ phẩm, bột talc đượ c sử dụng chủ yếu làm bột phấn. Do talc ưa dầu

và có độ hấp thụ tốt nên nó dễ dàng bám trên cơ thể ngườ i và khi loại bỏ đi sẽ tạo ralàn da khô và mượ t vớ i tính kị nướ c, talc bảo vệ làn da trẻ em khỏi bị ướ t. Ngoài ra

ngườ i ta còn sử dụng talc cho sản xuất kem làm đẹp, phấn đánh bóng mắt...

Công tác nghiên cứu địa chất và tìm kiếm, đánh giá khoáng talc ở Việt Nam

[2,5] đã phát hiện đượ c 16 tụ quặng có trữ luợ ng khoảng 246 ngàn tấn, thuộc các

loại hình. Trong đó khu vực Thanh Sơ n Phú Thọ đã phát hiện một số mỏ talc có trữ

lượ ng khá lớ n như: Mỹ Thuận, Thu Ngạc, và Minh Tân trữ lượ ng khoảng trên 60

ngàn tấn. Hàm lượ ng MgO trong quặng nguyên khai khá ổn định: 25 – 27%, tạp

chất đi kèm chủ yếu là thạch anh và sắt. Hàm lượ ng Fe2O3 giao động từ 2 – 5%.

1.2. GIỚ I THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU GỐM

1.2.1. Vật liệu gốm [10]

Gốm là loại vật liệu có cấu trúc tinh thể bao gồm các hợ p chất giữa kim loại

và á kim như: kim loại vớ i oxi (các oxit), kim loại vớ i nitơ (các nitrua), kim loại vớ i

cacbon (các cacbua), kim loại vớ i silic (các silixua), kim loại vớ i lưu huỳnh (các

sunfua)… Liên kết chủ yếu trong vật liệu gốm là liên kết ion, tuy nhiên cũng có

trườ ng hợ p liên kết cộng hóa trị đóng vai trò chính.

Vật liệu gốm có nhiều đặc tính quí về cơ , nhiệt, điện, từ, quang… do đó đóng

vai trò quan trọng trong hầu hết các ngành công nghiệp.

Về đặc tính cơ , vật liệu gốm có độ rắn cao nên đượ c dùng làm vật liệu mài,

vật liệu giá đỡ …

Về đặc tính nhiệt, vật liệu gốm có nhiệt độ nóng chảy cao, đặc biệt là hệ số

giãn nở nhiệt thấp nên đượ c dùng làm các thiết bị đòi hỏi có độ bền nhiệt, chịu đượ c

các xung nhiệt lớ n (lót lò, bọc tàu vũ trụ…).

Về đặc tính điện, độ dẫn điện của vật liệu gốm thay đổi trong một phạm vi khá

rộng từ dướ i 10 Ω-1.cm-1 đến 10-12 Ω-1.cm-1. Có loại vật liệu gốm trong đó phần tử

dẫn điện là electron như trong kim loại, cũng có loại vật liệu gốm trong đó ion đóng





11

vai trò là phần tử dẫn điện. Do đó ta có thể tổng hợ p nhiều loại vật liệu gốm k ĩ thuật

khác nhau như gốm cách điện, gốm bán dẫn, gốm siêu dẫn điện…

Đặc tính từ của vật liệu gốm rất đa dạng. Ta có thể tổng hợ p đượ c gốm nghịch

từ, gốm thuận từ, gốm sắt từ, gốm phản sắt từ vớ i độ từ cảm thay đổi từ 0 đến 10phụ thuộc rất đa dạng vào nhiệt độ cũng như từ trườ ng ngoài.

Về đặc tính quang, ta có thể tổng hợ p đượ c các loại vật liệu có các tính chất

quang học khác nhau như vật liệu phát quang dướ i tác dụng của dòng điện (chất

điện phát quang), vật liệu phát quang dướ i tác dụng của ánh sáng (chất lân quang)

hoặc các loại gốm sử dụng trong thiết bị phát tia laze.

Vật liệu gốm đã góp phần đặc biệt quan trọng đối vớ i sự phát triển của mọi

ngành khoa học kỹ thuật và công nghiệp cuối thế kỉ XX như công nghệ vật liệu xây

dựng, công nghệ chế tạo máy, giao thông vận tải, công nghệ thông tin, kỹ thuật

điện, từ, quang, công nghệ chinh phục vũ trụ…

1.2.2. Các phươ ng pháp tổng hợ p gốm [10]

1.2.2.1. Phươ ng pháp sol-gel

Phươ ng pháp sol-gel ra đờ i từ những năm 1950-1960 và đượ c phát triển khá

nhanh chóng do có nhiều ưu điểm như:g

- Có thể tổng hợ p đượ c gốm dướ i dạng bột vớ i cấp hạt cỡ micromet, nanomet.

- Có thể tổng hợ p gốm dướ i dạng màng mỏng, dướ i dạng sợ i đườ ng kính <1mm.

- Nhiệt độ tổng hợ p không cần cao.

Vì vậy phươ ng pháp này đã đượ c nhiều tác giả sử dụng để tổng hợ p vật liệu

gốm và các hợ p chất silicat.

Nguyên tắc của phươ ng pháp này là tạo ra các dung dịch theo đúng tỉ lệ hợ p

thức của sản phẩm và trộn lẫn vớ i nhau tạo thành hệ sol, sau đó chuyển từ dạng sol

thành gel rồi sấy khô để thu đượ c sản phẩm .

Phươ ng pháp này cũng mắc phải một số khó khăn đó là chịu ảnh hưở ng của

nhiều yếu tố như thành phần nguyên liệu ban đầu, cách thức thực hiện quá trình

thủy phân các hợ p chất của Si, Ca và Al rất nhạy cảm vớ i những thay đổi (xúc tác





12

axit-bazơ , sử dụng nhiệt duy trì trong quá trình thủy phân, thờ i gian thủy phân,chất

phân tán, chất chống keo tụ...).

Là quá trình tổng hợ p rất phức tạp, phải sử dụng dung môi để thủy phân các

hợ p chất cơ kim (thườ ng là các alkoxide) rất đắt tiền, nên hạn chế phần nào ứngdụng của nó trong thực tế.

1.2.2.2. Phươ ng pháp đồ ng kế t tủ a

Các chất ở dạng dung dịch rồi tiến hành kết tủa đồng thờ i, sản phẩm thu đượ c

tiến hành lọc, rửa rồi sấy, nung. Phươ ng pháp này cho phép khuếch tán các chất

tham gia phản ứng khá tốt, tăng đáng kể diện tích bề mặt tiếp xúc của các chất phản

ứng. Nhưng vớ i phươ ng pháp này gặp khó khăn là phải đảm bảo tỉ lệ hợ p thức của

các chất trong hỗn hợ p kết tủa đúng vớ i sản phẩm gốm mong muốn.

1.2.2.3. Phươ ng pháp phân tán rắ n - l ỏ ng

Nguyên tắc của phươ ng pháp này là phân tán pha rắn ban đầu vào pha lỏng,

rồi tiến hành kết tủa pha rắn thứ hai. 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 hơ n, 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 hơ n nhiều so vớ i phươ ng pháp gốm truyền

thống. Vì vậy, phươ ng pháp này đượ c sử dụng khá nhiều trong kỹ thuật tổng hợ p

vật liệu. Tuy nhiên nhượ c điểm lớ n của phươ ng pháp này rất khó khăn trong việc

đảm bảo tỷ lệ hợ p thức của sản phẩm.

1.2.2.4. Phươ ng pháp đ iều chế gố m truyề n thố ng

Có thể mô tả phươ ng pháp gốm truyền thống theo dạng sơ đồ sau:

Hình 1.2. Phươ ng pháp gố m truyề n thố ng để sả n xuấ t vậ t liệu gố m

Trong sơ đồ:

Chuẩn bị Phối liệu

NghiềnTrộn

Ép viên Nung Sảnphẩm





13

Giai đoạn chuẩn bị phối liệu: tính toán thành phần của nguyêu liệu ban đầu (đi

từ các ôxit, hiđroxit, hoặc các muối vô cơ ...) sao cho đạt tỷ lệ hợ p thức của sản

phẩm muốn điều chế.

Giai đoạn nghiền, trộn: nghiền mịn nguyên liệu để tăng diện tích tiếp xúc giữacác chất phản ứng và khuyếch tán đồng đều các chất trong hỗn hợ p. Khi nghiền ta

có thể cho một lượ ng ít dung môi vào cho dễ nghiền. Phải chọn loại dung môi nào

để trong quá trình nghiền dễ thoát ra khỏi phối liệu ( có thể dùng rượ u etylic,

axeton… ).

Giai đoạn ép viên: nhằm tăng độ tiếp xúc giữa các chất phản ứng. Kích thướ c

và độ dày của viên mẫu tùy thuộc vào khuôn và mức độ dẫn nhiệt của phối liệu. Áp

lực nén tùy thuộc vào điều kiện thiết bị có thể đạt tớ i vài tấn/cm2. Dùng thiết bị nén

tớ i hàng trăm tấn thì trong viên phối liệu vẫn chứa khoảng 20% thể tích là lỗ xốp và

các mao quản. Để thu đượ c mẫu phối liệu có độ xốp thấp cần phải sử dụng phươ ng

pháp nén nóng (tức là vừa nén vừa gia nhiệt). Việc tác động đồng thờ i cả nhiệt độ

và áp suất đòi hỏi phải có thờ i gian để thu đượ c mẫu phối liệu có độ chắc đặc cao.

Giai đoạn nung: là thực hiện phản ứng giữa các pha rắn đây là công đoạn đượ c

xem là quan trọng nhất. Phản ứng giữa các pha rắn không thể thực hiện hoàn toàn,

ngh ĩ a là sản phẩm vẫn còn có mặt chất ban đầu chưa phản ứng hết nên thườ ng phải

tiến hành nghiền trộn lại rồi ép viên, nung lại lần hai. Đôi lúc còn phải tiến hành

nung vài lần như vậy.

Bên cạnh các phươ ng pháp tổng hợ p đã trình bày ở trên còn có một số phươ ng

pháp tổng hợ p khác như: kết tinh từ dung dịch, điện hoá, tự bốc cháy, thủy nhiệt …

Phươ ng pháp gốm truyền thống thuận lợ i trong khâu trộn phối liệu. Vì vậy

chúng tôi lựa chọn phươ ng pháp gốm truyền thống để tổng hợ p gốm diopside từ

talc, thạch anh và canxi cacbonat.

1.3. GIỚ I THIỆU CHUNG VỀ HỆ BẬC BA CaO-MgO-SiO2

1.3.1. Khái quát về các oxit trong hệ CaO.MgO.SiO2

1.3.1.1. Canxi oxit (CaO) [33]

Phân tử gam : 56,08 g/mol.





14

Tỷ trọng : 3,35 g/cm3

Điểm nóng chảy : 25720C

Điểm sôi : 28500C

Độ tan trong nướ c : có phản ứng vớ i nướ c.Canxi oxit là chất rắn màu trắng, dạng tinh thể lập phươ ng tâm mặt. Về mặt

hóa học canxi oxit là một oxit bazơ , có thể bị kim loại kiềm, nhôm, silic khử về kim

loại. Canxi oxit chủ yếu đượ c điều chế từ canxi cacbonat (CaCO3) bằng cách phân

hủy nhiệt ở khoảng 9000C.

CaCO30900 →

CaO + CO2

1.3.1.2. Magie oxit (MgO) [33]

Phân tử gam : 40,30 g/molTỷ trọng : 1,5 g/cm3

Điểm nóng chảy : 28520C

Điểm sôi : 36000C

Cũng giống như canxi ôxit, magiê ôxit là chất bột hoặc cục màu trắng, dạng

bột tan ít và tan rất chậm trong nướ c. Nguồn MgO là khoáng talc, đôlômit, cacbonat

magiê… Magie oxit có cấu trúc tinh thể lập phươ ng tâm mặt, có nhiệt độ nóng chảy

cao. Tuy nhiên MgO dễ dàng tạo pha ơ tecti vớ i các ôxít khác và nóng chảy ở nhiệt

độ rất thấp. Độ giãn nở nhiệt thấp và khả năng chống rạn men là hai đặc tính quan

trọng của ôxít magiê.

1.3.1.3. Silic oxit (SiO 2 ) [4, 33]

Ở điều kiện thườ ng, SiO2 thườ ng tồn tại ở các dạng thù hình là : thạch anh,

tridimit và cristobalit. Mỗi một dạng thù hình này lại có hai dạng : dạng α bền ở

nhiệt độ thấp và dạng β bền ở nhiệt độ cao. Sự biến đổi thù hình của SiO2 đượ c

trình bày trên hình 1.3.





15

tridimit

1170C

thạch anh β tridimit β cristobalit5730C 1630C 2530

α thạch anh 8700C α tridimit 14700C α cristobalit 17280C nc

10500C

Hình 1.3. Sơ đồ biế n đổ i d ạ ng tinh thể củ a SiO 2 Trong thực tế nhiệt độ chuyển hóa các dạng thù hình của SiO2 còn phụ thuộc

vào nhiều yếu tố như sự có mặt của các chất khoáng hóa, chế độ nâng nhiệt, áp suất.

Tất cả các dạng tinh thể này đều bao gồm các nhóm tứ diện SiO4 nối vớ i nhau

qua nguyên tử oxi chung. Trong tứ diện SiO4 , nguyên tử Si nằm ở tâm tứ diện liên

kết cộng hóa trị vớ i bốn nguyên tử oxi nằm ở đỉnh của tứ diện.

Vì quá trình biến đổi dạng thù hình này sang dạng thù hình khác của SiO2 xảy

ra chậm và cần năng lượ ng hoạt hóa cao, cho nên thạch anh, cristobalit, tridimit đều

tồn tại trong tự nhiên.

Ở nhiệt độ thườ ng chỉ có thạch anh α bền nhất còn các tinh thể khác là giả

bền. Thạch anh nóng chảy ở 1600-16700C nhiệt độ nóng chảy của nó không thể xác

định chính xác đượ c vì sự biến hóa một phần sang những dạng đa hình khác vớ i tỉ

lệ khác nhau tùy theo điều kiện bên ngoài.

Về mặt hóa học SiO2 rất trơ , nó không tác dụng vớ i oxi, clo, brom và các axit

kể cả khi đun nóng. Nó chỉ tác dụng vớ i flo và HF ở điều kiện thườ ng, SiO2 tan

trong kiềm hay cacbonat kim loại kiềm nóng chảy.

SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O

SiO2 + Na2CO3 → Na2SiO3 + CO2





16

Những phản ứng này xảy ra chậm, ở trong dung dịch SiO2 sôi khi ở dạng bột

mịn.

Thạch anh thuộc loại khoáng vật phổ biến, tinh thể tinh khiết đượ c dùng để

làm thấu kính, lăng kính, để chế thủy tinh, sứ và xi măng.1.3.2. Khái quát về gốm hệ CaO. MgO.SiO2 [19]

Gốm hệ CaO.MgO.SiO2 vớ i những tính chất tốt về mặt cơ học và mặt hóa học

như: Trong suốt, độ bền cơ học cao, chịu mài mòn, hệ số giãn nở nhiệt thấp, bền

trong môi trườ ng axit và bazơ do đó có nhiều ứng dụng trong y học, gốm phủ…Tuy

nhiên hệ này đòi hỏi nhiệt độ tổng hợ p tươ ng đối cao (hình 1.4). Để giảm đượ c

nhiệt độ tổng hợ p trướ c hết thành phần nguyên liệu cần phải đượ c tối ưu hóa sao

cho gần vớ i điểm ơ tecti của hệ.

Hình 1.4. H ệ bậ c ba CaO – MgO – SiO 2

Nhìn vào giản đồ pha ta thấy:





17

Các pha xảy ra trong ba hệ hai cấu tử chính cũng có miền trong hệ ba cấu tử

là: (1) Cristobalite (SiO2), (2) tridymite (SiO2), (3) pseudowollastonite (α-

CaO.SiO2), (4) tricalcium di-silicat (3CaO. 2SiO2), (5) α- canxi orthosilicate (α-

2CaO.SiO2), (6) vôi (CaO), (7) periclase (MgO), (8) forsterit (2MgO.SiO2).Các hợ p chất hai cấu tử không có miền trong hệ bậc ba là: (1) Tricalcium

silicat, 3CaO.SiO2, (2) clino-enstatite (MgO.SiO2).

Hợ p chất ba cấu tử có miền trong hệ ba cấu tử là: (1) diopside

(CaO.MgO.2SiO2), (2) 2CaO.MgO.2SiO2.

Các pha bổ sung có miền trong hệ ba cấu tử không có hợ p phần cố định

nhưng về đặc tính là ba cấu tử.Đó là:

+ Dung dịch rắn wollastonite ( βCaO.SiO2), bao gồm cả hai dãy dung dịchrắn hay một khu vực dung dịch rắn. Một dãy có thể chứa tớ i 18 phần trăm mol

diopside (CaO.MgO.2SiO2) và dãy khác lên tớ i 44 phần trăm mol hợ p chất

2CaO.MgO.2SiO2. Nếu khu vực dung dịch rắn tồn tại, nó có thể sẽ mở rộng từ dãy

này tớ i dãy khác tạo thành một khu vực hình tam giác vớ i đỉnh là hợ p phần

CaO.SiO2. Sự chuyển pha wollastonite-pseudowollastonite, βCaO.SiO2 →←

αCaO.SiO2 thườ ng xảy ra ở 1200°C. Nhưng nhiệt độ chuyển pha này đượ c nâng lên

bằng cách thêm vào chất hòa tan và đạt cực đại 13430C vớ i dãy diopside và 13650Cvớ i dãy 2CaO.MgO.2SiO2.

+ Dung dịch rắn pyroxen tạo thành một chuỗi liên tục vớ i các phần cuối cùng,

diopside (CaO.MgO.2SiO2) và clino - enstatite (MgO.SiO2), tất cả xảy ra như là pha

chính.

+ Dung dịch rắn monticellite (CaO.MgO.SiO2) chứa tớ i 11% forsterit

(2MgO.SiO2) đượ c biểu diễn một phần như là pha chính.

Trong hệ CaO. MgO.SiO2 điểm dễ nóng chảy nhất ứng vớ i thành phần % vế số mol như sau: 0,8 MgO; 61,4 SiO2; 30,6 CaO ở nhiệt độ 13200C. Trong hệ có bốn

hợ p chất 3 cấu tử:

Diopside: CaO.MgO.2SiO2

Monticellite: CaO.MgO.SiO2





18

Merwinit: 3CaO.MgO.2SiO2

Akermanite: 2CaO.MgO.SiO2

Trong luận văn này chúng tôi tiến hành tổng hợ p vật liệu gốm diopside

(CaO.MgO.2SiO2).1.4. GIỚ I THIỆU VỀ GỐM DIOPSIDE

1.4.1. Cấu trúc của Diopside [3, 31]

Diopside có công thức CaO.MgO.2SiO2 hay CaMg[Si2O6]. Theo lý thuyết

gồm có 18,51% MgO; 25,93% CaO và 55,55% SiO2 về khối lượ ng. Tinh thể đơ n tà.

Thuộc nhóm pyroxen của họ inosilicat. Có cấu trúc dạng chuỗi, các tứ diện SiO44-

nối vớ i nhau qua hai ion O2- tạo thành mạch dài, giữa các mạch đó phân bố các

cation Ca2+, Mg2+, đượ c thể hiện trên hình 1.5. Các ion này có thể đượ c thay thế

đồng hình bở i các ion khác như Co2+, Fe3+, Cr3+,… Công thức khung có thể viết

[SiO3]2- hoặc [Si2O6]

4-.

Hình 1.5. C ấ u trúc củ a diopside, CaMgSi 2O6 : (a) tế bào đơ n v ị chiế u xuố ng

trụ c b; (b) tế bào đơ n v ị chiế u xuố ng trụ c c.





19

Diopside thuộc hệ tinh thể lăng trụ ngắn, có thông số mạng a=0.95848mm,

b=0,86365mm, c=0,51355mm, α= 900, β= 103,980, γ =900, Z=4.

Cấu trúc mạng lướ i tinh thể diopside đều có ion Mg2+ nằm ở vị trí bát diện

còn Ca2+

và Si4+

nằm ở vị trí tứ diện là chính. Vì vậy diopside có thể thay thế đồnghình các ion M2+, M3+, M4+ vào mạng lướ i cấu trúc của nó tạo nên các dung dịch rắn

thay thế hay xâm nhập. Theo nguyên tắc thay thế đồng hình Goldsmit, vớ i cấu trúc

của diopside có thể thay thế Mg2+, Ca2+ và Si4+, bằng những cation có bán kính ion

chênh lệch không quá 15% và điện tích chênh lệch không quá 1 đơ n vị.

Các dung dịch rắn thu đượ c bằng các thay thế hay xâm nhập làm thay đổi cấu

trúc mạng lướ i, tạo ra lỗ trống làm cho vật liệu có những tính chất đặc biệt và đượ c

ứng dụng rộng rãi trong nhiều l ĩ nh vực khác nhau.1.4.2. Tính chất của gốm Diopside [33]

Diopside công thức hóa học CaMgSi2O6 thườ ng tồn tại ở dạng đá quý trong

như pha lê. Độ cứng : 5-6, khá giòn, trọng lượ ng riêng của diopside là 3,40 g/cm3.

Gốm diopside có đặc tính bền nhiệt, bền cơ , bền vớ i môi trườ ng oxy hóa - khử, bền

vớ i axit, kiềm, tính chất cách điện tốt, có hoạt tính sinh học …

1.4.3. Ứ ng dụng của gốm Diopside

Diopside dựa trên nền gốm và gốm thủy tinh có nhiều tiềm năng ứng dụng

trong các l ĩ nh vực công nghệ khác nhau như y học, gốm phủ, gốm cách điện, bán

dẫn, chịu nhiệt….Đặc biệt là trong l ĩ nh vực vật liệu sinh học, gốm diopside đượ c sử

dụng làm xươ ng nhân tạo… [18]

Diopside (CaO.MgO.2SiO2) đôi khi đượ c sử dụng trong l ĩ nh vực đá quý như

là một mẫu vật khoáng sản. Diopside là một phần của một loạt giải pháp rắn quan

trọng của nhóm đá pyroxen.

Đặc biệt crome diopside màu xanh lá cây rất đẹp có giá trị kinh tế trong

ngành đá quý trang sức. [33]

1.5. GIỚ I THIỆU PHẢN Ứ NG GIỮ A PHA RẮN

1.5.1. Cơ chế phản ứ ng giữ a các pha rắn [10]





20

Phản ứng giữa các chất khí, giữa các chất tan trong dung dịch do các chất

phản ứng rất linh động và khuếch tán ở mức độ phân tử, ion ở toàn thể tích của hệ

phản ứng trên xảy ra vớ i tốc độ rất nhanh để hệ đạt trạng thái cân bằng.

Phản ứng giữa pha rắn hoàn toàn khác, đó là chất tham gia phản ứng đều nằmđịnh vị tại các nút mạng tinh thể của chất ban đầu. Phản ứng chỉ xảy ra tại bề mặt

tiếp xúc giữa hai pha rắn của chất tham gia, tốc độ phản ứng xảy ra chậm và không

đạt trạng thái cân bằng. Phản ứng pha rắn phụ thuộc vào sự sắp xếp của các cấu tử

phản ứng trong mạng lướ i tinh thể. Cấu trúc tinh thể và khuyết tật mạng lướ i có ảnh

hưở ng quyết định đến khả năng phản ứng của chất rắn. Phản ứng bao gồm hai giai

đoạn:

+ Giai đ oạn t ạo mầm

Quá trình này đòi hỏi làm đứt một số liên kết cũ trong các chất phản ứng,

hình thành một số liên kết mớ i trong sản phẩm. Điều này chỉ có thể xảy ra khi có sự

phân bố lại các ion ở chỗ tiếp xúc.

+ Giai đ oạn phát triể n mầm tinh thể sản phẩ m

Sau khi đã có một lớ p mầm tinh thể sản phẩm thì đến giai đoạn phát triển lớ p

tinh thể đó. Để thực hiện quá trình này sẽ có sự khuếch tán ngượ c chiều các cation

hay gọi cơ chế C.Wagner.

1.5.2. Các yếu tố ảnh hưở ng đến phản ứ ng giữ a các pha rắn

Quá trình thực hiện phản ứng giữa các chất rắn gồm các bướ c: chuẩn bị chất

rắn đa tinh thể, tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao.

Một trong những phươ ng pháp đượ c sử dụng phổ biến nhất để chuẩn bị chất rắn đa

tinh thể (dạng bột) là thực hiện phản ứng trực tiếp hỗn hợ p các nguyên liệu ban đầu

vớ i pha rắn. Vì vậy tốc độ phản ứng quyết định đến quá trình phản ứng. Hai yếu tố

này bị chi phối bở i nhiều yếu tố.

+ Nhiệt độ nung:

Các chất rắn thườ ng không phản ứng vớ i nhau ở nhiệt độ thườ ng, chỉ khi ở

nhiệt độ cao các cấu tử mớ i có đủ năng lượ ng để khuếch tán qua lớ p sản phẩm đến

bề mặt tiếp xúc giữa các hạt để phản ứng. Ngoài ra, dướ i tác động của nhiệt độ,





21

mạng lướ i cấu trúc pha giữa các chất ban đầu bị phá vỡ dần tạo điều kiện cho sự

khuếch tán, sắp xếp của các ion trong pha cũ để tạo thành pha mớ i. Do vậy tốc độ

phản ứng pha rắn phụ thuộc rất lớ n vào nhiệt độ nung. Nói chung phản ứng có thể

đạt đượ c nếu nhiệt độ nung đạt đến 2/3 điểm nóng chảy của một trong các chấttham gia phản ứng.

+ Diện tích bề mặt tiế p xúc giữ a các chấ t phản ứ ng

Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng, ảnh hưở ng quyết định đến

khả năng phản ứng của các chất. Chính vì vậy cần tăng diện tích tiếp xúc giữa các

chất phản ứng bằng cách chuẩn bị phối liệu có kích thướ c hạt càng nhỏ càng tốt.

Vớ i phươ ng pháp gốm truyển thống, phối liệu ban đầu có thể đượ c nghiền mịn, ép

chặt, nung, sau đó nghiền mịn rồi lại nung và lặp lại nhiều lần như thế. Tác dụng

của quá trình nghiền mịn liên tục giữa các lần nung không chỉ tăng bề mặt tiếp xúc

giữa hỗn hợ p các chất phản ứng mà còn tạo thêm các bề mặt mớ i cũng như các

khuyết tật cấu trúc nhằm thúc đẩy phản ứng đến cùng.

+ Đặc đ iể m cấ u trúc của các chấ t ban đầu

Phản ứng pha rắn đượ c thực hiện trực tiếp giữa các chất phản ứng ở pha rắn

nên cấu trúc ban đầu của chất rắn có ảnh hưở ng quyết định không những đến tốc độ

phản ứng mà còn ảnh hưở ng đến cơ chế của phản ứng. Các chất ban đầu có cấu trúc

kém bền, hoặc tinh thể có nhiều khuyết tật thì có hoạt tính hơ n, dề tham gia phản

ứng hơ n.

Ví dụ: Vớ i phản ứng giữa các oxit, ngườ i ta thườ ng chọn chất ban đầu là các

muối dễ phân hủy và phân hủy ở vùng nhiệt phản ứng. Lúc này các oxit mớ i hình

thành có cấu trúc mạng lướ i chưa hoàn chỉnh (hoạt tính hơ n) nên dễ tham gia phản

ứng hơ n so vớ i các oxit bền đượ c dùng làm phối liệu ban đầu.

Ngoài ra, phản ứng pha rắn sẽ xảy ra thuận lợ i về mặt năng lượ ng hơ n khi các

chất phản ứng có cùng kiểu cấu trúc vớ i sản phẩm hình thành và thườ ng đượ c phân

biệt bở i hai loại phản ứng: epitaxit và topotaxit. Phản ứng epitaxit yêu cầu có sự

giống nhau về cấu trúc ở lớ p tiếp xúc của chất phản ứng và sản phẩm. Còn phản

ứng topotaxit thì yêu cầu sự giống nhau về cấu trúc trong toàn khối. Tuy nhiên, bên





22

cạnh giống nhau về cấu trúc, để xảy ra sự định hướ ng tạo mầm sản phẩm một cách

thuận lợ i thì kích thướ c tế bào mạng cũng như khoảng cách giữa các nguyên tử

cũng phải gần giống nhau (chênh lệch dướ i 15%)

+ Chất khoáng hóa [13] thườ ng đượ c đưa vào phối liệu vớ i hàm lượ ng khá thấp(khoảng vài %) nhằm tạo pha lỏng có độ nhớ t thấp, giúp thấm ướ t các hạt rắn của

các chất phản ứng dẫn đến xảy ra quá trình hoà tan của các chất phản ứng. Từ đó

giúp sự khuếch tán chất phản ứng dễ dàng hơ n nên có tác dụng thúc đẩy tốc độ phản

ứng cũng như quá trình tái kết tinh sản phẩm trong hỗn hợ p. Mặt khác, pha lỏng có

tác dụng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt rắn, làm tăng mật độ của sản phẩm phản

ứng, ngh ĩ a là giúp cho quá trình kết khối xảy ra nhanh ở nhiệt độ thấp. Đôi lúc chất

khoáng hóa có thể tham gia phản ứng vớ i 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 hơ i nướ c (chemical vapor transport). Các chất

khoáng hóa sử dụng phổ biến là: Các hợ p chất của Bo (H3BO3, Na2B4O7, 10H2O,

B2O3), các muối của kim loại kiềm, các hợ p chất của flo, clo (NaF, NaCl, CaF2,

BaF2, AlF3, Na2SiF6, Na3AlF6…) hoặc có khi là các oxit dễ chảy (oxit vanadi, oxit

lantan…).

1.5.3. Phản ứ ng phân hủy nhiệt nội phân tử [10]

Khái niệm này dùng để chỉ cho phản ứng tổng hợ p một pha rắn mớ i xảy ra khi

phân hủy nhiệt một pha rắn ban đầu có chứa các hợ p phần cần thiết cho pha rắn

mớ i.

Khác hẳn vớ i phản ứng xảy ra giữa các pha rắn, phản ứng phân hủy nhiệt nôi

phân tử xảy ra ở nhiệt độ thấp hơ n nhiều.

Ví dụ: để tổng hợ p mulit bằng phản ứng giữa các oxit silic và oxit nhôm

trong trườ ng hợ p đi từ các chất ban đầu tinh khiết hoàn toàn không có chất khoáng

hóa, thì nhìn trên giản đồ hệ bậc hai Al2O3-SiO2 ta thấy ít nhất phải nung lên đến

15850C (nhiệt độ bắt đầu xuất hiện pha lỏng). Trong đó khi ta nung caolinit lên đến

10000C đã bắt đầu xuất hiện pha mulit.





23

Hay khi nung serpentin lên khoảng 8000C là có sự hình thành pha gốm

forsterit Mg2SiO4, trong khi đó dựa vào giản đồ trạng thái thì tùy theo thành phần

ban đầu giữa SiO2 và MgO sự hình thành forsterit đòi hỏi ít nhất cũng phải nung hệ

lên trên 15570

C. Có rất nhiều ví dụ như vậy cho ta thấy việc sử dụng phản ứng phânhủy nhiệt nội phân tử có thể tiến hành tổng hợ p đượ c pha gốm ở nhiệt độ thấp, giảm

đáng kể năng lượ ng .

Phươ ng pháp sử dụng phân hủy nhiệt nội phân tử không chỉ giúp tổng hợ p

gốm hệ bậc hai mà còn có thể sử dụng để tổng hợ p gốm bậc cao hơ n, Ví dụ tổng

hợ p 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 hợ p chất ban đầu đã đượ c phân

bố hoàn toàn có trật tự ở mức độ nguyên tử, mặt khác sản phẩm vừa mớ i 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 đượ c nhiệt độ nung thiêu kết là rất quan

trọng vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành tổng hợ p gốm diopside từ

khoáng talc.

1.6. CÁC PHƯƠ NG PHÁP THỰ C NGHIỆM

1.6.1. Phươ ng pháp phân tích nhiệt [7]

Khi đưa các khoáng vật hoặc hợ p chất hóa học lên nhiệt độ cao có thể xảy ra

các phản ứng hóa học như phân li, mất nướ c... hoặc các quá trình biến đổi vật lí như

quá trình kết tinh, quá trình chuyển pha,quá trình chuyển dạng thù hình...Các quá

trình đó thườ ng kèm theo hiệu ứng nhiệt (tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt). Trong một số

trườ ng hợ p lại kèm theo sự thay đổi khối lượ ng (mất khối lượ ng) của chất nghiên

cứu. Phươ ng pháp phân tích nhiệt giúp xác định các hiệu ứng nhiệt, sự thay đổi khối

lượ ng của mẫu nghiên cứu ứng vớ i các quá trình biến hóa xảy ra ở một nhiệt độ xác

định. Trên cơ sở đó ngườ i ta xác định đượ c mẫu nghiên cứu đã xảy ra quá trình hóa

học gì? ở nhiệt độ nào và mức độ mạnh hay yếu?





24

Hiệu ứng nhiệt đượ c ghi dướ i dạng đườ ng đốt nóng hoặc các dạng khác như

đườ ng vi phân DTA... Đườ ng đốt nóng cho phép xác định nhiệt độ tại đó có hiệu

ứng nhiệt, cũng như giá trị của hiệu ứng nhiệt và dấu của nó.

Trong phân tích nhiệt, chủ yếu ngườ i ta dùng đườ ng DTA. Đườ ng DTA đượ cghi dướ i dạng đồ thị: sự phụ thuộc của ∆T (hiệu nhiệt độ giữa mẫu và chất chuẩn)

vào thờ i gian t hoặc nhiệt độ T. Độ nhạy của đườ ng vi phân (DTA) rất lớ n gấp 10-

15 lần so vớ i đườ ng nhiệt độ. Do đó đườ ng DTA cho phép quan sát đượ c hiệu ứng

nhiệt rất nhỏ của mẫu nghiên cứu.

Bằng thiết bị phân tích nhiệt chuyên dụng có thể ghi đượ c sự thay đổi khối

lượ ng chất khi đốt nóng dướ i dạng đườ ng khối lượ ng (TG) hay đườ ng vi phân khối

lượ ng (DTG). Đườ ng khối lượ ng (TG) là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của khốilượ ng mẫu nghiên cứu vào nhiệt độ T hay thờ i gian t. Đườ ng TG chỉ ra sự thay đổi

khối lượ ng chất nghiên cứu từ đầu đến cuối thí nghiệm. Từ đườ ng TG có thể thu

đượ c các thông tin về thành phần của chất rắn nghiên cứu, độ bền của nó, về các sản

phẩm đượ c tạo thành trong quá trình phân hủy, kết hợ p cũng như giả thiết đượ c về

cơ chế và nhiệt động học của phản ứng theo từng giai đoạn hay toàn bộ quá trình.

Sự thay đổi khối lượ ng của mẫu rắn trong thờ i gian đốt có liên quan đến sự tách các

chất và tạo thành sản phẩm ở pha khí trong các phản ứng hóa lí. Trong trườ ng hợ p

này đườ ng TG ghi lại sự mất khối lượ ng của mẫu.

Lập chươ ng Lò nung Ghi thông Xử lý thông

trình tin tin

T DTA

Hình 1.6. Sơ đồ khố i củ a thiế t b ị phân tích nhiệ t

Chất so sánh

Mẫunghiên cứu

T1 T2 2

B CA D





25

Chúng tôi tiến hành phân tích nhiệt trên máy phân tích nhiệt DTA/TG tốc độ

100 /phút , trong môi trườ ng không khí tại Viện Vật liệu Xây dựng.

1.6.2. Phươ ng pháp phân tích nhiễu xạ tia X [1]

Phươ ng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là một trong những phươ ng pháp hiện đạidùng để xác định thành phần pha tinh thể của vật liệu. Phươ ng pháp này cho phép

xác định thông số mạng, kiểu mạng lướ i, kích thướ c hạt...

Phươ ng pháp nhiễu xạ tia X dựa trên nguyên tắc sau:

Khi chiếu một chùm tia X song song, đơ n sắc vào vật liệu có cấu trúc tinh thể

thì xảy ra hiện tượ ng khuếch tán tia X. Điện trườ ng của chùm tia tớ i làm điện tử của

nguyên tử trong mạng tinh thể dao động, sự dao động này là nguồn phát tia thứ cấp

phát ra bức xạ cùng tần số vớ i tia X. Do đó chúng giao thoa vớ i nhau. Trong mạng

lướ i tinh thể chúng tạo thành những mặt phẳng nút. Sự khuếch tán tia X có thể xem

như sự phản xạ từ các mặt phẳng nút đó. Khi chiếu một chùm tia X đơ n sắc có bướ c

sóng xác định đi qua một hệ tinh thể, trong tinh thể ta chọn hai mặt phẳng nút song

song vớ i nhau có khoảng cách là dhkl, góc hợ p bở i tia tớ i vớ i mặt phẳng nút là θ.

Nếu hiệu lộ trình của tia tớ i và tia phản xạ bằng một số nguyên lần bướ c sóng thì

xảy ra hiện tượ ng nhiễu xạ tia X.

N1

M1

M2 θ P θ N2

S θ θ T dhkl

Hình 1.7. Nhiễ u xạ tia X theo mô hình Bragg

Các tia X phản xạ từ hai mặt mạng cạnh nhau có hiệu quang trình

∆ = M2QN2 – M1PN1 = 2dsinθ





26

Khi các tia này giao thoa vớ i nhau ta sẽ thu đượ c cực đại nhiễu xạ thỏa mãn phươ ng

trình Vulf-Bragg:

M2QN2 – M1PN1 = nλ = 2dsinθ

Trong đó:d: Khoảng cách giữa hai mặt mạng song song.

θ: Góc giữa tia X và mặt phẳng pháp tuyến.

n: Số bậc phản xạ (n=1,2,3,4…).

λ: Độ dài bướ c sóng.

Chúng tôi tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X trên máy D8ADVANCE

BRUKER-LB Đức, góc quay 2θ tử 5-700, bức xạ Cu-Kα tại khoa hóa trườ ng

ĐHKHTN.1.6.3. Hình ảnh quét bằng kính hiển vi điện tử SEM [33]

Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thườ ng

viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh vớ i 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. Việc tạo ảnh của mẫu vật đượ c thực hiện thông

qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tươ ng tác của chùm điện tử vớ i

bề mặt mẫu vật.

Hình 1.8. Sơ đồ khố i các bộ phậ n củ a kính hiể n vi đ iệ n tử quét





27

Phươ ng pháp SEM đượ c sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt

của vật liệu. Ư u điểm của phươ ng pháp SEM là có thể thu đươ c những bức ảnh 3

chiều chất lượ ng cao và không đòi hỏi phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu. Phươ ng

phép SEM đặc biệt hữu dụng, bở i vì nó cho độ phóng đại có thể thay đổi từ 10 đến100000 lần vớ i hình ảnh rõ nét, hiển thị ba chiều phù hợ p cho việc phân tích hình

dạng và cấu trúc bề mặt.

Các bướ c ghi đượ c ảnh SEM như sau: một chùm electron đượ c quét trên bề

mặt mẫu, các electron này đập vào mẫu và tạo ra một tập hợ p các hạt thứ cấp đi tớ i

detector, tại đây nó sẽ đượ c chuyển thành tín hiệu điện, các tín hiệu này sau khi

đượ c khuếch đại đi tớ i ống tia catot và đượ c 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 cườ ng độ sáng

của tia điện tử quét từ trên màn hình, ta có đượ c ảnh. Ví dụ, thu tín hiệu là điện tử

thứ cấp để tạo ảnh ta có đượ c kiểu ảnh điện tử thứ cấp, độ sáng tối trên ảnh cho biết

độ lồi lõm ở mấu. Cần chú ý rằng, ở hiển vi điện tử quét có dùng các thấu kính,

nhưng chỉ để tập trung chùm điện tử thành điểm nhỏ chiếu lên mẫu, không dùng

thấu kính để khuếch đại. Vớ i ảnh phóng đại bằng phươ ng pháp quét, không có yêu

cầu mẫu phải là lát mỏng và phẳng, nên kính hiển vi điện tử quét cho phép quan sát

bề mặt rất mấp mô một cách rõ nét.

Chúng tôi tiến hành tiến hành chụp SEM tại Trung tâm Khoa học Vật liệu-

Khoa Vật lý – Trườ ng Đại học Khoa học Tự Nhiên- ĐHQGHN.

1.6.4. Phươ ng pháp xác định các tính chất vật lí

1.6.4.1. Xác đị nh độ co ngót khi nung

Mẫu đượ c ép viên (hình trụ) sấy khô trướ c khi nung đượ c đo chiều cao, đườ ng

kính tươ ng ứng là H0, D0.H,D tươ ng ứng là chiều cao và đườ ng 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

+ − −=

+





28

1.6.4.2. Xác đị nh độ hút nướ c

Độ hút nướ c của vật liệu là khả năng hút và giữ nướ c của nó ở điều kiện bình

thườ ng.

Độ hút nướ c theo khối lượ ng là tỉ số phần trăm giữa khối lượ ng nướ c mà vậtliệu hút đượ c vớ i khối lượ ng của vật liệu ở trạng thái khô.

Các bướ c tiến hành như sau:

- Sấy mẫu ở nhiệt độ 1050C-1100C đến khối lượ ng không đổi.

- Để nguội, cân mẫu khô (m0).

- Ngâm mẫu đã cân đến bão hòa nướ c.

- Vớ t mẫu ra, lau nướ c đọng trên mặt mẫu bằng vải ẩm rồi cân mẫu bão hòa nướ c

(m). Thờ i gian từ khi vớ t mẫu ra đến khi cân không vượ t quá 3 phút. Độ hút nướ c

của mẫu đượ c xác định theo công thức:

Độ hút nướ c 0 .100%m m

m

−=

1.6.4.3. Xác đị nh khố i l ượ ng riêng bằ ng phươ ng pháp Acsimet

Thể tích tự nhiên của viên gốm V0 đượ c xác định bằng cách : sau khi ngâm

bão hòa viên gốm trong nướ c ta đem xách định thể tích thông qua phươ ng pháp đẩy

nướ c. 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 phươ ng pháp

đẩy nướ c ta đượ c thể tích gốm là Va. Khi đó độ xốp của gốm đượ c tính như sau :

0

0

.100aV V r

V

−=

Cân khối lượ ng của viên gốm đượ c m(g). Khi đó tỉ khối đượ c tính theo công

thức:

D = m/ Vo

1.6.4.4. Xác đị nh cườ ng độ nén [4]Cườ ng độ nén là khả năng lớ n nhất của vật liệu chống lại sự phá hoại do tải

trọng gây ra và đượ c xác định bằng ứng suất tớ i hạn khi mẫu vật liệu bị phá hủy.

Cườ ng 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





29

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 lượ ng 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 ngườ i ta đặt mẫu trên máyép thủy lực hoặc máy ép cơ tiêu chuẩn để xác định lực phá hủy.

Hình 1.9. Mô hình thiế t b ị đ o cườ ng độ kháng nén

Cườ ng độ kháng nén Rn đượ c 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)

Chúng tôi tiến hành xác định cườ ng độ kháng nén tại Cục đo lườ ng chất

lượ ng Việt Nam.

1.6.4.5. H ệ số giả n nở nhiệ t [4]

Khi vật liệu bị nung nóng, các nguyên tử sẽ nhận thêm năng lượ ng và dao

động quanh vị trí cân bằng. Vì thế, khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử cũng

như kích thướ c của vật liệu tăng lên. Nói cách khác, vật liệu bị nở ra khi đốt nóng

và khi làm lạnh xảy ra quá trình ngượ c lại. Hiện tượ ng đó đượ c gọi là sự giãn nở

nhiệt của vật liệu, sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ của vật liệu rắn đượ c biểu diễn

bở i công thức: 0

0 0( )t

t

l l

l T T

−α =

−

Trong đó:

Lực nén

Mẫu đo





30

lt và l0 tươ ng 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 lớ n thì khi thay đổi nhiệt độ, sự co giãncủa vật liệu càng lớ n 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.

1.6.4.6. Độ bề n số c nhiệ t [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, ngườ i ta nung mẫu

75x50x50 mm đến 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 phươ ng pháp thẳng đứng vớ i lực

đẩy tươ ng ứng 20N. Như vậy mẫu đượ c làm nguội bằng không khí và chịu lực uốn

khi bẩy. Sau khi bẩy, mẫu đượ c nung và lại tiếp tục quy trình trên cho đến khi mẫu

bị vỡ . Số lần quy trình đó đượ c gọi là độ bền sốc nhiệt. Nếu sau 30 chu kỳ màu mẫu

chưa vỡ thì có thể dừng và coi độ bền sốc nhiệt lớ n hơ n 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 vớ i nhau.

Chúng tôi tiến hành đo độ bền sốc nhiệt của các mẫu nghiên cứu tại Viện Vật

Liệu Xây Dựng.

1.6.4.7. Độ ch ị u l ử a [4]

Theo định ngh ĩ a 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 trườ ng 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 tươ ng ứng vớ i ISO 528-1983, ngườ i ta tạo mẫu thành côn để đo. Côn này là





31

khối chóp cụt, hai đáy là tam giác đều có cạnh 8,5 và 3 mm đặt trên đế chịu lửa sao

cho nghiêng vớ i đáy một góc 80±10+.

Khi nâng nhiệt độ có pha lỏng xuất hiện, lượ ng pha lỏng tăng lên, độ nhớ t

của chúng hạ thấp, đầu côn cong dần đân chậm vào mặt ngang của đế. Tại thờ i điểmđó gọi là nhiệt độ gục của côn hay độ chịu lửa. Nếu đầu côn dính dài trên mặt đế,

nhiệt độ tươ ng ứng đã vượ t quá độ chịu lửa. Ngượ c lại, nếu đầu côn chưa chạm đến

đế thì nhiệt độ tươ ng ứng sẽ dướ i độ chịu lửa.

Nếu tăng nhiệt độ nâng nhiệt trong lò sẽ tăng nhiệt độ gục của côn. Vì thế

ngườ i ta thực hiện tốc độ nâng nhiệt quy định 4-60C/phút bắt đầu từ nhiệt độ kết

khối sản phẩm.

1.6.4.8. Tính chấ t đ iệ n [6]

+ Độ thẩ m thấ u đ iện môi (ε )

Độ thẩm thấu điện môi ε là tỷ số điện dung của tụ điện trong trườ ng hợ p giữa

hai bản cực tụ điện đượ c đặt chất điện môi và chân không (hoặc không khí).

ε= C/C0

Trong đó: C0 - Điện dung của tụ điện vớ i chân không.

C - Điện dung của tụ điện vớ i chất điện môi.

Độ thẩm thấu điện môi là tính chất quan trọng nhất đặc trưng cho cấu trúc

chất điện môi gốm. Tùy vào bản chất của vật liệu gốm mà độ thẩm thấu điện môi có

thể thay đổi trong những giớ i hạn nhất định của nhiệt độ.

ε là hằng số điện môi tươ ng đối (là một hàm của ω ). Dòng điện chạy qua gây

mất mát năng lượ ng nên ε phải viết dướ i dạng số phức :

ε *T (ω) = ε’(ω) - j ε’’(ω)

Trong đó: ε’(ω) là phần thực của hàm số điện môi, ε’’(ω) là phần ảo đặc trưng

cho độ tổn hao.

+ Độ d ẫ n đ iện





32

Độ dẫn điện của vật liệu gốm bao gồm độ dẫn điện của các pha cấu thành.

Trong đa số trườ ng hợ p độ dẫn điện của gốm mang đặc tính ion.

+ T ổ n thấ t đ iện môi

Khi có tác động của điện trườ ng, chất điện môi gốm hấp thụ một phần nănglượ ng của nó và năng lượ ng đượ c hấp thụ này đượ c gọi là tổn thất điện môi.

Đại lượ ng tổn thất điện môi đượ c đánh giá bằng góc tổn thất điện môi hoặc

tang của góc đó. Góc tổn thất điện môi δ là góc phụ đến 900 của góc lệch pha θ giữa

dòng và thế trong mạch có sử dụng chất điện môi (hình 1.11).

I U=I.r

θ δ

Hình 1.10. Sơ đồ minh họ a góc tổ n thấ t đ iệ n môi δ δδ δ

Công suất mất mát trong chất điện môi càng lớ n thì góc lệch pha càng nhỏ và

góc tổn thất điện môi càng lớ n. Công suất mất mát Q đượ c xác định theo công thức:

Q= U.I.cosθ

Trong đó: U - Điện thế ở hai cực của tụ điện dùng chất điện môi gốm;I - Cườ ng độ dòng xoay chiều;

θ - Góc lệch pha giữa dòng và thế.

Trong các chất điện môi thực θ < 900 và có giá trị bằng (900 - δ). Do vậy có thể viết:

Q= U.I.sinδ

Đối vớ i δ nhỏ, sinδ thựclà tế bằng tgδ. Tang của góc tổn thất điện môi là một

đại lượ ng đặc trưng cho chất lượ ng của chất điện môi gốm.

Tổn thất điện môi trong gốm bằng tổng các tổn thất năng lượ ng dùng cho cácquá trình chủ yếu sau:

- Cho dòng điện dò;

- Cho quá trình phân cực của các phần tử cấu trúc;

- Cho ion hóa pha khí (lỗ xốp).





33

Chươ ng 2. THỰ C NGHIỆM

2.1. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT

2.1.1. Hóa chất

- Bột talc đượ c lấy từ Thanh Sơ n - Phú Thọ - Silic đioxit SiO2

- Canxi cacbonat CaCO3

- Axit Boric H3BO3

- Canxi Florua CaF2

- Natri cacbonat Na2CO3

- Chất kết dính PVA

Các hóa chất đượ c sử dụng là loại tinh khiết của Trung Quốc.

2.1.2. Dụng cụ

- Cốc thủy tinh, đũa thủy tinh, khay nung mẫu.

- Lò nung, tủ sấy, cân k ĩ thuật (chính xác 10-1, 10-2), cân phân tích chính xác

10-3, thướ c đo k ĩ thuật chính xác 0,02 mm.

- Máy nghiền bi ( Fristch, Đức).

- Máy nhiễu xạ tia X SIEMEN D 5005 (Đức).

- Máy phân tích nhiệt.

- Máy chụp ảnh SEM (Trung tâm Khoa học Vật liệu- Khoa Vật lý – Trườ ng

Đại học Khoa học Tự Nhiên- ĐHQGHN).

- Máy đo cườ ng độ kháng nén IBERTEST (European) của tổng cục đo lườ ng

chất lượ ng Việt Nam.

2.2. THỰ C NGHIỆM

2.2.1. Khảo sát ảnh hưở ng của thờ i gian nghiền đến kích thướ c hạt của bột talc

Kích thướ c hạt của khoáng sét có ý ngh ĩ a quan trọng trong công nghệ gốm

sứ vì nó ảnh hưở ng đến nhiều tính chất k ĩ thuật của nguyên liệu sét như tính ngậm

nướ c, khả năng liên kết, độ co ngót… Các tính chất này thể hiện càng mạnh khi

nguyên liệu chứa càng nhiều các hạt mịn. Ngoài ra cỡ hạt mịn còn làm tăng khả





34

năng phản ứng và giảm nhiệt độ nung sản phẩm do bề mặt tiếp xúc giữa các hạt

tăng.

Quá trình nghiền có ảnh hưở ng lớ n đến cấu trúc, kích thướ c hạt của nguyên

liệu. Khi tăng thờ i gian nghiền kích thướ c hạt trung bình của nguyên liệu giảm vàdiện tích bề mặt của nguyên liệu tăng. Chính vì vậy trong nghiên cứu này chúng tôi

tiến hành khảo sát ảnh hưở ng của thờ i gian nghiền đến kích thướ c hạt của bột talc.

- Talc ban đầu đượ c nghiền thô, sau đó đượ c nghiền mịn trong máy nghiền hành

tinh vớ i bi corundum, tỉ lệ nguyên liệu và bi là như nhau : 400g bi/10g mẫu vớ i tốc

độ 200 vòng/ phút, thờ i gian nghiền tươ ng ứng là 10, 15, 20, 30, 40, 50 phút.

- Cấp hạt của bột talc sau khi nghiền mịn đượ c xác định bằng lượ ng hạt còn sót

trên rây 4900 lỗ /cm2.

2.2.2. Phân tích thành phần của khoáng talc

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

ADVANCE BRUKER-LB Đức, góc quay 2 θ từ 5 -700, bức xạ Cu-Kα tại khoa Hóa

học trườ ng ĐHKHTN.

2.2.3. Khảo sát sự phân hủy nhiệt của talc

Chúng tôi tiến hành khảo sát quá trình phân hủy nhiệt của talc bằng phươ ng

pháp phân tích nhiệt (DTA,TG) vớ i tốc độ nâng nhiệt: 100 /phút, môi trườ ng: không

khí, nhiệt độ cực đại 12000C, tại Viện Vật liệu Xây dựng.

2.2.4. Phân tích nhiệt mẫu hỗn hợ p (talc, thạch anh, canxi cacbonat)

Mẫu hỗn hợ p bột talc, thạch anh, canxi cacbonat vớ i thành phần (46,29% talc,

16,67% thạch anh, 37,04% canxi cacbonat) đượ c trộn đều rồi tiến hành phân tích

nhiệt DTA/TG vớ i tốc độ nâng nhiệt: 100 /phút, môi trườ ng: không khí, nhiệt độ cực

đại 12000C, tại Viện Vật liệu Xây dựng.

2.2.5. Khảo sát ảnh hưở ng của bột talc đến sự hình thành diopside

Chuẩn bị các mẫu vớ i hàm lượ ng bột talc thay đổi như trong bảng 2.1.





35

Bả ng 2.1: Thành phầ n các khoáng trong các mẫ u

Mẫu % Bột talc % Thạch anh % CaCO3

M0 46,29 16,67 37,04

M1 56,82 20,45 22,73M2 59,52 21,43 19,05

M3 61,48 22,13 16,39

M4 62,95 22,66 14,39

M5 64,10 23,08 12,82

M6 65,03 23,41 11,56

M7 65,79 23,68 10,53

M8 66,43 23,91 9,66M9 66,96 24,11 8,93

M10 71,43 25,71 2,86

Các mẫu phối liệu vớ i thành phần như trên đượ c trộn đều trong máy nghiền

hành tinh trong 30 phút vớ i 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 10

0

/phút, lưu trong 1 giờ , làm nguội tự nhiên. Các mẫu sau khi nung thiêu kết,đượ c nghiền mịn rồi tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X để xác định thành phần pha.

2.2.6. Khảo sát ảnh hưở ng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành

diopside

Nhiệt độ nung hợ p lý (tmax) là yếu tố rất cơ bản, có ảnh hưở ng quyết định đến

chất lượ ng sản phẩm nung, sản phẩm thu đượ c 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 hợ p tổng hợ p vật liệu gốm diopside.

Trên cơ sở kết quả khảo sát ảnh hưở ng của bột talc đến sự hình thành diopside

chúng tôi tiến hành khảo sát nhiệt độ nung đối vớ i mẫu M9 (ứng vớ i thành phần bột

talc 66,96%, thạch anh 24,11%, canxi cacbonat 8,93%)





36

Tiến hành nghiền mịn talc và thạch anh, rồi chuẩn bị mẫu nghiên cứu bằng

cách cân hàm lượ ng các nguyên liệu theo thành phần đã tính toán. Phối liệu đượ c

trộn trong máy nghiền hành tinh trong 30 phút vớ i tốc độ 200 vòng/ phút. Sau đó

đượ c tạo độ kết dính bằng PVA, rồi ép viên, sấy khô, nung thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau 10500C, 11000C, 11500C, 12000C vớ i thờ i gian lưu là 1 giờ . Các mẫu

đượ c kí hiệu lần lượ t là T - 1050, T - 1100, T - 1150, T - 1200. Các mẫu sau khi

nung thiêu kết đượ c tiến hành xác định thành phần pha, cấu trúc tinh thể và các tính

chất cơ lý như: độ co ngót, khối lượ ng riêng, độ xốp, độ hút nướ c….

2.2.7. Khảo sát ảnh hưở ng của chất khoáng hóa đến sự hình thành pha tinh thể

gốm

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 mớ i tạo thành trong lúc nung, làm tăng hàm lượ ng hay kích thướ c của nó.

Để khảo sát ảnh hưở ng của một vài chất khoáng hóa lên sự hình thành pha của

vật liệu chúng tôi tiến hành khoáng hóa mẫu M9 vớ i các chất khoáng hóa: Na2O,

B2O3, CaF2.

Cân hàm lượ ng nguyên liệu talc, thạch anh, canxi cacbonat theo thành phần

của mẫu M9 (bảng 2.1), sau đó lần lượ t tiến hành khoáng hóa vớ i hàm lượ ng:

+ Na2O (chiếm 2% tổng khối lượ ng phối liệu).

+ B2O3 (chiếm 2% tổng khối lượ ng phối liệu).

+ CaF2 (chiếm 2% tổng khối lượ ng phối liệu).

Các mẫu sau khi ép viên, sấy khô đượ c nung thiêu kết ở 11500C trong 1h, rồi

tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X để xác định thành phần pha.

2.2.8. Khảo sát ảnh hưở ng của hàm lượ ng bột talc đến các tính chất của vật

liệu

2.2.8.1. Khả o sát ả nh hưở ng củ a hàm l ượ ng bộ t talc đế n độ hút nướ c củ a vậ t liệu





37

Các mẫu ứng vớ i hàm lượ ng bột talc khác nhau M0 M1, M2, M3, M4, M5, M6,

M7, M8, M9, M10 nung thiêu kết ở 12000C lưu trong một giờ đượ c tiến hành xác

định độ hút nướ c theo mục 1.6.4.2.

2.2.8.2. Khả o sát ả nh hưở ng củ a hàm l ượ ng bộ t talc đế n tỉ khố i và độ xố p củ a vậ tliệu

Các mẫu M0, M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, M9 đượ c tiến hành xác định tỉ

khối và độ xốp bằng phươ ng pháp Ascimet theo mục 1.6.4.3.

2.2.8.3. Khả o sát ả nh hưở ng củ a hàm l ượ ng bộ t talc đế n độ co ngót củ a vậ t liệu

Tiến hành xác định độ co ngót của các mẫu vớ i hàm lượ ng bột talc khác nhau

M0, M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, M9, M10 (bảng 2.1) nung ở 12000C trong 1h

theo mục 1.6.4.1.

2.2.8.4. Khả o sát ả nh hưở ng củ a hàm l ượ ng bộ t talc đế n cườ ng độ kháng nén

củ a vậ t liệu

Các mẫu M4, M7,M9, M10 đã nung ở 12000C trong 1h đượ c tiến hành đo cườ ng

độ kháng nén theo mục 1.6.4.4 tại cục đo lườ ng chất lượ ng Việt Nam.

2.2.8.5.Khả o sát ả nh hưở ng củ a hàm l ượ ng bộ t talc đế n độ bề n xố c nhiệ t củ a vậ t

liệu

Các mẫu M7, M9, M10 sau khi đượ c nung thiêu kết ở 12000C trong 1h đượ c

tiến hành đo độ bền xốc nhiệt theo mục 1.6.4.6 tại Viện Vật liệu Xây Dựng

2.2.8.6. Khả o sát ả nh hưở ng củ a hàm l ượ ng bộ t talc đế n tính chấ t đ iệ n củ a vậ t

liệu

Các mẫu ứng vớ i thành phần phối liệu của mẫu M6, M7, M9, M10 (bảng 2.1)

đượ c tạo mẫu hình trụ vớ i kích thướ c bán kính đáy 5mm và chiều cao 1mm, kí hiệu

lần lượ t là D1, D2, D3, D4. Các mẫu sau khi đượ c nung thiêu kết ở 12000C lưu trong

1h đượ c 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.





38

Chươ ng 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưở ng của thờ i gian nghiền đến kích thướ c của bột

talc

Bả ng 3.1 . K ế t quả khả o sát thờ i gian nghiề n Thờ i gian (phút) 10 15 20 30 40 50

Lượ ng sót trên sàng (%) 45 35 20 9 7,0 6,5

Từ bảng 3.1 cho thấy khi tăng thờ i gian nghiền từ 10 đến 30 phút lượ ng hạt

còn sót trên rây giảm đáng kể từ 45% đến 9% khi tăng thờ i gian nghiền từ 30 đến

50 lượ ng hạt còn sót trên rây giảm chậm. Có kết quả này là do sau 30 phút nghiền

xuất hiện sự giảm cơ học của các hạt nên giớ i hạn sự giảm kích thướ c hạt. Kết quả

này phù hợ p vớ i nghiên cứu của tác giả P.J. Sanschez- Soto và các cộng sự [36]. Từ

kết quả trên, để tránh sự mài mòn vật liệu và nhiễm bẩn phối liệu, tiết kiệm năng

lượ ng nghiền mà vẫn đảm bảo đượ c cấp hạt theo yêu cầu chúng tôi chọn thờ i gian

nghiền là 30 phút vớ i tốc độ vòng của máy là 200 vòng/phút và tỉ lệ 400g bi/ 10 g

mẫu.

3.2. Kết quả phân tích thành phần bột talc

Bảng 3.2 trình bày kết quả phân tích thành phần hóa học của bột talc (hàm

lượ ng các chất đượ c tính theo phần trăm về khối lượ ng).

Bả ng 3.2. Thành phầ n hóa họ c củ a khoáng talc

STT Chỉ tiêu Kết quả

1 MKN 4,51%

2 SiO2 60,82%

3 MgO 32,16%

4 CaO 0,22%

5 Al2O3 0,19%

6 Fe2O3 0,15%

7 K2O 0,02%





39

8 Na2O 0,15%

Từ kết quả bảng 3.2 ta nhận thấy thành phần chính của khoáng talc chủ yếu là

silic đioxit (SiO2) chiếm 60,82% và Magie oxit (MgO) chiếm 32,16% . Bên cạnh đócòn một số oxit khác như : CaO (0,22%); Al2O3 (0,19%); Fe2O3(0,15%) … Kết quả

này phù hợ p vớ i phân tích XRD (hình 3.1). Tuy nhiên trên giản đồ XRD không thấy

xuất hiện các pic đặc trưng của các khoáng vật của CaO, Al2O3, FeO, K2O,

Na2O…độc lập. Vì vậy chúng tôi cho rằng Fe2+, Ca2+ thay thế vị trí Mg2+, còn Al3+

thay thế vị trí Si4+ trong mạng tinh thể talc. Các cation Na+, K+ sẽ xâm nhập các

mạng lướ i để trung hòa điện, đảm bảo tính bền cấu trúc tinh thể của talc.

F a c u l t y o f C h e m i st ry , H U S , V N U , D 8 A D V A N C E - B r u k e r - M a u T a l c

0 0 - 0 1 3 - 0 5 5 8 ( I ) - T a l c - 2 M - M g 3 S i 4 O 1 0 ( O H ) 2 - Y : 3 . 4 2 % - d x b y : 1 . - W L : 1 . 5 4 0 6 - M o n o c l i n ic - a 5 . 2 8 7 0 0 - b 9 . 1 5 8 0 0 - c 1 8 . 9 5 0 0 0 - a l p h a 9 0 . 0 0 0 - b e t a 9 9 . 5 0 0 - g a m m a 9 0 . 0 0 0 - B a s e - c e n t e r e d - C 2 / c ( 1 5 )

F i l e : H a n h K 1 9 m a u T a l c . r a w - T y p e : L o c k e d C o u p l e d - S t a r t : 2 0 . 0 0 0 ° - E n d : 7 0 . 0 1 0 ° - S t e p : 0 . 0 3 0 ° - S t e p t i m e : 1 . s - T e m p . : 2 5 ° C ( R o o m ) - T i m e S t a r t e d : 9 s - 2 - T h e t a : 2 0 . 0 0 0 ° - T h e t a : 1 0 . 0 0 0 ° - C h i : 0 .

L i n ( C p s )

0

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0 0 0

4 0 0 0

2 - T h e t a - S c a l e

2 0 30 40 5 0 60 7

d = 3 . 5

3 3

d = 3 . 4

4 6

d = 3 . 1

0 9

d = 2 . 8

2 8

d = 2 . 4

8 7

d = 2 . 3

3 3

d = 1 . 8

6 7

d = 1 . 5

5 7

d = 1 . 3

8 6

Hình 3.1. Giả n đồ nhiễ u xạ tia X củ a mẫ u bộ t talc

Vớ i kết quả phân tích trên chúng tôi đi đến kết luận: talc Thanh Sơ n - Phú Thọ

có hàm lượ ng MgO và SiO2 cao, giản đồ XRD của nó cũng cho thấy talc

(3MgO.4SiO2.H2O) gần như tinh khiết vớ i pic đặc trưng ở góc 2θ = 28,8; d= 3,109;cườ ng độ pic I = 3700, nhóm không gian C2/c, hệ một nghiêng. Đây là loại talc tốt

thích hợ p cho công nghệ gốm sứ.





40

Vớ i thành phần hóa học của diopside : CaO.MgO.2SiO2 ta nhận thấy rằng

khoáng talc là nguyên liệu tự nhiên lý tưở ng để tổng hợ p gốm diopside. Vì vậy

trong nghiên cứu này chúng tôi tổng hợ p gốm diopside đi từ khoáng talc.

3.3. Kết quả phân tích nhiệt bột talcKết quả phân tích nhiệt mẫu talc cho thấy trên giản đồ nhiệt (hình 3.2) có

xuất hiện các hiệu ứng sau:

Xuất hiện một hiệu ứng thu nhiệt nhỏ ở 8300C và kèm theo sự mất khối

lượ ng 0,26% trong khoảng nhiệt từ 8000C đến 8600C. Chúng tôi cho rằng ở khoảng

nhiệt này bắt đầu xảy ra quá trình mất một phần nướ c cấu trúc của talc.

Trong khoảng từ 8300C đến 11000C liên tục có sự mất khối lượ ng mạnh, mất

khoảng 4,32% khối lượ ng. Sự mất khối lượ ng này đi kèm vớ i hiệu ứng thu nhiệt ở

9960C. Chúng tôi cho rằng ở khoảng nhiệt độ này sự mất khối lượ ng là do giải

phóng nướ c cấu trúc đi kèm vớ i sự phân hủy của talc. Sự đề hyđroxyl hóa dẫn đến

sự hình thành enstatite (MgSiO3) rồi chuyển thành protoentatit và silic đioxit vô

định hình.

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

Cấu trúc tinh thể của protoenstatite rất gần vớ i cấu trúc talc. Khi talc bị mất

nướ c hai nhóm hydroxyl tạo thành một phân tử nướ c, nhưng ion O2- còn lại chiếm

chỗ trong mạng tinh thể hình thành cầu Si-O-Si. Do đó hình thành chuỗi tứ diện

[SiO4]4- chuyển cấu trúc lớ p của talc thành cấu trúc chuỗi protoenstatite.





41

Hình 3.2.Giả n đồ phân tích nhiệ t DTA-TG mẫ u talc Phú Thọ

Kết quả trên phù hợ p vớ i nghiên cứu của Ewell, Avgustinik, Kronert [30] và

nhiều nghiên cứu khác.

Từ kết phân tích trên chúng tôi đi đến kết luận sự đề hyđroxyl của mẫu talc

nghiên cứu trong không khí bắt đầu ở khoảng 8000C và sự phân hủy talc xảy ra

nhanh ở khoảng 9000C - 10500C. Từ 8000C đến 11000C talc mất 4,58% khối lượ ng,

kết quả này phù hợ p vớ i kết quả phân tích thành phần bột talc ở mục 3.2. Từ

11000C trở lên gần như không thấy sự mất khối lượ ng vậy có thể kết luận rằng đến

khoảng 11000C talc bị phân hủy gần như hoàn toàn và trên khoảng nhiệt độ này chỉ

xảy ra sự chuyển pha và phản ứng giữa các pha rắn.

Theo nghiên cứu của lindemann [30] thì trên 14000C protoenstatite chuyển

thành clinoentatite trong khi silic đioxit kết tinh ở dạng cristobalite.

3.4. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu hỗn hợ p (talc, SiO2, canxi cacbonat)

Kết quả phân tích nhiệt DTA/TG thu đượ c trên giản đồ 3.3.





42

Hình 3.3. Giả n đồ phân tích nhiệ t mẫ u hỗ n hợ p

Trên giản đồ hình 3.3 cho thấy trong khoảng từ 400 đến 5000C mất 0,22%

khối lượ ng. Chúng tôi cho rằng ở khoảng nhiệt độ này có sự mất nướ c hấp phụ của

talc.

Trong khoảng từ 700 đến 9000C có sự mất khối lượ ng mạnh 23,19% và xuất

hiện hiệu ứng thu nhiệt rõ rệt vớ i cực đại ở 874,90C. Hiệu ứng này ứng vớ i quá trìnhphân hủy canxi cacbonat, và bắt đầu xảy ra sự mất nướ c cấu trúc của khoáng talc.

CaCO3 → CaO + CO2

Trong khoảng từ 900 đến 10700C thấy có sự mất 1,63% khối lượ ng và ở

9970C xuất hiện pic thu nhiệt. Chúng tôi cho rằng trong khoảng nhiệt độ này có sự

mất nướ c cấu trúc của talc và xảy ra sự phân hủy của talc.

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

Trên 10500

C đườ ng giảm khối lượ ng gần như không đổi có ngh ĩ a là ở trên

nhiệt độ này không xảy ra sự mất khối lượ ng. Chúng tôi cho rằng nhiệt độ trên

10500C các chất tồn tại dướ i dạng oxit và xảy ra phản ứng hình thành pha mớ i hoặc





43

chuyển pha. Do có phản ứng nội phân tử của talc nên phản ứng giữa pha rắn xảy ra

ở nhiệt độ thấp hơ n. Sự chuyển nội phân tử talc thành metasilicat magie

(MgO.SiO2) ,(MgO.2SiO2) tiếp đó xảy ra phản ứng giữa metasilicat magie vớ i CaO

có thể tạo thành monticellite (CaO.MgO.SiO2) hay akermanite (2CaO. MgO.SiO2),

phản ứng giữa MgO.2SiO2 vớ i CaO để tạo diopside (CaO.MgO.2SiO2)...

Từ kết quả trên chúng tôi chọn nhiệt độ nung thiêu kết các mẫu nghiên cứu

trong khoảng nhiệt từ 10500C đến 12000C.

3.5. Ảnh hưở ng của hàm lượ ng bột talc đến sự hình thành diopside

Từ giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy hầu hết các mẫu đều xuất hiện pha

akermanite. Mẫu M0, M1 không xuất hiện pha diopside: Mẫu M0 xuất hiện hai pha

akermanite (vớ i pic đặc trưng 2θ= 31,2; d= 2,871; I= 350) và monticellite (vớ i pic

đặc trưng 2θ= 33,5; d= 2,668; I= 240), mẫu M1 xuất hiện ba pha akermanite,

monticellite và forsterite nhưng akermanite là pha chính (vớ i pic đặc trưng 2θ=

31,2; d= 2,871; I= 720) còn hai pha monticellite, forsterite có cườ ng độ rất yếu. Bắt

đầu từ mẫu M2 đến mẫu M10 đều thấy xuất hiện pha diopside và không còn thấy

xuất hiện pha monticellite.

Các pha đượ c hình thành vớ i cườ ng độ pic đặc trưng của các mẫu đượ c trình

bày trong bảng 3.3.

Bả ng 3.3. Các pic đặ c trư ng củ a các pha tinh thể

Pha tinh thể

Diopside Akermanite ForsteriteMẫu

2θ (0) d I 2θ (0) d I 2θ (0) d I

M0 - - - 31,2 2,871 320

M1 - - - 31,2 2,871 720

M2 29,9

35,5

56,5

2,996

2,519

1,626

140

100

30

31,2 2,871 470





44

M3 29,9

35,5

56,5

2,992

2,519

1,626

200

130

55

31,2 2,871 270 32,5 2,771 30

M4 29,935,5

56,5

2,9952,520

1,625

240150

40

31,2 2,868 450

M5 29,9

35,5

56,5

2,995

2,521

1,626

250

155

50

31,2 2,870 270 32,5 2,771 35

M6 29,9

35,556,5

2,994

2,5191,626

320

17560

31,2 2,869 280 32,5 2,770 40

M7 29,9

35,5

56,5

2,991

2,519

1,626

370

230

90

31,2 2,866 160 32,5 2,769 40

M8 29,9

35,5

56,5

2,991

2,519

1,626

400

230

80

31,2 2,866 220 32,5 2,766 50

M9 29,9

35,5

56,5

2,994

2,521

1,626

670

440

180

31,2 2,872 460 - - -

M10 29,9

35,5

56,5

2,995

2,520

1,626

600

310

155

- - - 32,5 2,769 70

Từ kết quả phân tích nhiễu xạ tia X, chúng tôi cho rằng đã xảy ra phản ứng

giữa SiO2 và CaO để tạo thành 2CaO.SiO2.





45

Giữa MgO và SiO2 xảy ra phản ứng để tạo thành MgO.SiO2 (theo nhiều tài

liệu thì phản ứng này xảy ra từ sớ m) sau đó tạo thành forterite 2MgO.SiO2 ở nhiệt

độ cao hơ n. Giữa forterite và 2CaO.SiO2 hình thành ở trên lại có khả năng phản ứng

vớ i nhau để tạo ra monticellite (CaO.MgO.SiO2).Giữa 2CaO.SiO2 có phản ứng vớ i MgO để tạo thành akermanite

(2CaO.MgO.SiO2)

Và đã có phản ứng giữa talc, CaO.MgO và CaO hoặc MgO để tạo thành

diopside:

3MgO.4SiO2.H2O + 2(CaO.SiO2) + CaO → 3(CaO.MgO.2SiO2) + H2O

3MgO.4SiO2.H2O + 4 (CaO.SiO2) + MgO → 4 (CaO.MgO.2SiO2) + H2O

0

100

200

300

400

500

600

700

800

M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10

Mẫu

C ư ờ n g đ ộ p i c

Diopside

Hình 3.4. Đồ th ị biể u diễ n sự phụ thuộ c cườ ng độ pha diopside vào hàm l ượ ng

bộ t talc

Nhìn vào đồ thị hình 3.4 dễ nhận thấy rằng cườ ng độ pha diopside tăng khi

hàm lượ ng bột talc tăng từ 59,5% đến 66,69% về khối lượ ng. Khi hàm lượ ng talc

tăng đến 71,73% thì cườ ng độ pha diopside lại giảm. Cườ ng độ pha diopside cao

nhất ứng vớ i hàm lượ ng bột talc là 66,69% vì vậy chúng tôi chọn mẫu có thành

phần bột talc là 66,69% để đi khảo sát các yếu tố tiếp theo.

3.6. Ảnh hưở ng của nhiệt độ nung đến hình thành diopside











49

56,5 1,625 140

29,9 2,994 680

35,5 2,521 440T- 1200

56,5 1,626 180

31,2 2,872 480

Từ bảng 3.4 chúng ta thấy khi nhiệt độ nung thiêu kết tăng thì thu đượ c pha

diopside vớ i cườ ng độ pic tăng. Tuy nhiên cườ ng độ pic pha diopside giữa các mẫu

nung 10500C và 11000C có sự chênh lệch không nhiều trong khi cườ ng độ pic tăng

cao hơ n khi nung ở 12000C. Chúng ta sẽ thấy rõ hơ n khi nhìn vào hình 3.9 (Đồ thị

biểu diễn sự phụ thuộc cườ ng độ pha diopside vào nhiệt độ)

440 460

630680

0

100

200

300

400

500

600

700

800

T-1050 T- 1100 T-1150 T- 1200

Mẫu

C ư ờ n g đ ộ p i c

Diopside

Hình 3.9. Đồ th ị biể u diễ n sự phụ thuộ c cườ ng độ pha diopside vào nhiệ t độ

Từ kết quả trên chúng tôi đi đến kết luận: Nhiệt độ nung trong khoảng 10500C

đến 12000C pha diopside đều xuất hiện vớ i cườ ng độ tươ ng đối mạnh và cườ ng độ

pic diopside tăng khi nhiệt độ nung tăng. Vì vậy chúng tôi chọn nhiệt độ nung là

12000C để thu đượ c diopside vớ i cườ ng độ lớ n nhất.

3.7. Ảnh hưở ng của chất khoáng hóa đến sự hình thành pha của vật liệu

Hình 3.10, 3.11 và 3.12 trình bày giản đồ phân tích nhiễu xạ tia X của các mẫu

đượ c khoáng hóa bở i Na2O, B2O3, CaF2.









52

Bả ng 3.5. Các pic đặ c trư ng củ a các pha tinh thể trong các mẫ u có chấ t khoáng

hóa và không có chấ t khoáng hóa

Pha tinh thể Diopside Akermanite Canximagiesilicat

Mẫu

2θ d I 2θ d I 2θ D I

Không

có chất

khoáng

hóa

29,9

35,5

56,5

2,995

2,521

1,625

630

390

140

31,2 2,875 490

- - -

Khoánghóa

Na2O

29,935,5

56,5

2,9952,519

1,626

710460

180

31,2 2,870 450 - - -

Khoáng

hóa

B2O

- - - - - - 29,9

35,5

56,5

2,987

2,515

1,623

870

560

170

Khoáng

hóa

CaF2

29,9

35,5

56,5

2,988

2,515

1,623

650

410

140

- - - - - -

Bảng 3.5 cho thấy khi có chất khoáng hóa Na2O và CaF2 thì vật liệu gốm thu

đượ c có pha diopside vớ i cườ ng độ mạnh hơ n khi không có chất khoáng hóa. Tuy

nhiên khi có khoáng hóa là CaF2 thì d của pha diopside nhỏ hơ n.

Từ kết quả trên chúng tôi đi đến kết luận: Khi có các chất khoáng hóa Na2O,

CaF2 và B2O3 đều làm hạ nhiệt độ nung, các chất khoáng hóa có ảnh hưở ng đến sự

hình thành pha tinh thể. Để thu đượ c pha diopsidpe vớ i cườ ng độ cao chúng tôi

chọn chất khoáng hóa Na2O.





53

3.8. Kết quả ảnh SEM

Chúng tôi tiến hành chụp SEM các mẫu M4, M7, M9,M10 tại Trung tâm Khoa

học Vật liệu- Khoa Vật lý – Trườ ng Đại học Khoa học Tự Nhiên- ĐHQGHN.Kết

quả đượ c trình bày trên hình 3.13, 3.14, 3.15, 3.16.

Hình 3.13. Ả nh SEM củ a mẫ u M4

Hình 3.14. Ả nh SEM củ a mẫ u M7





54

Hình 3.15. Ả nh SEM củ a mẫ u 9

Hình 3.16. Ả nh SEM củ a mẫ u 10





55

Nhìn vào kết quả ảnh SEM chúng ta thấy sự phân bố hạt của mẫu 9 là đồng

đều và chắc đặc hơ n cả, cỡ hạt đạt trung bình 1-3µm. Và xét về hình thái học chúng

ta thấy các hạt tinh thể có hình lăng trụ.

3.9. Ảnh hưở ng của bột talc đến các tính chất của vật liệu 3.9.1. Độ co ngót

Kết quả xác định độ co ngót đượ c trình bày trong các bảng và đượ c biểu diễn

trên các hình sau:

Bả ng 3.6. K ế t quả xác đị nh độ co ngót củ a các mẫ u ở nhiệ t độ nung thiêu kế t

khác nhau

Tên mẫu D0 D H0 H Độ co ngót

(%)T- 1050 3,542 3,48 0,544 0,522 2,01%

T- 1100 3,542 3,442 0,512 0,496 2,86%

T- 1150 3,542 3,414 0,490 0,454 4,07%

T- 1200 3,542 3,402 0,500 0,455 4,58%

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

T-1050 T- 1100 T-1150 T- 1200

Mẫu

Đ ộ c o n g ó t ( % )

Hình 3.17. Đồ th ị biể u diễ n ả nh hưở ng củ a nhiệ t độ nung đế n độ co ngót

Nhìn vào đồ thị 3.17 chúng ta thấy khi nhiệt độ tăng thì độ co ngót cũng tăng.

Độ co ngót tăng mạnh khi nung ở 12000C.





56

Bả ng 3.7. K ế t quả xác đị nh độ co ngót củ a các mẫ u vớ i hàm l ượ ng bộ t talc khác

nhau.

Tên mẫu D0 D H0 H Độ co

ngót(%)M0 3,542 3,262 0,560 0,514 7,95%

M1 3,542 3,310 0,520 0,455 7,31%

M2 3,542 3,334 0,478 0,421 6,59%

M3 3,542 3,320 0,500 0,456 6,58%

M4 3,542 3,326 0,562 0,514 6,43%

M5 3,542 3,346 0,510 0,464 5,97%

M6 3,542 3,325 0,500 0,462 5,74%M7 3,542 3,312 0,442 0,426 6,17%

M8 3,542 3,324 0,550 0,532 5,77%

M9 3,542 3,402 0,500 0,455 4,58%

M10 3,542 3,412 0,512 0,468 4,29%

D0,D: đườ ng kính mẫu trướ c và sau khi nung (cm)

H0,H: Chiều cao mẫu trướ c và sau khu nung (cm)Ảnh hưở ng của hàm lượ ng bột talc đến độ co ngót của vật liệu đượ c biểu diễn

rõ hơ n dướ i dạng đồ thị (hình 3.18).

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10

Mẫu

Đ ộ c o n g ó t ( % )





57

Hình 3.18. Đồ th ị biể u diễ n độ co ngót củ a các mẫ u vớ i hàm l ượ ng bộ t talc khác

nhau

Nhìn trên đồ thị 3.18 chúng ta thấy độ co ngót nhìn chung giảm khi hàm

lượ ng bột talc và SiO2 tăng và hàm lượ ng CaO giảm. 3.9.2. Độ hút nướ c

Bả ng 3.8. K ế t quả đ o độ hút nướ c

Mẫu Độ hút nướ c (%)

M0 20,17

M1 17,62

M2 14,79

M3 14,59M4 12,76

M5 12,07

M6 11,56

M7 10,27

M8 8,55

M9 8,02

M10 8,59

0

5

10

15

20

25

M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10

Mẫu

Đ ộ h ú t n ư ớ c

Hình 3.19. Đồ th ị biể u diễ n độ hút nướ c phụ thuộ c vào hàm l ượ ng talc





58

Từ kết quả trên cho thấy độ hút nướ c nhìn chung giảm khi tăng hàm lượ ng

bột talc. Mẫu 9 có độ hút nướ c thấp nhất 8,02%.Điều này hoàn toàn phù hợ p vớ i kết

quả ảnh SEM.

3.9.3. Độ xốp, tỉ khốiKết quả xác định tỉ khối và độ xốp của các mẫu nung ở nhiệt độ khác nhau và

các mẫu vớ i hàm lượ ng bột talc khác nhau đượ c trình bày lần lượ t trong bảng 3.9;

3.10.

Bả ng 3.9. Độ xố p và tỉ khố i củ a các mẫ u nung ở nhiệ t độ khác nhau

Mẫu T- 1050 T- 1100 T- 1150 T- 1200

Tỷ khối 2,32 2,48 2,52 2,63

Độ xốp (%) 13,57 12,51 10,02 8,06

Từ bảng 3.9 cho thấy khi nhiệt độ nung tăng thì tỷ khối của vật liệu tăng và độ

xốp của vật liệu giảm. Có điều này là do khi nhiệt độ nung tăng độ kết khối của vật

liệu tăng.

Bả ng 3.10. Độ xố p và tỉ khố i củ a các mẫ u vớ i hàm l ượ ng bộ t talc khác nhau

nung ở 12000C trong 1h

Mẫu Tỷ khối (D) Độ xốp (%)

M0 2,21 14,28

M1 2,27 14,17

M2 2,36 13,85

M3 2,42 13,38

M4 2,44 12,29

M5 2,46 11,06

M6 2,41 10,77

M7 2,55 10,56

M8 2,57 9,37





59

M9 2,63 8,06

M10 2,48 11,04

Bảng kết quả 3.10 cho thấy có sự tươ ng quan giữa tỷ khối và độ xốp, khi tỷ khối tăng độ xốp có xu hướ ng giảm. Tỷ khối của vật liệu tăng từ mẫu M0 đến mẫu

M9 và ngượ c lại độ xốp giảm từ mẫu M0 đến M9. Điều này khá phù hợ p vớ i kết

quả ảnh SEM, khi độ chắc đặc của vật liệu càng cao thì tỷ khối của vật liệu càng lớ n

và độ xốp của vật liệu càng nhỏ. Tỉ khối của vật liệu tăng từ mẫu M0 đến mẫu M9

và đến mẫu M10 lại giảm có thể giải thích là do tỷ khối của vật liệu gốm phụ thuộc

vào thành phần pha của nó (Dakermanite = 2,99< Dforsterite= 3,22 < Ddiopside= 3,25-3,55 ).

3.9.4. Cườ ng độ kháng nén Bả ng 3.11. K ế t quả đ o cườ ng độ nén

Mẫu FN (KN) Rn (N/cm2)

M4 224,1 23438,04

M7 276,5 28918,42

M9 295,8 30936,96

M10 279,8 29263,56

Từ bảng kết quả trên cho thấy cườ ng độ nén tăng khi hàm lượ ng bột talc tăng

đến 66,96%. Mẫu 9 có cườ ng độ nén tốt nhất. Kết quả này cũng phù hợ p vớ i sự tạo

thành pha diopside và sự sắp xếp tinh thể tạo độ chắc đặc (theo kết quả phân tích tia

X và hình ảnh SEM).

3.9.5. Hệ số giãn nở nhiệt

Kết quả xác định hệ số giản nở nhiệt của các mẫu M4, M7, M9, M10 đượ c trình

bày trong bảng 3.12 .

Bả ng 3.12. H ệ số giả n nở nhiệ t củ a các mẫ u

Mẫu M4 M7 M9 M10

Hệ số trung

bình (10-6 / 0C)

12,9114 8,2108 3,1802 4,5470





60

Nhìn vào bảng kết quả trên chúng ta thấy các mẫu ứng vớ i hàm lượ ng bột

talc khác nhau có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Điều này hoàn toàn dễ hiểu khi

hàm lượ ng bột talc thay đổi thành phần pha cũng thay đổi. Qua bảng kết quả trênchúng ta nhận thấy mẫu 9 có hệ số giãn nở nhiệt trung bình thấp nhất 3,1802.10-

6 / 0C, mẫu 4 có hệ số giản nở nhiệt trung bình cao 12,9114.10-6 / 0C.

3.9.6. Độ bền xốc nhiệt

Bả ng 3.13. K ế t quả đ o độ bề n xố c nhiệ t

Kí hiệu mẫu Số lần

M7 22

M9 >30M10 >30

Từ bảng kết quả trên cho thấy mẫu 9 và mẫu 10 có độ bền xốc nhiệt tốt. Vì

pha diopside có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, SiO2 ở dạng cristobalite ít thay đổi về thể

tích khi tăng nhiệt độ. Kết quả này phù hợ p vớ i kết quả đo hệ số giãn nở nhiệt của

các mẫu.

3.9.7. Độ chịu lử a

Bả ng 3.14. K ế t quả đ o độ ch ị u l ử a

Kí hiệu mẫu Nhiệt độ (C0)

M7 1180

M9 1180

M10 1180

Từ kết quả thu đượ c cho thấy vật liệu gốm có độ chịu lửa không cao. Điều này

có thể là do sản phẩm gốm thu đượ c là đa pha vớ i pha diopside và akermanite là

chính. Nhiệt độ nóng chảy của diopside là 1392,50C và akermanite là 14540C khá





61

thấp nên làm giảm độ chịu lửa của vật liệu. Từ kết quả này cho thấy ảnh hưở ng

không tốt đến độ chịu lửa của vật liệu khi đồng thờ i có mặt CaO và SiO2.

3.9.8. Độ d ẫ n đ iệ n

Hình 3.20 trình bày sự phụ thuộc điện dung và độ dẫn điện vào tần số của cácmẫu D-1, D-2, D-3, D-4, D-5. Ta có thể thấy rằng, điện dung của các mẫu khá ổn

định khi thay đổi tần số. Giá trị điện dung của các mẫu đượ c trình bày trong bảng

3.17.

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

0.0035

0 500 1000 1500 2000

C (nF)

G (mS)

C ( n F )

G

( m S )

F (KHz)

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0

0.0005

0.001

0.0015

0 100 200 300 400 500 600

C (nF)

G (mS)

C

( n F )

G ( m

S )

Freq (KHz)

D1 D2

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0.035

0

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

0.0006

0 50 100 150 200 250 300 350 400

C

G

C ( n F )

G

( m S )

F (KHz)

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0

2 10-5

4 10-5

6 10-5

8 10-5

0.0001

0.00012

0.00014

0 50 100 150

C (nF)

G(mS) C ( n F )

G

( m S )

F (KHz) D3 D4





62

Hình 3.20. Sự phụ thuộ c củ a đ iệ n dung và độ d ẫ n đ iệ n củ a các mẫ u vớ i hàm

l ượ ng talc khác nhau vào tầ n số

Bả ng 3.15. Điệ n dung củ a các mẫ u vớ i hàm l ượ ng bộ t talc khác nhau

Mẫu D1 D2 D3 D4Điện dung C (nF) 0,005 0,006 0,005 0,0055

Nhìn vào bảng 3.15 cho thấy điện dung không có sự biến đổi nhiều khi thay

đổi hàm lượ ng bột talc.

Hình 3.20 cũng cho thấy độ dẫn điện của các mẫu thay đổi theo tần số. Ban

đầu khi tần số tăng thì độ dẫn điện tăng và đạt giá trị cực đại, sau đó nếu tần số tiếp

tục tăng thì độ dẫn điện có xu hướ ng giảm. Độ dẫn điện cực đại của các mẫu đượ ctrình bày ở bảng 3.16.

Bả ng 3.16. Độ d ẫ n đ iệ n cự c đại củ a các mẫ u vớ i hàm l ượ ng bộ t talc khác

nhau

Mẫu D1 D2 D3 D4

Tần số F (Khz) ∼ 883 ∼ 200 ∼ 150 ∼ 100

Độ dẫn điện G (mS) 0,003125 0,0014 0,00058 0,00013

Qua bảng 3.16 cho thấy vớ i mẫu ứng vớ i hàm lượ ng bột talc 66,96% thì gía

trị độ dẫn điện G là nhỏ nhất.





63

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

500

1000

1500

0 500 1000 1500 2000

F (KHz)

ε εε ε ' ( F )

ε εε ε ' ' (

F )

εεεε'

εεεε''

0

20

40

60

80

100

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25 30 35 40

F (KHz)

ε εε ε ' ( F )

ε εε ε ' ' (

F )

εεεε'

εεεε''

D1 D2

0

20

40

60

80

100

0

50

100

150

200

0 50 100 150 200 250 300 350 400

F (KHz)

ε εε ε ' ( F )

ε εε ε ' ' ( F )

εεεε'

εεεε''

10

20

30

40

50

60

70

0

20

40

60

80

100

120

0 5 104

1 105

1.5 105

F (KHz)

ε εε ε ' ( F )

ε εε ε ' ' ( F )

εεεε'

εεεε''

D3 D4 Hình 3.21. Sự phụ thuộ c phầ n thự c và phầ n ả o củ a hằ ng số đ iệ n môi vào tầ n số

củ a các mẫ u D-1, D-2, D-3, D-4.

Nhìn vào hình 3.21 chúng ta thấy phần thực và phần ảo của hằng số điện môi

của các mẫu D1, D2, D3, D4 không phụ thuộc nhiều vào tần số. Phần thực của hằng

số điện môi dao động trong khoảng 10 – 20.





64

0

2

4

6

8

10

0 500 1000 1500 2000

t a g

f(KHz)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 100 200 300 400 500 600

t a g

f(KHz) D1 D2

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

2.4

0 50 100 150 200 250 300 350 400

t a g

f(KHz)

0

0.5

1

1.5

2

0 5 104

1 105

1.5 105

t a g

f(H) D3 D4

Hình 3.22. Sự phụ thuộ c củ a hệ số tổ n hao đ iệ n môi tgδ δδ δ vào tầ n số củ a các mẫ u

D1, D2, D3, D4,

Nhìn vào hình 3.22 chúng ta thấy hệ số tổn hao điện môi tgδ giảm khi

tần số tăng. Điều này có thể giải thích là do các mẫu gốm là điện môi có cực

tính yếu εbđ ≈ ε∞. Do vậy0

tg∞

γ δ =

ε ε. Có ngh ĩ a là tổn hao điện môi do dòng

điện dò gây nên. Vì nhiệt độ không thay đổi nên điện dẫn cũng không đổi, dovậy quan hệ của tgδ và tần số có dạng đườ ng cong hypecbol.





65

KẾT LUẬN

Sau quá trình nghiên cứu chúng tôi đã thu đượ c một số kết quả như sau:

1. Bột khoáng talc Thanh Sơ n- Phú Thọ có thành phần hóa học chủ yếu là

Mg3Si2O10(OH)2 vớ i hàm lượ ng SiO2, MgO lớ n chiếm tổng cộng 92,98% về khốilượ ng, hàm lượ ng các tạp chất nhỏ phù hợ p để tổng hợ p gốm diopside.

2. Sản phẩm gốm thu đượ c từ bột talc có bổ sung SiO2 và CaCO3 là đa pha tinh thể

trong đó đã hình thành pha diopside, ngoài ra còn có các pha như akermanite,

forsterit, monticellite. Vớ i hàm lượ ng bột talc là 66,96% thì vật liệu gốm thu đượ c

có cườ ng độ pha diopside là lớ n nhất, vật liệu thu đượ c có đặc tính cơ - lý (độ hút

nướ c, độ bền sốc nhiệt, độ bền nén…) tốt nhất.

3. Nhiệt độ nung có ảnh hưở ng đến sự hình thành pha tinh thể diopside và tính chất

của vật liệu. Khi nhiệt độ nung tăng từ 10500C đến 12000C thì cườ ng độ pha

diopside tăng, độ hút nướ c giảm, tỉ khối tăng, độ xốp giảm, độ co ngót tăng.

4. Một số chất khoáng hóa như Na2O, B2O, CaF2 có ảnh hưở ng đến sự hình thành

pha của vật liệu gốm. Vớ i chất khoáng hóa Na2O thu đượ c thành phần pha tươ ng tự

mẫu không có chất khoáng hóa trong đó pha diopside có cườ ng độ mạnh hơ n.

5. Từ các kết quả thu đượ c chúng tôi đã xây dựng quy trình sản xuất vật liệu gốm

trên cơ sở tinh thể diopside theo sơ đồ khối sau:

Chuẩn bị Phối liệu

NghiềnTrộn

Ép viên Nung Sảnphẩm





66

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TIẾNG VIỆT

[1]. Vũ Đăng Độ (2006), Các phươ ng pháp vật lý trong hóa học, NXB Đại học

Quốc Gia Hà Nội.[2]. Nguyễn văn Hạnh, Nguyễn Thị Thanh Huyền (12-2004), Một số kết quả thí

nghiệm thăm dò sơ bộ khả năng tuyển mẫu talc vùng Phú Thọ, Viện Khoa học Vật

liệu- Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

[3]. Trịnh Hân, Ngụy Tuyết Nhung (2007),Cơ sở hóa học tinh thể,NXB Đại học

Quốc Gia Hà Nội.

[4].Nguyễn Đăng Hùng (2006); Công nghệ sản xuấ t vật liệu chịu lử a, NXB Bách

khoa-Hà Nội.

[5].Bùi Hữu Lạc, Nguyễn văn Thắng, Hoàng Nga Đính, Báo cáo kết quả tìm kiếm

đánh giá triển vọng talc tỉ lệ 1/50.000 vùng Ngọc Lập- Tà Phú, Liên đoàn Địa chất

III- 1989.

[6]. Huỳnh Đức Minh-Nguyễn Thành Công (2009), “Công nghệ gốm sứ”, NXB

Khoa học và kỹ thuật.

[7]. PGS.TS. Triệu Thị Nguyệt, Giáo án chuyên đề: Các phươ ng pháp nghiên cứu

trong hóa vô cơ .

[8]. Vũ Đ ình Ngọ (2004), Luận văn cao học, Trườ ng Đại học KHTN-Đại học Quốc

Gia Hà Nội.

[9]. Phan Văn Tườ ng (2001), Vật liệu vô cơ , giáo trình chuyên đề, Đại học Khoa

học Tự nhiên- Đại học Quốc Gia Hà Nội.

[10].Phan Văn Tườ ng (2007), Các phươ ng pháp tổng hợ p vật liệu gốm, NXB Đại

học quốc gia Hà Nội.

[11]. Phan Văn Tườ ng và cộng sự, khoa học và công nghệ, số 4, 2007, 21-23.

[12]. Trần Ngọc Tuyền, Tạp chí khoa học, Đại học Huế, số 48, 2008, 177-184.

[13]. Phạm Xuân Yên, Huỳnh Đức Minh,Nguyễn Thu Thủy (1995), Kỹ thuật sản

xuất gốm sứ, NXB Khoa học kỹ thuật.





67

TIẾNG ANH

[14]. Bandford, A.W.,Aktas,Z.,and Woodburn, E.T., (1998) , “Powder

Technology”, vol. 98, pp.61-73.

[15]. Chandra, N.et al, (2005), Journal of the European Ceramic Society, 25 (1), pp,81-88.

[16]. J.H.Rayner and G.Brown (1972),”The crystal structure of talc”, clay and clay

mineral, vol 21, pp.103-114.S

[17]. Kiyoshi Okada, et al, Journal of the European Ceramic Society, 29, 2009, pp.

2047-1052.

[18]. Toru nonami, Sadami Tsutsumi ((1999),” Study of diopside ceramics for

biomaterials”, Journal of materials science: materials in medicine 10, pp, 475-479.

[19]. J. B. Ferguson and H. E. Merwin (1918), “ The ternary system CaO – MgO –

SiO2”, Geophysical laboratory, Carnegie Institution or Washington.

[20]. K. Sugiyama. P. F. James, F. Saito, Y. Waseda, (1991), “ X- ray diffiraction

study of ground talc Mg3Si4O10(OH)2”, Journal of materials science.

[21]. Donald B. Dingwell, (1989), “ effect of fluorine on the viscosity of diopside

liquid”, American Mineralogist, volum 74, pp, 333- 338.

[22]. Zichao Wang and Shaocheng Ji, Georg Dresen, (1999), “ Hydrogen- enhanced

e; ectrical conductivity of diopside”, Geophysical research letters, vol. 26, pp, 799-

802.

[23]. A.M. Kalinkin, A. A. Politov, E. V. Kalinkin, O. A. Zalkind and V. V.

Boldyrev, (2006), “ Mechanochemical Interaction of Calcium Carbonate with

Diopside and Amorphous Silica”, Chemistry for Sustainable Development, pp, 333

– 343.

[24]. J.Stephen Huebner, Donald E. Voigt (1988), “ Electrial conductivity of

diopside: Evidence for oxygen vacan cies”, American Mineralogist, Volum 73, pp,

1235- 1254.

[25]. Xianchun Chen- Jun Ou- Yan Wei- Zhongbin Huang- Yunqing Kang-

Guangfu Yin, (2010), “ Effect of MgO contents on the mechanical properties and





biological performances of bioceramics in the MgO.CaO.SiO2”, J Mater Sci: Mater

Med, pp, 1463- 1471.

[26]. Yu. I. Alekseev, (1997), “ ceramic insulating materials with a diopside

crystalline phase”, Steklo i Keramika, No 12, pp. 15-19.[27]. M.B. Sedel′nikova, V. M. Pogrebenkov and N.V. Liseenko, (2009), “ effect of

mineralizers on the synthesis of ceramic pigments from talc”, Steklo i Keramika,

No 6, pp. 28- 30.

[28]. V.M. Pogrebenkov, M. B. Sedel′nikova and V. I. Vereshchangin, (1998), “

Production of ceramic pigments with diopside structure from talc”, Steklo i

Keramika, No 5, pp. 16- 18.

[29]. L. Bozadjiev, L. Doncheva, (2006), “Methods for diopsdie synthesis”, Journalof the University of Chemical Technology and Metallurgy, 41,2, pp. 125- 128.

[30]. Marek Wesolowski, (1984),“Thermal decomposition of talc”, Thermochimica

Acta, 78, pp. 395- 421.

[31]. Masanori Matsui and William R. Busing, (1984), “ Calculation of the elastic

contants and hingh – pressure properties of diopside, CaMgSi2O6”, Amrerican

Mineralogist, Volum 69, pp. 1090- 1095.

[32]. R.Goren, C.Ozgur, H.Gocmez, Ceramics International, 2006,32, pp,53-56.

33]. http://en.wikipedia.org/wiki/

[34]. www.specialtyminerals.com

[35]. www.luzenac.com

[36]. P.J.Sasnchez- Soto, A, Wewióra, M.A.Avilés, A. Justo, L.A. Perez- Maqueda,

J.L. Perez- Rodríguez, P.Bylina, (1997),” talc from Puebla de Lillo, Spain. II. Effect

of dry grinding on particle size and shap” Applied Clay Scieence, pp, 297- 312.


Documents

Tổng hợp vật liệu gốm diopzit CaO.MgO.2SiO2 và nghiên cứu ảnh hưởng của talc đến cấu trúc, tính chất của vật liệu