Luận văn Nghiên cứu tổng hợp vật liệu gốm diopsit cao.mgo.2sio2 và ảnh hưởng của zro2 đến cấu trúc, tính chất của vật liệu

ình này sẽ có sự khuếch tán ngược chiều các cation hay gọi cơ chế C.Wagner. Ví dụ: trong phản ứng pha rắn giữa MgO và Al2O3 để tạo thành Spinel có sự khuếch tán các cation qua bề mặt phân cách MgO/Spinel/Al2O3 Tại bề mặt phân cách MgO/Spinel xảy ra quá trình: 2Al3+ - 3Mg2+ + 4MgO → MgAl2O4 Tại bề mặt phân cách Spinel/Al2O3 xảy ra quá trình: 3Mg2+ - 2Al3+ + 4Al2O3 → 3MgAl2O4 Cộng 2 phản ứng: 4MgO + 4Al2O3 → 4MgAl2O4 Từ đây ta thấy sản phẩm phát triển về phía phải nhanh gấp 3 lần về phía trái, cứ 2 cation Al3+sang trái thì phải có 3 cation Mg2+ khuếch tán sang phải để trung hòa về điện. 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng giữa các pha rắn Quá trình thực hiện phản ứng giữa các chất rắn gồm các bước: chuẩn bị chất rắn đa tinh thể, tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao. Một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để chuẩn bị chất rắn đa tinh thể (dạng bột) là thực hiện phản ứng trực tiếp hỗn hợp các nguyên liệu ban đầu với pha rắn. Vì vậy tốc độ phản ứng quyết định đến quá trình phản ứng. Hai yếu tố này bị chi phối bởi nhiều yếu tố. + Nhiệt độ nung: Các chất rắn thường không phản ứng với nhau ở nhiệt độ thường, chỉ khi ở nhiệt độ cao các cấu tử mới có đủ năng lượng để khuếch tán qua lớp sản phẩm đến bề mặt tiếp xúc giữa các hạt để phản ứng. Ngoài ra, dưới tác động của nhiệt độ, mạng lưới 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 mới. Do vậy tốc độ phản ứng pha rắn phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ nung. Nói chung phản ứng có thể đạt được nếu nhiệt độ nung đạt đến 2/3 điểm nóng chảy của một trong các chất tham gia phản ứng. + Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng, ảnh hưởng 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 thước hạt càng nhỏ càng tốt. Với phương pháp gốm truyển thống, phối liệu ban đầu có thể được 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 hợp các chất phản ứng mà còn tạo thêm các bề mặt mới cũng như các khuyết tật cấu trúc nhằm thúc đẩy phản ứng đến cùng. + Đặc điểm cấu trúc của các chất ban đầu Phản ứng pha rắn được thực hiện trực tiếp giữa các chất phản ứng ở pha rắn nên cấu trúc ban đầu của chất rắn có ảnh hưởng quyết định không những đến tốc độ phản ứng mà còn ảnh hưởng 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 hơn, dề tham gia phản ứng hơn. Ví dụ: Với phản ứng giữa các oxit, người ta thường chọn chất ban đầu là các muối dễ phân hủy và phân hủy ở vùng nhiệt phản ứng. Lúc này các oxit mới hình thành có cấu trúc mạng lưới chưa hoàn chỉnh (hoạt tính hơn) nên dễ tham gia phản ứng hơn so với các oxit bền được dùng làm phối liệu ban đầu. Ngoài ra, phản ứng pha rắn sẽ xảy ra thuận lợi về mặt năng lượng hơn khi các chất phản ứng có cùng kiểu cấu trúc với sản phẩm hình thành và thường được phân biệt bởi hai loại phản ứng: epitaxit và topotaxit. Phản ứng epitaxit yêu cầu có sự giống nhau về cấu trúc ở lớp 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 cạnh giống nhau về cấu trúc, để xảy ra sự định hướng tạo mầm sản phẩm một cách thuận lợi thì kích thước tế bào mạng cũng như khoảng cách giữa các nguyên tử cũng phải gần giống nhau (chênh lệch dưới 15%). + Chất khoáng hóa Chất khoáng hóa [11] thường được đưa vào phối liệu với hàm lượng khá thấp (khoảng vài %) nhằm tạo pha lỏng có độ nhớt thấp, giúp thấm ướt 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 hơn nên có tác dụng thúc đẩy tốc độ phản ứng cũng như quá trình tái kết tinh sản phẩm trong hỗn hợp. Mặt khác, pha lỏng có tác dụng lấp đầy khoảng trống giữa các hạt rắn, làm tăng mật độ của sản phẩm phản ứng, nghĩa 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 với 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 hơi nước (chemical vapor transport). Các chất khoáng hóa sử dụng phổ biến là: Các hợp chất của Bo (H3BO3, Na2B4O7, 10H2O, B2O3), các muối của kim loại kiềm, các hợp chất của flo, clo (NaF, NaCl, CaF2, BaF2, AlF3, Na2SiF6, Na3AlF6) hoặc có khi là các oxit dễ chảy (oxit vanadi, oxit lantan). Trong đề tài nghiên cứu này chúng tôi đã sử dụng chất khoáng hóa là các muối của kim loại kiềm: CH3COOLi, CH3COONa, CH3COOK. 1.4.3. Phản ứng phân hủy nhiệt nội phân tử [10] Khái niệm này dùng để chỉ cho phản ứng tổng hợp một pha rắn mới xảy ra khi phân hủy nhiệt một pha rắn ban đầu có chứa các hợp phần cần thiết cho pha rắn mới. Khác hẳn với phản ứng xảy ra giữa các pha rắn, phản ứng phân hủy nhiệt nôi phân tử xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Ví dụ: để tổng hợp mulit bằng phản ứng giữa các oxit silic và oxit nhôm trong trường hợp 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. Hay khi nung serpentin lên khoảng 800oC 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 1557oC. Có rất nhiều ví dụ như vậy cho ta thấy việc sử dụng phản ứng phân hủy nhiệt nội phân tử có thể tiến hành tổng hợp được pha gốm ở nhiệt độ thấp, giảm đáng kể năng lượng. Phương pháp sử dụng phân hủy nhiệt nội phân tử không chỉ giúp tổng hợp gốm hệ bậc hai mà còn có thể sử dụng để tổng hợp gốm bậc cao hơn, Ví dụ tổng hợp 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 hợp chất ban đầu đã được phân bố hoàn toàn có trật tự ở mức độ nguyên tử, mặt khác sản phẩm vừa mới 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 được nhiệt độ nung thiêu kết là rất quan trọng vì vậy, trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành tổng hợp gốm diopsit từ khoáng talc. 1.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.5.1. Phương pháp phân tích nhiệt [7] Phương pháp phân tích nhiệt giúp xác định các hiệu ứng nhiệt, sự thay đổi khối lượng của mẫu nghiên cứu ứng với các quá trình biến hóa xảy ra ở một nhiệt độ xác định. Trên cơ sở đó người ta xác định được mẫu nghiên cứu đã xảy ra quá trình hóa học gì? Ở nhiệt độ nào và mức độ mạnh hay yếu? Hiệu ứng nhiệt được ghi dưới dạng đường đốt nóng hoặc các dạng khác như đường vi phân DTA... Đường 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 người ta dùng đường DTA. Đường DTA được ghi dưới dạng đồ thị: sự phụ thuộc của DT (hiệu nhiệt độ giữa mẫu và chất chuẩn) vào thời gian t hoặc nhiệt độ T. Độ nhạy của đường vi phân (DTA) rất lớn gấp 10-15 lần so với đường nhiệt độ. Do đó đường DTA cho phép quan sát được hiệu ứng nhiệt rất nhỏ của mẫu nghiên cứu. Bằng thiết bị phân tích nhiệt chuyên dụng có thể ghi được sự thay đổi khối lượng chất khi đốt nóng dưới dạng đường khối lượng (TG) hay đường vi phân khối lượng (DTG). Đường khối lượng (TG) là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của khối lượng mẫu nghiên cứu vào nhiệt độ T hay thời gian t. Đường TG chỉ ra sự thay đổi khối lượng chất nghiên cứu từ đầu đến cuối thí nghiệm. Từ đường TG có thể thu được các thông tin về thành phần của chất rắn nghiên cứu, độ bền của nó, về các sản phẩm được tạo thành trong quá trình phân hủy, kết hợp cũng như giả thiết được về cơ chế và nhiệt động học của phản ứng theo từng giai đoạn hay toàn bộ quá trình. Chất so sánh Mẫu nghiên cứu T1 T2 2 B C A D Lập Lò nung Ghi thông tin Xử lý thông tin Chương trình T DTA Hình 1.5. Sơ đồ khối của thiết bị phân tích nhiệt 1.5.2. Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X [1] Về mặt hóa học SiO2 rất trơ, nó không tác dụng với oxi, clo, brom và các axit kể cả khi đun nóng. Nó chỉ tác dụng với flo và HF ở điều kiện thường, SiO2 tan. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là một trong những phương pháp hiện đại dùng để xác định thành phần pha tinh thể của vật liệu. Phương pháp này cho phép xác định thông số mạng, kiểu mạng lưới, kích thước hạt... Phương pháp nhiễu xạ tia X dựa trên nguyên tắc sau: Khi chiếu một chùm tia X song song, đơn sắc vào vật liệu có cấu trúc tinh thể thì xảy ra hiện tượng khuếch tán tia X. Điện trường của chùm tia tới 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 với tia X. Do đó chúng giao thoa với nhau. Trong mạng lưới 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 đơn sắc có bước sóng xác định đi qua một hệ tinh thể, trong tinh thể ta chọn hai mặt phẳng nút song song với nhau có khoảng cách là dhkl, góc hợp bởi tia tới với mặt phẳng nút là q. Nếu hiệu lộ trình của tia tới và tia phản xạ bằng một số nguyên lần bước sóng thì xảy ra hiện tượng nhiễu xạ tia X. Hình 1.6. Nhiễu 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 Khi các tia này giao thoa với nhau ta sẽ thu được cực đại nhiễu xạ thỏa mãn phương 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 bước sóng. 1.5.3. Hình ảnh quét bằng kính hiển vi điện tử SEM [27] Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Hình 1.7. Sơ đồ khối các bộ phận của kính hiển vi điện tử quét Phương pháp SEM được sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu. Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu đươc những bức ảnh 3 chiều chất lượng cao và không đòi hỏi phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu. Phương phép SEM đặc biệt hữu dụng, bởi vì nó cho độ phóng đại có thể thay đổi từ 10 đến 100000 lần với hình ảnh rõ nét, hiển thị ba chiều phù hợp cho việc phân tích hình dạng và cấu trúc bề mặt. 1.5.4. Phương pháp xác định các tính chất vật lí 1.5.4.1. Xác định độ co ngót khi nung Mẫu được ép viên (hình trụ) sấy khô trước khi nung được đo chiều cao, đường kính tương ứng là H0, D0. H, D tương ứng là chiều cao và đường kính của mẫu sau khi nung thiêu kết đã làm nguội về nhiệt độ phòng. Ta có công thức sau: Độ co ngót 1.5.4.2. Xác định độ hút nước Độ hút nước của vật liệu là khả năng hút và giữ nước của nó ở điều kiện bình thường. Độ hút nước theo khối lượng là tỉ số phần trăm giữa khối lượng nước mà vật liệu hút được với khối lượng của vật liệu ở trạng thái khô. Các bước tiến hành như sau: - Sấy mẫu ở nhiệt độ 105oC-110oC đến khối lượng không đổi. - Để nguội, cân mẫu khô (m0). - Ngâm mẫu đã cân đến bão hòa nước. - Vớt mẫu ra, lau nước đọng trên mặt mẫu bằng vải ẩm rồi cân mẫu bão hòa nước (m). Thời gian từ khi vớt mẫu ra đến khi cân không vượt quá 3 phút. Độ hút nước của mẫu được xác định theo công thức: Độ hút nước 1.5.4.3. Xác định khối lượng riêng bằng phương pháp Acsimet Thể tích tự nhiên của viên gốm V0 được xác định bằng cách: sau khi ngâm bão hòa viên gốm trong nước ta đem xách định thể tích thông qua phương pháp đẩy nước. Thể tích dâng lên chính là thể tích tự nhiên của viên gốm. Xác định thể tích toàn đặc của khối gốm bằng cách xác định thể tích gốm dạng bột bằng phương pháp đẩy nước ta được thể tích gốm là Va. Khi đó độ xốp của gốm được tính như sau : Cân khối lượng của viên gốm được m(g). Khi đó khối lượng riêng được tính theo công thức: d = m/ Vo 1.5.4.4. Xác định cường độ nén [4] Cường độ nén là khả năng lớn nhất của vật liệu chống lại sự phá hoại do tải trọng gây ra và được xác định bằng ứng suất tới hạn khi mẫu vật liệu bị phá hủy. Cường độ nén của sản phẩm phản ánh mức độ kết khối hay mật độ của sản phẩm. Tuy nhiên sản phẩm có cùng mật độ như nhau nhưng độ bền nén có thể khác nhau. Điều đó chứng tỏ chúng phụ thuộc vào cấu trúc cũng như loại liên kết trong sản phẩm.Vì vậy độ bền nén là chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm nhanh chóng cũng như đánh giá cả quy trình công nghệ sản xuất ra sản phẩm đó. Để xác định độ bền nén theo TCVN 6530-1:1999 người ta đặt mẫu trên máy ép thủy lực hoặc máy ép cơ tiêu chuẩn để xác định lực phá hủy. Lực nén Mẫu đo Hình 1.8. Mô hình thiết bị đo cường độ kháng nén Cường độ kháng nén Rn được tính theo công thức: Rn=Pmax/F Trong đó: Pmax - Tải trọng nén phá hoại mẫu (N,KN) F - Tiết diện chịu lực của mẫu (mm2,cm2, m2) 1.5.4.5. Hệ số giản nở nhiệt [4] Khi vật liệu bị nung nóng, các nguyên tử sẽ nhận thêm năng lượng và dao động quanh vị trí cân bằng. Vì thế, khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử cũng như kích thước của vật liệu tăng lên. Nói cách khác, vật liệu bị nở ra khi đốt nóng và khi làm lạnh xảy ra quá trình ngược lại. Hiện tượng đó được gọi là sự giãn nở nhiệt của vật liệu, sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ của vật liệu rắn được biểu diễn bởi công thức: Trong đó: lt và l0 tương ứng là chiều dài ban đầu và chiều dài cuối cùng khi tăng nhiệt độ của vật liệu từ T0 đến Tt α: hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài (oC-1) Vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt càng lớn thì khi thay đổi nhiệt độ, sự co giãn của vật liệu càng lớn làm cho vật liệu bị nứt vỡ. Vì vậy, hệ số giãn nở nhiệt là thông số vật lí đặc trưng cho độ bền nhiệt của vật liệu. 1.5.4.6. Độ bền sốc nhiệt [4] Tính chất của vật liệu chống lại sự dao động nhiệt độ không bị phá hủy gọi là độ bền sốc nhiệt. Nguyên nhân vỡ sản phẩm do dao động nhiệt độ là các ứng suất xuất hiện trong sản phẩm do chênh lệch nhiệt độ khi đốt nóng và làm nguội. Theo TCVN 6530-7:2000, để xác định độ bền sốc nhiệt, người ta nung mẫu 75x50x50mm đến khi nhiệt độ 1000o-1200oC, sau đó lấy mẫu ra đặt vào khung đỡ và dùng lực bẩy để nâng đầu khung kia cao lên theo phương pháp thẳng đứng với lực đẩy tương ứng 20N. Như vậy mẫu được làm nguội bằng không khí và chịu lực uốn khi bẩy. Sau khi bẩy, mẫu được nung và lại tiếp tục quy trình trên cho đến khi mẫu bị vỡ. Số lần quy trình đó được gọi là độ bền sốc nhiệt. Nếu sau 30 chu kỳ mà mẫu chưa vỡ thì có thể dừng và coi độ bền sốc nhiệt lớn hơn 30 lần. Điều kiện xác định độ bền sốc nhiệt không giống như điều kiện sử dụng vì vậy những số liệu đo độ bền sốc nhiệt chỉ có tính chất gần đúng và để so sánh giữa các vật liệu với nhau. 1.5.4.7. Độ chịu lửa [4] Theo định nghĩa của ISO 836-2001 thì độ chịu lửa là tính chất đặc trưng cho vật liệu chịu lửa bền vững ở nhiệt độ cao trong môi trường và điều kiện sử dụng của vật liệu. Để xác định độ chịu lửa của vật liệu, theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6530-4:1999 tương ứng với ISO 528- 1983, người ta tạo mẫu thành côn để đo. Côn này là khối chóp cụt, hai đáy là tam giác đều có cạnh 8,5 và 3mm đặt trên đế chịu lửa sao cho nghiêng với đáy một góc 8o ±1o. Khi nâng nhiệt độ có pha lỏng xuất hiện, lượng pha lỏng tăng lên, độ nhớt của chúng hạ thấp, đầu côn cong dần dần chạm vào mặt ngang của đế. Tại thời điểm đó gọi là nhiệt độ gục của côn hay độ chịu lửa. Nếu đầu côn dính dài trên mặt đế, nhiệt độ tương ứng đã vượt quá độ chịu lửa. Ngược lại, nếu đầu côn chưa chạm đến đế thì nhiệt độ tương ứng sẽ dưới độ chịu lửa.Nếu tăng nhiệt độ nâng nhiệt trong lò sẽ tăng nhiệt độ gục của côn. Vì thế người ta thực hiện tốc độ nâng nhiệt quy định 4-6oC/phút bắt đầu từ nhiệt độ kết khối sản phẩm. Chương 2. THỰC NGHIỆM 2.1. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN 2.1.1. Mục tiêu của luận vănCác hóa chất sử dụng trong quá trình thực nghiệm Nghiên cứu tổng hợp gốm Diopsit CaO.MgO.2SiO2 và ảnh hưởng của Ziriconi (IV) oxit đến cấu trúc và tính chất của gốm. 2.1.2. Các nội dung nghiên cứu của luận văn * Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến điều chế gốm Diopsit. - Chất khoáng hóa. - Hàm lượng chất khoáng hóa. * Nghiên cứu cấu trúc, tính chất của gốm. - Nghiên cứu ảnh hưởng của Ziriconi (IV) oxit đến cấu trúc, tính chất của gốm. - Sử dụng các phương pháp: DTA, TG, TMA, XRD, SEM để nghiên cứu cấu trúc, thành phần và tính chất của gốm. 2.2. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT 2.2.1. Hóa chấtCác hóa chất sử dụng trong quá trình thực nghiệm - Bột talc được lấy từ Thanh Sơn - Phú Thọ - Silic đioxit SiO2 - Canxi cacbonat CaCO3 - Liti axetat CH3COOLi - Natri axetat CH3COONa - Kali axetat CH3COOK - Ziriconi (IV) oxit ZrO2 - Chất kết dính PVA Các hóa chất được sử dụng là loại tinh khiết của Trung Quốc. 2.2.2. Dụng cụ - Cốc thủy tinh, đũa thủy tinh, khay nung mẫu. - Lò nung, tủ sấy, cân kĩ thuật (chính xác 10-1, 10-2), cân phân tích chính xác 10-3, thước đo kĩ thuật chính xác 0,02 mm. - Máy nghiền bi ( Fristch, Đức). - Máy nhiễu xạ tia X SIEMEN D 5005 (Đức). - Máy phân tích nhiệt DTA/TG - Đại học Bách Khoa Hà Nội. - Máy chụp ảnh SEM (Trung tâm Khoa học Vật liệu- Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên- ĐHQGHN). - Máy đo cường độ kháng nén IBERTEST (European) của tổng cục đo lường chất lượng Việt Nam. 2.3. THỰC NGHIỆM 2.3.1. Chuẩn bị mẫu Nghiên cứu này nhằm chế tạo gốm Diopsit dựa trên hệ bậc ba CaO- MgO-SiO2 có sử dụng các chất khoáng hóa và phụ gia. Các kết quả được so sánh với các kết quả của gốm dựa trên hệ CaO-MgO-SiO2 để tìm ra cách chế tạo sản phẩm có chất lượng mà lại ít tiêu tốn năng lượng. Các mẫu được chuẩn bị theo tỷ lệ mol CaO : MgO : SiO2 = 1 : 1 : 2 và thêm chất khoáng hóa và phụ gia ZrO2. 2.3.2. Cách làm - Cân các phối liệu talc, SiO2, CaCO3, chất khoáng hóa và chất phụ gia theo thành phần các mẫu đã được chọn. - Các nguyên liệu được trộn đều trong máy nghiền hành tinh trong 30 phút với tốc độ 200 vòng/ phút. - Các nguyên liệu sau khi được trộn đều và nghiền mịn, được tạo độ kết dính bằng PVA, rồi đem ủ một ngày, sau đó đem ra ép viên hình trụ (Φ = 3,59 cm, l ≈ 1cm) bằng máy nén thủy lực. - Sấy khô mẫu rồi đem nung thiêu kết ở các nhiệt độ 1200oC với thời gian lưu là một giờ [2]. Các sản phẩm thu được tiến hành xác định thành phần, cấu trúc và tính chất. 2.3.3. Phân tích nhiệt của các mẫu nghiên cứu 2.3.3.1. 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 q từ 5 -70o, bức xạ Cu-Ka tại khoa Hóa học trường ĐHKHTN. 2.3.3.2. Khảo sát sự phân hủy nhiệt của talc Chúng tôi tiến hành khảo sát quá trình phân hủy nhiệt của talc bằng phương pháp phân tích nhiệt (DTA,TG) với tốc độ nâng nhiệt: 10o/phút, môi trường: không khí, nhiệt độ cực đại 1200oC, tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. 2.2.3.3. Phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp (talc, thạch anh, canxi cacbonat) Mẫu hỗn hợp bột talc, thạch anh, canxi cacbonat với thành phần: 47,42% talc, 15,03% thạch anh, 37,55% canxi cacbonat (tỷ lệ mol CaO : MgO : SiO2 = 1 : 1 : 2) được trộn đều rồi tiến hành phân tích nhiệt DTA/TG với tốc độ nâng nhiệt: 10o/phút, môi trường: không khí, nhiệt độ cực đại 1200oC, tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. 2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng 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 mới tạo thành trong lúc nung, làm tăng hàm lượng hay kích thước của nó. Để khảo sát ảnh hưởng của một vài chất khoáng hóa lên sự hình thành pha của vật liệu chúng tôi tiến hành khoáng hóa mẫu với các chất khoáng hóa: CH3COOLi, CH3COONa, CH3COOK Cân hàm lượng nguyên liệu talc, thạch anh, canxi cacbonat theo thành phần khối lượng: 47,42% talc, 15,03% thạch anh, 37,55% canxi cacbonat, sau đó lần lượt tiến hành khoáng hóa với hàm lượng: + CH3COOLi (chiếm 2% tổng khối lượng phối liệu). + CH3COONa (chiếm 2% tổng khối lượng phối liệu). + CH3COOK (chiếm 2% tổng khối lượng phối liệu). Các mẫu sau khi ép viên, sấy khô được nung thiêu kết ở 1200oC trong 1h, rồi tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X để xác định thành phần pha. 2.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất khoáng hóa CH3COONa đến sự hình thành diopsit Chuẩn bị các mẫu với hàm lượng chất khoáng hóa CH3COONa thay đổi như trong bảng 2.1. Bảng 2.1: Thành phần nguyên liệu trong các mẫu có chất khoáng hóa Mẫu % Bột talc % Thạch anh % CaCO3 % CH3COONa M0 47,42 15,03 37,55 0 M1 47,42 15,03 37,55 1 M2 47,42 15,03 37,55 2 M3 47,42 15,03 37,55 3 M4 47,42 15,03 37,55 4 M5 47,42 15,03 37,55 5 Các mẫu sau khi nung thiêu kết, được nghiền mịn rồi tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X để xác định thành phần pha. 2.3.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành Diopsit. 2.3.6.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành Diopsit bằng phương pháp XRD Chuẩn bị các mẫu với hàm lượng Ziriconi (IV) oxit thay đổi như trong bảng 2.2. Bảng 2.2: Thành phần nguyên liệu trong các mẫu có ZrO2 Mẫu Bột talc % Thạch anh % CaCO3 % CH3COONa % ZrO2 % M20 47,42 15,03 37,55 2 0 M21 47,42 15,03 37,55 2 0,5 M22 47,42 15,03 37,55 2 1 M23 47,42 15,03 37,55 2 1,5 M24 47,42 15,03 37,55 2 2 M25 47,42 15,03 37,55 2 2,5 M26 47,42 15,03 37,55 2 3 Các mẫu sau khi nung được phân tích nhiễu xạ XRD trên máy D8 ADVANCE BRUKER-LB Đức, góc quay 2 q từ 5 -70o, bức xạ Cu-Ka tại khoa Hóa học trường ĐHKHTN. 2.3.6.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của Ziriconi (IV) oxit đến sự hình thành Diopsit bằng phương pháp SEM Từ kết quả phân tích XRD chúng tôi xác định được sự hình thành pha tinh thể, từ đó chúng tôi chọn các mẫu M20, M23, M26 điển hình để tiến hành xác định hình thái học bằng phương pháp SEM tại khoa Vật Lý-Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên-ĐHQGHN. 2.3.7. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến các tính chất của vật liệu 2.3.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến độ co ngót của vật liệu Tiến hành xác định độ co ngót của các mẫu M20, M21, M22, M23, M24, M25, M26 theo mục 1.5.4.1. 2.3.7.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến độ hút nước của vật liệu Các mẫu ứng với hàm lượng Ziriconi (IV) oxit khác nhau M20, M21, M22, M23, M24, M25, M26 nung thiêu kết ở 1200oC lưu trong một giờ được tiến hành xác định độ hút nước theo mục 1.5.4.2 2.3.7.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến khối lượng riêng và độ xốp của vật liệu Các mẫu M20, M21, M22, M23, M24, M25, M26 được tiến hành xác định khối lượng riêng và độ xốp bằng phương pháp Ascimet theo mục 1.5.4.3 2.3.7.4. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến cường độ kháng nén của vật liệu Các mẫu M20, M21, M22, M23, M24, M25, M26 được tiến hành đo cường độ kháng nén theo mục 1.5.4.4 tại cục đo lường chất lượng Việt Nam. 2.3.7.5. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu Các mẫu M20, M23, M26 được tiến hành đo hệ số giãn nở nhiệt theo mục 1.5.4.5 tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. 2.3.7.6. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến độ bền sốc nhiệt của vật liệu Các mẫu M20, M23, M26 được tiến hành đo độ bền sốc nhiệt theo mục 1.5.4.6 tại Viện Vật Liệu Xây dựng. 2.3.7.7. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Ziriconi (IV) oxit đến độ chịu lửa của vật liệu Các mẫu M20, M23, M26 được tiến hành đo độ chịu lửa nhiệt theo mục 1.5.4.7 tại Viện Vật Liệu Xây dựng. Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả phân tích thành phần bột talc Bảng 3.1 trình bày kết quả phân tích thành phần hóa học của bột talc (hàm lượng các chất được tính theo phần trăm về khối lượng) [2]. Bảng 3.1: Thành phần hóa học của 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% 8 Na2O 0,15% Từ kết quả bảng 3.1 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 đó còn một số oxit khác như : CaO (0,22%); Al2O3 (0,19%); Fe2O3(0,15%) Kết quả này phù hợp với 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, Na2Ođộc 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 N