Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu điều chế và tính chất điện hóa của lớp phủ composite Niken – Coban bằng phương pháp điện hóa.
MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 1 Chương 1- TỔNG QUAN .2 1.1 Giới 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 Ứng dụng của talc 6 1.2 Giới thiệu chung về vật liệu gốm .10 1.2.1 Vật liệu gốm 10 1.2.2 Các phương pháp tổng hợp gốm 11 1.2.2.1 Phương pháp sol-gel 11 1.2.2.2 Phương pháp đồng kết tủa 12 1.2.2.3 Phương pháp phân tán rắn - lỏng 12 1.2.2.4 Phương pháp điều chế gốm truyền thống 12 1.3 Giới 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 Giới 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 Ứng dụng của gốm Diopside .19 1.5 Giới thiệu phản ứng giữa pha rắn 19 1.5.1 Cơ chế phản ứng giữa các pha rắn 19 1.5.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng giữa các pha rắn 20 1.5.3 Phản ứng phân hủy nhiệt nội phân tử 22 1.6 Các phương pháp thực nghiệm .23 1.6.1 Phương pháp phân tích nhiệt 23 1.6.2.Phương 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 Phương 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 nước 28 1 1.6.4.3 Xác định khối lượng riêng bằng phương pháp Acsimet .28 1.6.4.4 Xác định cường độ nén 28 1.6.4.5 Hệ số giản nở nhiệt 29 1.6.4.6 Độ bền sốc nhiệt 30 1.6.4.7 Độ chịu lửa 30 1.6.4.8 Tính chất điện .31 Chương 2 THỰC 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 Thực nghiệm .33 2.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền đến kích thước hạt của bột 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 hợp (talc , thạch anh, canxi cacbonat) 34 2.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của bột talc đến sự hình thành diopside .34 2.2.6 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành diopside 35 2.2.7 Khảo sát ảnh hưởng của chất khoáng hóa đến sự hình thành pha tinh thể gốm 36 2.2.8 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến các tính chất của vật liệu 36 2.2.8.1 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến độ hút nước của vật liệu 36 2.2.8.2 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến tỉ khối và độ xốp của vật liệu 37 2.2.8.3 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến độ co ngót của vật liệu 37 2.2.8.4 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến cường độ kháng nén của vật liệu .37 2.2.8.5.Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến độ bền xốc nhiệt của vật liệu .37 2.2.8.6 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến tính chất điện của vật liệu 37 Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền đến kích thước của bột talc .38 3.2 Kết quả phân tích thành phần bột talc 38 3.3 Kết quả phân tích nhiệt bột talc 40 2 3.4 Kết quả phân tích nhiệt của mẫu hỗn hợp (talc, SiO2, canxi cacbonat) 41 3.5 Ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến sự hình thành diopside 43 3.6.Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hình thành diopside 45 3.7 Ảnh hưởng của chất khoáng hóa đến sự hình thành pha của vật liệu .49 3.8 Kết quả ảnh SEM .53 3.9 Ảnh hưởng của bột talc đến các tính chất của vật liệu 55 3.9.1 Độ co ngót 55 3.9.2 Độ hút nước 57 3.9.3 Độ xốp, tỉ khối .58 3.9.4 Cường độ kháng nén 59 3.9.5 Hệ số giãn nở nhiệt 60 3.9.6 Độ bền xốc nhiệt 60 3.9.7 Độ chịu lửa 61 3.9.8.Độ dẫn điện 61 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 3 MỞ ĐẦU Công nghiệp gốm sứ là một trong những ngành cổ truyền được phát triển rất sớm Từ hơn 9000 năm trước công nguyên vật liệu gốm đã được con người biết đến và sử dụng Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, vật liệu gốm càng ngày càng được sử dụng rộng rãi, đặc biệt sự ra đời của nhiều loại gốm mới với nhiều đặc tính ưu việt đang trở thành đề tài được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm nghiên cứu Gốm diopside (CaO.MgO.2SiO2) là một trong những loại gốm mới có nhiều tính chất vượt trội: như có độ bền cơ học cao, có tính đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt thấp, không phản ứng với axit, bazơ, với tác nhân oxi hóa, có hoạt tính sinh học, không có tính độc với sự phát triển của tế bào…Với những đặc tính như vậy nên gốm diopside được sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau: công nghệ xây dựng, công nghệ điện, điện tử, sinh học… Do vậy, việc nghiên cứu tổng hợp gốm diopside sẽ góp phần vào sự phát triển của ngành công nghệ vật liệu gốm Hiện nay có rất nhiều phương pháp tổng hợp gốm diopside: Phương pháp truyền thống, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp khuếch tán pha rắn vào pha lỏng…Trong đó, phương 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, người ta đi tổng hợp gốm diopside từ các khoáng chất có sẵn trong tự nhiên như: đá vôi, khoáng talc, thạch anh…để thu được diopside có giá thành rẻ mà vẫn giữ được những đặc tính quan trọng Với 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 nước, chúng tôi chọn đề tài cho luận văn: “Tổng hợp vật liệu gốm diopzit CaO.MgO.2SiO2 và nghiên cứu ảnh hưởng của talc đến cấu trúc, tính chất của vật liệu” 1 Chương 1- TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ TALC 1.1.1 Nguồn gốc hình thành talc [33] Talc là một khoáng vật được hình thành từ quá trình biến chất các khoáng vật magie như pyroxen, amphiboli, olivin có mặt của nước và cacbon đioxit Quá trình này tạo ra các đá tương ứng gọi là talc cacbonat Talc ban đầu được hình thành bởi sự hydrat và cacbonat hóa serpentin, theo chuỗi phản ứng sau: Serpentin + cacbon đioxit → Talc + manhezite + nước 2Mg3Si2O5(OH)4 + CO2 Mg3Si4O10(OH)2 + 3 MgCO3 + 3 H2O Bên cạnh đó, talc cũng được tạo ra thông qua quá trình biến chất tiếp xúc bởi phản ứng giữa dolomit và silica, gọi là skarn hóa dolomit Dolomit + silica + nước → Talc + canxít + cacbon đioxit 3 CaMg(CO3)2 + 4SiO2 + H2O Mg3Si4O10(OH)2 + 3 CaCO3 + 3CO2 Talc cũng được 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 lượng nhôm trong đá giàu nhôm Quá trình này xảy ra trong điều kiện áp suất cao và nhiệt độ thấp thường tạo ra phengite, granate, glaucophan trong tướng phiến lục Các đá có màu trắng, dễ vỡ vụn và dạng sợi được 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 với tỷ lệ MgO: 31,9% , SiO2: 63,4% và H2O: 4,7% Tuy nhiên quặng talc trong tự nhiên thường chứa các tạp chất như FeO, Fe2O3, Al2O3, Na2O, K2O, CaO hàm lượng các tạp chất thường chứa vài phần trăm Trong những tạp chất trên người 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 2 sử dụng talc làm nguyên liệu sản xuất gốm sứ hay vật liệu chịu lửa thì người ta thường chọn talc có thành phần oxit sắt nhỏ Màu của talc thường là màu xanh sáng, trắng hoặc xanh xám Nếu oxit sắt lớn thì có màu trắng ngà hoặc phớt hồng + Thành phần khoáng vật Do nguồn gốc của talc được 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 lớp có khoáng pyrophillit Al2O3.2SiO2.H2O 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 lớp: tứ diện –bát diện- tứ diện (T-O-T) Hình 1.1 mô tả cấu trúc tinh thể của talc 3 Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể talc Cấu trúc lớp cơ bản của talc được tạo thành từ lớp bát diện Mg-O2/hyđroxyl nằm kẹp giữa 2 lớp tứ diện SiO2.Các lớp đều trung hòa điện tích, xen giữa chúng không có cation trao đổi và chúng liên kết với nhau bằng lực liên kết yếu Điều này dẫn đến độ cứng thấp và khuyết tật trong trình tự các lớp 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 đơn vị hệ một nghiêng và ba nghiêng được trình bày trong bảng 1.1 Bảng 1.1 Thông số cấu trúc của talc Thông số tế bào đơn vị Một nghiêng Ba nghiêng a ( A0 ) 5,28 5,290 b ( A0 ) 9,15 9,173 c ( A0 ) 18,92 9,460 (0) 90,00 98,68 (0) 100,15 119,90 (0) 90,00 85,27 Z 4 2 Nhóm không gian C2/c C1 Khi các lớp 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 phương, mà ba phương kép do các 4 tứ diện tự xoay một góc quanh trục đứng Vậy, talc có những loại cấu trúc như 1Tc (một lớp ba nghiêng), 2M (hai lớp một nghiêng) và 2O (hai lớp trực thoi) Tinh thể talc có dạng hình vẩy Thường tập hợp 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 phương pháp phổ nhiễu xạ XRD, tinh thể talc cho các vạch Rơnghen 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 thơm 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 nước và trơ về mặt hóa học của talc, dẫn điện, dẫn nhiệt kém Chính vì vậy talc được sử dụng trong sản xuất bộ phận cách điện tần số cao Talc không tan trong nước 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 với các chất hữu cơ tức là nó ưa các hợp chất hữu cơ Khi nung talc có hiệu ứng nhiệt mạnh bắt đầu từ 9000C, thông thường là 920- 10600C nếu nung nóng trong môi trường không khí Ở khoảng nhiệt độ này talc bị mất nước hóa học tạo thành metasilicat magie 3MgO.4SiO2.H2O 3(MgO.SiO2) + SiO2 + H2O Khi đó SiO2 được 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 lượng 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 5 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 hơn nó sẽ phản ứng với 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 thời lại tiêu tốn MgO để biến thành 2MgO.SiO2 cho nên phải hạn chế oxit sắt trong nguyên liệu Nếu trong môi trường chân không thì quá trình phân hủy có thể bắt đầu từ 7000C [ Kronơt, 1964] Sự phân hủy và tách nước hóa học khoáng talc khoảng 4,8% khối lượng Tuy nhiên tùy thuộc vào thành phần tạp chất mà nhiệt độ phân hủy và tách nước có thể diễn ra từ 7500C – 8000C Các nghiên cứu trước 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 hơn metasilicat magie hoạt tính phản ứng để tạo ra các khoáng bền hơn 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… Bảng 1.2 Tiêu chuẩn chất lượng khoáng talc theo ISO (ISO 3262) [33] Loại Hàm lượng Talc trung bình% Mất khi nung ở Khả năng hòa tan trong HCl, 1000°C,% tối đa% A 95 4 – 6,5 5 4 – 9 10 B 90 4 – 18 30 4 – 27 30 C 70 D 50 1.1.5 Ứng dụng của talc Với các tính chất của talc như: cấu trúc dạng phiến, mềm, kỵ nước, ưa dầu và có thành phần khoáng nên Talc được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như gốm, sơn, mĩ phẩm, polime …[14, 33] 6 Trong nông nghiệp và thực phẩm: Talc là một tác nhân chống đóng bánh có hiệu quả, là tác nhân phân tán và cố định chất nhờn và do đó giúp thức ăn cho động vật và các loại phân bón cho cây trồng có hiệu quả hơn Trong các hỗn hợp và chất hóa học dùng trong nông nghiệp, talc là một chất mang trơ lý tưởng Talc cũng được 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 nghiệp gốm: 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 kĩ thuật Trong các loại gốm xây dựng truyền thống (như gạch và đồ vệ sinh), về cơ bản nó được sử dụng như một chất pha loãng, làm cho nhiệt độ và chu trình nung thích hợp được giảm xuống Trong gốm nghệ thuật talc được thêm vào để làm tăng độ trắng và tăng khả năng chịu nhiệt khi nung, tránh nứt vỡ.Trong stoneware, một lượng nhỏ talc được thêm vào để làm tăng độ bền và làm chảy thủy tinh Là nguyên liệu sản xuất MgO bởi quá trình điện phân nóng chảy Chế tạo gốm xốp đã được nhiều tác giả trên thế giới quan tâm nghiên cứu Tác giả Kiyoshi Okada [17] đã điều chế một loại gốm xốp bằng cách nung hỗn hợp bột talc và các hạt thuỷ tinh với 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 hưởng của bột talc đến khả năng thiêu kết của ngói lợp trên cơ sở tro bay Hàm luợng talc đưa vào lần lượt từ 0 đến 100% theo khối lượng khi có mặt của 10% natri hexametaphotphat Khi có mặt bột talc làm giảm nồng độ của silimatit Al2[OSiO4] và tăng hàm lượng của tinh thể natri magiephotphat dẫn đến cải thiện độ bền nén của ngói lợp Khi tăng hàm lượng bột talc, độ hấp thụ nước ban đầu giảm xuống và đạt giá trị nhỏ nhất khi có 60% bột talc Ở trên nồng độ này, quá trình hấp phụ nước bắt đầu tăng trở lại Tỷ trọng của ngói lợp tăng lên khi tăng hàm lượng bột talc trong hỗn hợp 7 ... việc nghiên cứu tổng hợp gốm diopside góp phần vào phát triển ngành công nghệ vật liệu gốm Hiện có nhiều phương pháp tổng hợp gốm diopside: Phương pháp truyền thống, phương pháp đồng kết tủa, phương. .. 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 phương pháp tổng hợp gốm [10] 1.2.2.1 Phương pháp sol-gel Phương pháp. .. phương pháp gặp khó khăn phải đảm bảo tỉ lệ hợp thức chất hỗn hợp kết tủa với sản phẩm gốm mong muốn 1.2.2.3 Phương pháp phân tán rắn - lỏng Nguyên tắc phương pháp phân tán pha rắn ban đầu vào
![1.6.3. Hình ảnh quét bằng kính hiển vi điện tử SEM [33] - Nghiên cứu điều chế và tính chất điện hóa của lớp phủ composite Niken – Coban bằng phương pháp điện hóa](https://media.store123doc.com/figures/001/214/hinh-anh-quet-kinh-hien-dien-tu-sem-1214208.png)
