MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU..........................................................................................................1Chương 1- TỔNG QUAN...............................................................................2

1.1. Giới thiệu về talc...................................................................................21.1.1. Nguồn gốc hình thành talc .............................................................21.1.2. Thành phần hóa học và thành phần khoáng talc.............................21.1.3. Cấu trúc của talc..............................................................................31.1.4. Tính chất của talc ...........................................................................51.1.5. Ứng dụng của talc...........................................................................6

1.2. Giới thiệu chung về vật liệu gốm.......................................................101.2.1. Vật liệu gốm .................................................................................101.2.2. Các phương pháp tổng hợp gốm...................................................11

1.2.2.1. Phương pháp sol-gel..............................................................111.2.2.2. Phương pháp đồng kết tủa.....................................................121.2.2.3. Phương pháp phân tán rắn - lỏng..........................................121.2.2.4. Phương pháp điều chế gốm truyền thống..............................12

1.3. Giới thiệu chung về hệ bậc ba CaO-MgO-SiO2...............................131.3.1. Khái quát về các oxit trong hệ CaO.MgO.SiO2............................13

1.3.1.1. Canxi oxit (CaO....................................................................131.3.1.2. Magie oxit (MgO)...................................................................141.3.1.3. Silic oxit (SiO2)......................................................................14

1.3.2. Khái quát về gốm hệ CaO. MgO.SiO2..........................................161.4. Giới thiệu về gốm diopside................................................................18

1.4.1.Cấu trúc của Diopside....................................................................181.4.2.Tính chất của gốm Diopside...........................................................191.4.3. Ứng dụng của gốm Diopside.........................................................19

1.5. Giới thiệu phản ứng giữa pha rắn....................................................191.5.1. Cơ chế phản ứng giữa các pha rắn................................................191.5.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng giữa các pha rắn..................201.5.3. Phản ứng phân hủy nhiệt nội phân tử............................................22

1.6. Các phương pháp thực nghiệm.........................................................231.6.1. Phương pháp phân tích nhiệt ........................................................231.6.2.Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X ..........................................251.6.3. Hình ảnh quét bằng kính hiển vi điện tử SEM..............................261.6.4. Phương pháp xác định các tính chất vật lí.....................................27

1.6.4.1. Xác định độ co ngót khi nung.................................................271.6.4.2. Xác định độ hút nước.............................................................281.6.4.3. Xác định khối lượng riêng bằng phương pháp Acsimet.........281.6.4.4. Xác định cường độ nén...........................................................28

1

1.6.4.5. Hệ số giản nở nhiệt................................................................291.6.4.6. Độ bền sốc nhiệt.....................................................................301.6.4.7. Độ chịu lửa.............................................................................301.6.4.8. Tính chất điện.........................................................................31

Chương 2. THỰC NGHIỆM........................................................................332.1. Dụng cụ, thiết bị, hóa chất................................................................33

2.1.1. Hóa chất........................................................................................332.1.2. Dụng cụ.........................................................................................33

2.2. Thực nghiệm.......................................................................................332.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền đến kích thước hạt của bột talc.....................................................................................................332.2.2. Phân tích thành phần của khoáng talc...........................................342.2.3. Khảo sát sự phân hủy nhiệt của talc..............................................342.2.4. Phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp (talc , thạch anh, canxi cacbonat)...342.2.5. Khảo sát ảnh hưởng của bột talc đến sự hình thành diopside.......342.2.6. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình hình thành diopside...................................................................................................352.2.7. Khảo sát ảnh hưởng của chất khoáng hóa đến sự hình thành pha tinh thể gốm.............................................................................................362.2.8. 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..........................................................................................362.2.8.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến tỉ khối và độ xốp của vật liệu...................................................................................372.2.8.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến độ co ngót của vật liệu..........................................................................................372.2.8.4. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến cường độ kháng nén của vật liệu.........................................................................372.2.8.5.Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến độ bền xốc nhiệt của vật liệu.................................................................................372.2.8.6. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến tính chất điện của vật liệu..................................................................................37

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................383.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền đến kích thước của bột talc.................................................................................................383.2. Kết quả phân tích thành phần bột talc.............................................383.3. Kết quả phân tích nhiệt bột talc........................................................403.4. Kết quả phân tích nhiệt của mẫu hỗn hợp (talc, SiO2, canxi cacbonat)....................................................................................................41

2

3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến sự hình thành diopside...433.6.Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hình thành diopside..................453.7. Ảnh hưởng của chất khoáng hóa đến sự hình thành pha của vật liệu...............................................................................................................493.8. Kết quả ảnh SEM...............................................................................533.9. Ảnh hưởng của bột talc đến các tính chất của vật liệu..................55

3.9.1. Độ co ngót.....................................................................................553.9.2. Độ hút nước...................................................................................573.9.3. Độ xốp, tỉ khối...............................................................................583.9.4. Cường độ kháng nén.....................................................................593.9.5. Hệ số giãn nở nhiệt........................................................................603.9.6. Độ bền xốc nhiệt...........................................................................603.9.7. Độ chịu lửa....................................................................................613.9.8.Độ dẫn điện....................................................................................61

KẾT LUẬN....................................................................................................65TÀI 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 ( ) 5,28 5,290

b ( ) 9,15 9,173

c ( ) 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

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 1000 °C, %

Khả năng hòa tan trong HCl, tối đa %

A 95 4 – 6,5 5B 90 4 – 9 10C 70 4 – 18 30D 50 4 – 27 30

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

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

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

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

1 giờ.

Nhóm tác giả Phan Văn Tường và cộng sự [11] đã tổng hợp được gốm

compozit mulite-cordierite từ cao lanh A lưới và talc Phú Thọ với hệ số dãn nở

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

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

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

trường Đại học Khoa học, Đại học Huế nghiên cứu tổng hợp vật liệu này từ cao

lanh Lâm Đồng và Talc Phú Thọ. Kết quả cho thấy mẫu sau khi nung ở 12500C có

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

(=4,1.10-6/0C) [12].

Trong công nghiệp giấy: Talc được sử dụng trong cả hai loại giấy in có lớp

phủ và không có lớp 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 nghiệp cao su: Bột talc được dùng làm chất phụ gia cho quá trình

chế biến và làm chất độn gia cường. Talc làm giảm độ nhớt của các hợp chất cao su,

do đó làm cho các bộ phận đúc và ép dễ dàng hơn. 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 lượng của

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

xuất rẻ hơn 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 với dùng nguyên cao su.

8

Các xe ô tô hiện nay chứa tới 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 nước trong lốp xe giúp các nhà sản xuất lốp xe

tạo ra những lốp nhẹ và mỏng hơn với sức cản lăn thấp, và tiêu thụ nhiên liệu ít

hơn. Bột talc cũng tiết kiệm năng lượng do việc giảm độ nhớt của hợp chất cao su

làm cho các bộ phận đúc và ép dễ dàng hơn.

Trong công nghiệp nhựa, sơn: Talc là một phụ gia hiệu quả cao với khả năng

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

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

được thêm và. Cùng với 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 cường 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 được trộn với

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

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

cao hơn. 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 hơn 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

hợp chất PP với hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn 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 được 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 dược, mỹ phẩm:

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

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

9

trượt, 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 được 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 người và khi loại bỏ đi sẽ tạo ra

làn da khô và mượt với tính kị nước, talc bảo vệ làn da trẻ em khỏi bị ướt. Ngoài ra

người 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 được 16 tụ quặng có trữ luợng khoảng 246 ngàn tấn, thuộc các

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

lượng khá lớn như: Mỹ Thuận, Thu Ngạc, và Minh Tân trữ lượng khoảng trên 60

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

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

1.2. GIỚI 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 hợp chất giữa kim loại

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

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

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

trường hợp 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 được 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 được dùng làm các thiết bị đòi hỏi có độ bền nhiệt, chịu được

các xung nhiệt lớn (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 dưới 10 -1.cm-1 đến 10-12 -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

10

vai trò là phần tử dẫn điện. Do đó ta có thể tổng hợp nhiều loại vật liệu gốm kĩ 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 hợp được gốm nghịch

từ, gốm thuận từ, gốm sắt từ, gốm phản sắt từ với độ từ cảm thay đổi từ 0 đến 10

phụ thuộc rất đa dạng vào nhiệt độ cũng như từ trường ngoài.

Về đặc tính quang, ta có thể tổng hợp được các loại vật liệu có các tính chất

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

điện phát quang), vật liệu phát quang dưới 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 với 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 phương pháp tổng hợp gốm [10]

1.2.2.1. Phương pháp sol-gel

Phương pháp sol-gel ra đời từ những năm 1950-1960 và được phát triển khá

nhanh chóng do có nhiều ưu điểm như:g

- Có thể tổng hợp được gốm dưới dạng bột với cấp hạt cỡ micromet, nanomet.

- Có thể tổng hợp gốm dưới dạng màng mỏng, dưới dạng sợi đường kính <1mm.

- Nhiệt độ tổng hợp không cần cao.

Vì vậy phương pháp này đã được nhiều tác giả sử dụng để tổng hợp vật liệu

gốm và các hợp chất silicat.

Nguyên tắc của phương pháp này là tạo ra các dung dịch theo đúng tỉ lệ hợp

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

thành gel rồi sấy khô để thu được sản phẩm .

Phương pháp này cũng mắc phải một số khó khăn đó là chịu ảnh hưởng của

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

thủy phân các hợp chất của Si, Ca và Al rất nhạy cảm với những thay đổi (xúc tác

11

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

phân tán, chất chống keo tụ...).

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

hợp chất cơ kim (thường là các alkoxide) rất đắt tiền, nên hạn chế phần nào ứng

dụng của nó trong thực tế.

1.2.2.2. Phương pháp đồng kết tủa

Các chất ở dạng dung dịch rồi tiến hành kết tủa đồng thời, sản phẩm thu được

tiến hành lọc, rửa rồi sấy, nung. Phương 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 với phương pháp này gặp khó khăn là phải đảm bảo tỉ lệ hợp thức của

các chất trong hỗn hợp kết tủa đúng với sản phẩm gốm mong muốn.

1.2.2.3. Phương pháp phân tán rắn - lỏng

Nguyên tắc của phương 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 hơn, 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 hơn nhiều so với phương pháp gốm truyền

thống. Vì vậy, phương pháp này được sử dụng khá nhiều trong kỹ thuật tổng hợp

vật liệu. Tuy nhiên nhược điểm lớn của phương pháp này rất khó khăn trong việc

đảm bảo tỷ lệ hợp thức của sản phẩm.

1.2.2.4. Phương pháp điều chế gốm truyền thống

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

Hình 1.2. Phương pháp gốm truyền thống để sản xuất vật liệu gốm

Trong sơ đồ:

Chuẩn bịPhối liệu

NghiềnTrộn

Ép viên Nung Sản phẩm

12

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 hợp thức của sản

phẩm muốn điều chế.

Giai đoạn nghiền, trộn: nghiền mịn nguyên liệu để tăng diện tích tiếp xúc giữa

các chất phản ứng và khuyếch tán đồng đều các chất trong hỗn hợp. Khi nghiền ta

có thể cho một lượng 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 rượu etylic,

axeton… ).

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

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 tới vài tấn/cm2. Dùng thiết bị nén

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

các mao quản. Để thu được mẫu phối liệu có độ xốp thấp cần phải sử dụng phương

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

và áp suất đòi hỏi phải có thời gian để thu được mẫu phối liệu có độ chắc đặc cao.

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

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

nghĩa là sản phẩm vẫn còn có mặt chất ban đầu chưa phản ứng hết nên thường 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 phương pháp tổng hợp đã trình bày ở trên còn có một số phương

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

Phương pháp gốm truyền thống thuận lợi trong khâu trộn phối liệu. Vì vậy

chúng tôi lựa chọn phương pháp gốm truyền thống để tổng hợp gốm diopside từ

talc, thạch anh và canxi cacbonat.

1.3. GIỚI 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.

13

Tỷ trọng : 3,35 g/cm3

Điểm nóng chảy : 25720C

Điểm sôi : 28500C

Độ tan trong nước : có phản ứng với nước.

Canxi oxit là chất rắn màu trắng, dạng tinh thể lập phương 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 được điều chế từ canxi cacbonat (CaCO3) bằng cách phân

hủy nhiệt ở khoảng 9000C.

CaCO3 CaO + CO2

1.3.1.2. Magie oxit (MgO) [33]

Phân tử gam : 40,30 g/mol

Tỷ 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 nước. Nguồn MgO là khoáng talc, đôlômit, cacbonat

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

cao. Tuy nhiên MgO dễ dàng tạo pha ơtecti với 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 (SiO2) [4, 33]

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

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

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

trình bày trên hình 1.3.

14

tridimit

1170C

thạch anh β tridimit β cristobalit

5730C 1630C 2530

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

10500C

Hình 1.3. Sơ đồ biến đổi dạng tinh thể của SiO2

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 với nhau

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

kết cộng hóa trị với 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 lượng hoạt hóa cao, cho nên thạch anh, cristobalit, tridimit đều

tồn tại trong tự nhiên.

Ở nhiệt độ thường 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 được vì sự biến hóa một phần sang những dạng đa hình khác với tỉ

lệ khác nhau tùy theo điều kiện bên ngoài.

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

trong kiềm hay cacbonat kim loại kiềm nóng chảy.

SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O

SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2

15

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 được 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 với 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 trường axit và bazơ do đó có nhiều ứng dụng trong y học, gốm phủ…Tuy

nhiên hệ này đòi hỏi nhiệt độ tổng hợp tương đối cao (hình 1.4). Để giảm được

nhiệt độ tổng hợp trước hết thành phần nguyên liệu cần phải được tối ưu hóa sao

cho gần với điểm ơtecti của hệ.

Hình 1.4. Hệ bậc ba CaO – MgO – SiO2

Nhìn vào giản đồ pha ta thấy:

16

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 (-

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

2CaO.SiO2), (6) vôi (CaO), (7) periclase (MgO), (8) forsterit (2MgO.SiO2).

Các hợp chất hai cấu tử không có miền trong hệ bậc ba là: (1) Tricalcium

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

Hợp 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 hợp phần cố định

nhưng về đặc tính là ba cấu tử.Đó là:

+ Dung dịch rắn wollastonite (CaO.SiO2), bao gồm cả hai dãy dung dịch

rắn hay một khu vực dung dịch rắn. Một dãy có thể chứa tới 18 phần trăm mol

diopside (CaO.MgO.2SiO2) và dãy khác lên tới 44 phần trăm mol hợp chất

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

này tới dãy khác tạo thành một khu vực hình tam giác với đỉnh là hợp phần

CaO.SiO2. Sự chuyển pha wollastonite-pseudowollastonite, CaO.SiO2

CaO.SiO2 thường xảy ra ở 1200°C. Nhưng nhiệt độ chuyển pha này được nâng lên

bằng cách thêm vào chất hòa tan và đạt cực đại 13430C với dãy diopside và 13650C

với dãy 2CaO.MgO.2SiO2.

+ Dung dịch rắn pyroxen tạo thành một chuỗi liên tục với 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 tới 11% forsterit

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

Trong hệ CaO. MgO.SiO2 điểm dễ nóng chảy nhất ứng với thành phần % vế

số mol như sau: 0,8 MgO; 61,4 SiO2; 30,6 CaO ở nhiệt độ 13200C. Trong hệ có bốn

hợp chất 3 cấu tử:

Diopside: CaO.MgO.2SiO2

Monticellite: CaO.MgO.SiO2

17

Merwinit: 3CaO.MgO.2SiO2

Akermanite: 2CaO.MgO.SiO2

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

(CaO.MgO.2SiO2).

1.4. GIỚI 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 lượng. Tinh thể đơn tà.

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

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

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

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

[SiO3]2- hoặc [Si2O6]4-.

Hình 1.5. Cấu trúc của diopside, CaMgSi2O6 : (a) tế bào đơn vị chiếu xuống trục

b; (b) tế bào đơn vị chiếu xuống trục c.

18

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

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

Cấu trúc mạng lưới 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 đồng

hình các ion M2+, M3+, M4+ vào mạng lưới cấu trúc của nó tạo nên các dung dịch rắn

thay thế hay xâm nhập. Theo nguyên tắc thay thế đồng hình Goldsmit, với 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 đơn vị.

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

trúc mạng lưới, tạo ra lỗ trống làm cho vật liệu có những tính chất đặc biệt và được

ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

1.4.2. Tính chất của gốm Diopside [33]

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

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

Gốm diopside có đặc tính bền nhiệt, bền cơ, bền với môi trường oxy hóa - khử, bền

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

1.4.3. Ứng dụng của gốm Diopside

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

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

dẫn, chịu nhiệt….Đặc biệt là trong lĩnh vực vật liệu sinh học, gốm diopside được sử

dụng làm xương nhân tạo… [18]

Diopside (CaO.MgO.2SiO2) đôi khi được sử dụng trong lĩnh 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. GIỚI THIỆU PHẢN ỨNG GIỮA PHA RẮN

1.5.1. Cơ chế phản ứng giữa các pha rắn [10]

19

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 với 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 nằm

định 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 lưới tinh thể. Cấu trúc tinh thể và khuyết tật mạng lưới có ảnh

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

đoạn:

+ Giai đoạn tạo mầm

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

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

phân bố lại các ion ở chỗ tiếp xúc.

+ Giai đoạn phát triển mầm tinh thể sản phẩm

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

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

hay gọi cơ chế C.Wagner.

1.5.2. 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,

20

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

21

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 [13] 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…).

1.5.3. 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.

22

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 15570C. 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 diopside từ

khoáng talc.

1.6. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

1.6.1. Phương pháp phân tích nhiệt [7]

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

các phản ứng hóa học như phân li, mất nước... 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 thường kèm theo hiệu ứng nhiệt (tỏa nhiệt hoặc thu nhiệt). Trong một số

trường hợp lại kèm theo sự thay đổi khối lượng (mất khối lượng) của chất nghiên

cứu. 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?

23

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 T (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.

Sự thay đổi khối lượng của mẫu rắn trong thời 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 trường hợp

này đường TG ghi lại sự mất khối lượng của mẫu.

Lập chương Lò nung Ghi thông Xử lý thông

trình tin tin

T DTA

Hình 1.6. Sơ đồ khối của thiết bị phân tích nhiệt

Chất so sánh Mẫu nghiên cứu

T1 T2 2

B CA D

24

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

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

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

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 .

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.

N1

M1

M2 P N2

S T dhkl

Hình 1.7. 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

25

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.

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

BRUKER-LB Đức, góc quay 2 tử 5-700, bức xạ Cu-K tại khoa hóa trường

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, thường

viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với 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 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 1.8. 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

26

100000 lần với hình ảnh rõ nét, hiển thị ba chiều phù hợp cho việc phân tích hình

dạng và cấu trúc bề mặt.

Các bước ghi được ảnh SEM như sau: một chùm electron được quét trên bề

mặt mẫu, các electron này đập vào mẫu và tạo ra một tập hợp các hạt thứ cấp đi tới

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

được khuếch đại đi tới ống tia catot và được 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 cường độ sáng

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

thứ cấp để tạo ảnh ta có được 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. Với ảnh phóng đại bằng phương 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 – Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên- ĐHQGHN.

1.6.4. Phương pháp xác định các tính chất vật lí

1.6.4.1. 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

1.6.4.2. 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.

27

Độ hút nước theo khối lượng là tỉ số phần trăm giữa khối lượng nước mà vật

liệu hút được với khối lượng của vật liệu ở trạng thái khô.

Các bước tiến hành như sau:

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

- Để nguội, cân mẫu khô (m0).

- Ngâm mẫu đã cân đến bão hòa nước.

- Vớt mẫu ra, lau nước đọng trên mặt mẫu bằng vải ẩm rồi cân mẫu bão hòa nước

(m). Thời gian từ khi vớt mẫu ra đến khi cân không vượt quá 3 phút. Độ hút nước

của mẫu được xác định theo công thức:

Độ hút nước

1.6.4.3. 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 tỉ khối được tính theo công

thức:

D = m/ Vo

1.6.4.4. 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.

28

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.

Hình 1.9. 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)

Chúng tôi tiến hành xác định cường độ kháng nén tại Cục đo lường chất

lượng Việt Nam.

1.6.4.5. 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 (0C-1)

Lực nén

Mẫu đo

29

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.

1.6.4.6. 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

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 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 màu 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.

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 chịu lửa [4]

Theo định nghĩa của Iso 836-2001 thì độ chịu lửa là tính chất đặc trưng cho

vật liệu chịu lửa bền vững ở nhiệt độ cao trong môi trường và điều kiện sử dụng của

nó.

Để xác định độ chịu lửa của vật liệu, theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6530-

4:1999 tương ứng với ISO 528-1983, người ta tạo mẫu thành côn để đo. Côn này là

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

cho nghiêng với đáy một góc 80±10+.

Khi nâng nhiệt độ có pha lỏng xuất hiện, lượng pha lỏng tăng lên, độ nhớt

của chúng hạ thấp, đầu côn cong dần đân chậm vào mặt ngang của đế. Tại thời điểm

30

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 4-60C/phút bắt đầu từ nhiệt độ kết

khối sản phẩm.

1.6.4.8. Tính chất điện [6]

+ Độ thẩm thấu điện môi ( )

Độ thẩm thấu điện môi là tỷ số điện dung của tụ điện trong trường hợp giữa

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

= C/C0

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

C - Điện dung của tụ điện với 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 giới hạn nhất định của nhiệt độ.

là hằng số điện môi tương đối (là một hàm của ). Dòng điện chạy qua gây

mất mát năng lượng nên phải viết dưới dạng số phức :

() = ’() - j ’’()

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

cho độ tổn hao.

+ Độ dẫn điện

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

Trong đa số trường hợp độ dẫn điện của gốm mang đặc tính ion.

+ Tổn thất điện môi

Khi có tác động của điện trường, chất điện môi gốm hấp thụ một phần năng

lượng của nó và năng lượng được hấp thụ này được gọi là tổn thất điện môi.

31

Đại lượng tổn thất điện môi được đánh giá bằng góc tổn thất điện môi hoặc

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

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

I U=I.r

Hình 1.10. Sơ đồ minh họa góc tổn thất điện môi

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

góc tổn thất điện môi càng lớn. Công suất mất mát Q được xác định theo công thức:

Q= U.I.cos

Trong đó: U - Điện thế ở hai cực của tụ điện dùng chất điện môi gốm;

I - Cường độ dòng xoay chiều;

- Góc lệch pha giữa dòng và thế.

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

Q= U.I.sin

Đối với nhỏ, sin thựclà tế bằng tg. Tang của góc tổn thất điện môi là một

đại lượng đặc trưng cho chất lượng của chất điện môi gốm.

Tổn thất điện môi trong gốm bằng tổng các tổn thất năng lượng dùng cho các

quá 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).

Chương 2. THỰC NGHIỆM

2.1. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT

2.1.1. Hóa chất

- Bột talc được lấy từ Thanh Sơn - Phú Thọ

- Silic đioxit SiO2

- Canxi cacbonat CaCO3

32

- Axit Boric H3BO3

- Canxi Florua CaF2

- Natri cacbonat Na2CO3

- Chất kết dính PVA

Các hóa chất được 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 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.

- 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.

2.2. THỰC NGHIỆM

2.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền đến kích thước hạt của bột talc

Kích thước hạt của khoáng sét có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ gốm

sứ vì nó ảnh hưởng đến nhiều tính chất kĩ thuật của nguyên liệu sét như tính ngậm

nước, 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

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

tăng.

Quá trình nghiền có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc, kích thước hạt của nguyên

liệu. Khi tăng thời gian nghiền kích thước hạt trung bình của nguyên liệu giảm và

diện tích bề mặt của nguyên liệu tăng. Chính vì vậy trong nghiên cứu này chúng tôi

tiến hành khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền đến kích thước hạt của bột talc.

33

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

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

độ 200 vòng/ phút, thời gian nghiền tương ứng là 10, 15, 20, 30, 40, 50 phút.

- Cấp hạt của bột talc sau khi nghiền mịn được xác định bằng lượng 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 từ 5 -700, bức xạ Cu-K tại khoa Hóa

học trường 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 phương

pháp phân tích nhiệt (DTA,TG) với tốc độ nâng nhiệt: 100/phút, môi trường: không

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

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

Mẫu hỗn hợp bột talc, thạch anh, canxi cacbonat với thành phần (46,29% talc,

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

nhiệt DTA/TG với tốc độ nâng nhiệt: 100/phút, môi trường: không khí, nhiệt độ cực

đại 12000C, tại Viện Vật liệu Xây dựng.

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

Chuẩn bị các mẫu với hàm lượng bột talc thay đổi như trong bảng 2.1.

Bảng 2.1: Thành phần các khoáng trong các mẫu

Mẫu % Bột talc % Thạch anh % CaCO3

M0 46,29 16,67 37,04

M1 56,82 20,45 22,73

M2 59,52 21,43 19,05

M3 61,48 22,13 16,39

34

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 9,66

M9 66,96 24,11 8,93

M10 71,43 25,71 2,86

Các mẫu phối liệu với thành phần như trên được trộn đều trong máy nghiền

hành tinh trong 30 phút với 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 100/phút, lưu trong 1 giờ, làm nguội tự nhiên. 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.

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

diopside

Nhiệt độ nung hợp lý (tmax) là yếu tố rất cơ bản, có ảnh hưởng quyết định đến

chất lượng sản phẩm nung, sản phẩm thu được có thành phần pha mong muốn, có

độ chắc đặc cao. Chính vì vậy chúng tôi tiến hành khảo sát nhiệt độ nung để chọn

điều kiện phù hợp tổng hợp vật liệu gốm diopside.

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

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

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

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

cách cân hàm lượng các nguyên liệu theo thành phần đã tính toán. Phối liệu được

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

được tạo độ kết dính bằng PVA, rồi ép viên, sấy khô, nung thiêu kết ở các nhiệt độ

khác nhau 10500C, 11000C, 11500C, 12000C với thời gian lưu là 1 giờ. Các mẫu

được kí hiệu lần lượt là T - 1050, T - 1100, T - 1150, T - 1200. Các mẫu sau khi

35

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

chất cơ lý như: độ co ngót, khối lượng riêng, độ xốp, độ hút nước….

2.2.7. 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 M9 với các chất khoáng hóa: Na2O,

B2O3, CaF2.

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

của mẫu M9 (bảng 2.1), sau đó lần lượt tiến hành khoáng hóa với hàm lượng:

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

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

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

Các mẫu sau khi ép viên, sấy khô được 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 hưởng của hàm lượng bột talc đến các tính chất của vật

liệu

2.2.8.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến độ hút nước của vật liệu

Các mẫu ứng với hàm lượng bột talc khác nhau M0 M1, M2, M3, M4, M5, M6,

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

độ hút nước theo mục 1.6.4.2.

2.2.8.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến tỉ khối và độ xốp của vật

liệu

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

khối và độ xốp bằng phương pháp Ascimet theo mục 1.6.4.3.

2.2.8.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến độ co ngót của vật liệu

36

Tiến hành xác định độ co ngót của các mẫu với hàm lượng 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. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến cường độ kháng nén

của vật liệu

Các mẫu M4, M7,M9, M10 đã nung ở 12000C trong 1h được tiến hành đo cường

độ kháng nén theo mục 1.6.4.4 tại cục đo lường chất lượng Việt Nam.

2.2.8.5.Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến độ bền xốc nhiệt của vật

liệu

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

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

2.2.8.6. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến tính chất điện của vật

liệu

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

được tạo mẫu hình trụ với kích thước bán kính đáy 5mm và chiều cao 1mm, kí hiệu

lần lượt là D1, D2, D3, D4. Các mẫu sau khi được nung thiêu kết ở 12000C lưu trong

1h được 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.

Chương 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian nghiền đến kích thước của bột

talc

Bảng 3.1 . Kết quả khảo sát thời gian nghiền

Thời gian (phút) 10 15 20 30 40 50

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

37

Từ bảng 3.1 cho thấy khi tăng thời gian nghiền từ 10 đến 30 phút lượng hạt

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

50 lượng 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 giới hạn sự giảm kích thước hạt. Kết quả

này phù hợp với 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

lượng nghiền mà vẫn đảm bảo được cấp hạt theo yêu cầu chúng tôi chọn thời gian

nghiền là 30 phút với 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

lượng các chất được tính theo phần trăm về khối lượng).

Bảng 3.2. 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 3.2 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 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, Na2O…

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

38

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

để trung hòa điện, đảm bảo tính bền cấu trúc tinh thể của talc.Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau Talc

00-013-0558 (I) - Talc-2M - Mg3Si4O10(OH)2 - Y: 3.42 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 5.28700 - b 9.15800 - c 18.95000 - alpha 90.000 - beta 99.500 - gamma 90.000 - Base-centered - C2/c (15)File: Hanh K19 mau Talc.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 9 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.

Lin

(Cps

)

0

1000

2000

3000

4000

2-Theta - Scale

20 30 40 50 60 70

d=3.

533

d=3.

446

d=3.

109

d=2.

828

d=2.

487

d=2.

333

d=1.

867

d=1.

557

d=1.

386

Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu bột talc

Với kết quả phân tích trên chúng tôi đi đến kết luận: talc Thanh Sơn - Phú Thọ

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

(3MgO.4SiO2.H2O) gần như tinh khiết với pic đặc trưng ở góc 2 = 28,8; d= 3,109;

cường độ pic I = 3700, nhóm không gian C2/c, hệ một nghiêng. Đây là loại talc tốt

thích hợp cho công nghệ gốm sứ.

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

khoáng talc là nguyên liệu tự nhiên lý tưởng để tổng hợp gốm diopside. Vì vậy

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

3.3. Kết quả phân tích nhiệt bột talc

Kết 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

lượng 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 nước cấu trúc của talc.

39

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

khoảng 4,32% khối lượng. Sự mất khối lượng này đi kèm với hiệu ứng thu nhiệt ở

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

phóng nước cấu trúc đi kèm với 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 với cấu trúc talc. Khi talc bị mất

nước hai nhóm hydroxyl tạo thành một phân tử nước, 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 lớp của talc thành cấu trúc chuỗi protoenstatite.

Hình 3.2.Giản đồ phân tích nhiệt DTA-TG mẫu talc Phú Thọ

Kết quả trên phù hợp với nghiên cứu của Ewell, Avgustinik, Kronert [30] và

nhiều nghiên cứu khác.

40

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 lượng,

kết quả này phù hợp với kết quả phân tích thành phần bột talc ở mục 3.2. Từ

11000C trở lên gần như không thấy sự mất khối lượng 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 hợp (talc, SiO2, canxi cacbonat)

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

Hình 3.3. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu hỗn hợp

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

khối lượng. Chúng tôi cho rằng ở khoảng nhiệt độ này có sự mất nước hấp phụ của

talc.

41

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

hiện hiệu ứng thu nhiệt rõ rệt với cực đại ở 874,90C. Hiệu ứng này ứng với quá trình

phân hủy canxi cacbonat, và bắt đầu xảy ra sự mất nước cấu trúc của khoáng talc.

CaCO3 CaO + CO2

Trong khoảng từ 900 đến 10700C thấy có sự mất 1,63% khối lượng và ở 9970C

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

nước cấu trúc của talc và xảy ra sự phân hủy của talc.

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

Trên 10500C đường giảm khối lượng gần như không đổi có nghĩa là ở trên

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

10500C các chất tồn tại dưới dạng oxit và xảy ra phản ứng hình thành pha mới hoặc

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

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

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

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

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

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

trong khoảng nhiệt từ 10500C đến 12000C.

3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng 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 (với pic đặc trưng 2= 31,2; d= 2,871; I= 350) và monticellite (với pic

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

monticellite và forsterite nhưng akermanite là pha chính (với pic đặc trưng 2=

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

42

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

xuất hiện pha monticellite.

Các pha được hình thành với cường độ pic đặc trưng của các mẫu được trình

bày trong bảng 3.3.

Bảng 3.3. Các pic đặc trưng của các pha tinh thể

Mẫu

Pha tinh thể

Diopside Akermanite Forsterite

2 (0) d I 2 (0) d I 2 (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

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 29,9

35,5

56,5

2,995

2,520

1,625

240

150

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

35,5

56,5

2,994

2,519

1,626

320

175

60

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 2,991 400 31,2 2,866 220 32,5 2,766 50

43

35,5

56,5 2,519

1,626

230

80

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.

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

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

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

với nhau để tạo ra monticellite (CaO.MgO.SiO2).

Giữa 2CaO.SiO2 có phản ứng với 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

44

Hình 3.4.Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha diopside vào hàm lượng

bột talc

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

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

tăng đến 71,73% thì cường độ pha diopside lại giảm. Cường độ pha diopside cao

nhất ứng với hàm lượng 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 hưởng của nhiệt độ nung đến hình thành diopside

Các mẫu nung ở nhiệt độ 10500C đến 12000C có màu biến đổi từ vàng nhạt

đến nâu hung đó là do trong thành phần của khoáng talc có lẫn lượng nhỏ oxit kim

loại nguyên tố d như FeO, Fe2O3. Mẫu nung ở 12000 C có độ kết khối tốt nhất.

Kết quả phân tích XRD các mẫu nung ở nhiệt độ khác nhau T- 1050, T-

1100, T - 1150, T- 1200 lần lượt được trình bày trên hình 3.5, 3.6, 3.7 và 3.8.

45

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau M103

01-075-1092 (C) - Diopside - CaMgSi2O6 - Y: 33.99 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 9.74100 - b 8.91900 - c 5.25700 - alpha 90.000 - beta 105.970 - gamma 90.000 - Base-centered - C2/c (15) - 01-087-0046 (C) - Akermanite, syn - Ca2Mg(Si2O7) - Y: 50.64 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 7.83380 - b 7.83380 - c 5.00820 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P-421m (File: Hanh K19 mau M103.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 10 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi:

Lin

(Cps

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

2-Theta - Scale

20 30 40 50 60 70

d=4.

217

d=4.

046

d=3.

892 d=3.

716

d=3.

639

d=3.

499

d=3.

347 d=

3.23

4d=

3.17

7d=

3.08

6

d=2.

993

d=2.

947

d=2.

870

d=2.

769

d=2.

662 d=

2.56

8d=

2.52

0d=

2.47

4d=

2.42

5d=

2.38

5d=

2.34

7 d=2.

308

d=2.

272

d=2.

207

d=2.

155

d=2.

134

d=2.

110

d=2.

037

d=2.

017

d=1.

957

d=1.

899

d=1.

857

d=1.

845

d=1.

815

d=1.

793 d=

1.77

6 d=1.

758

d=1.

729

d=1.

669

d=1.

625

d=1.

597

d=1.

550

d=1.

529

d=1.

505

d=1.

481

d=1.

468

d=1.

457

d=1.

423

d=1.

409

d=1.

396

d=1.

385

d=1.

374

d=1.

349

Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1050

46

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau M10

00-004-0769 (D) - Forsterite, syn - Mg2SiO4 - Y: 7.26 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 4.76000 - b 10.20000 - c 5.99000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pbnm (62) - 401-087-0046 (C) - Akermanite, syn - Ca2Mg(Si2O7) - Y: 20.34 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 7.83380 - b 7.83380 - c 5.00820 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P-421m (00-011-0654 (D) - Diopside - CaMg(SiO3)2 - Y: 48.00 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 9.76100 - b 8.92600 - c 5.25800 - alpha 90.000 - beta 105.800 - gamma 90.000 - Base-centered - C2/c (15) -File: Hanh K19 mau M10.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 17 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0

Lin

(Cps

)

0

100

200

300

400

500

2-Theta - Scale

20 30 40 50 60 70

d=4.

224

d=4.

068 d=

3.89

2

d=3.

715

d=3.

494 d=

3.34

5

d=3.

231

d=3.

081

d=2.

992

d=2.

948

d=2.

892

d=2.

770 d=

2.56

8d=

2.52

1

d=2.

461

d=2.

427

d=2.

350

d=2.

303

d=2.

201

d=2.

156

d=2.

133

d=2.

107

d=2.

042

d=2.

014

d=1.

971

d=1.

834

d=1.

815 d=

1.75

1

d=1.

661

d=1.

625

d=1.

586

d=1.

565

d=1.

550

d=1.

526

d=1.

506

d=1.

481 d=

1.42

3d=

1.40

9

d=1.

392

d=2.

868

d=2.

218

d=2.

273

d=1.

673

Hình 3.6. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1100

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau M104

01-075-1092 (C) - Diopside - CaMgSi2O6 - Y: 68.05 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 9.74100 - b 8.91900 - c 5.25700 - alpha 90.000 - beta 105.970 - gamma 90.000 - Base-centered - C2/c (15) - 01-087-0046 (C) - Akermanite, syn - Ca2Mg(Si2O7) - Y: 48.03 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 7.83380 - b 7.83380 - c 5.00820 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P-421m (File: Hanh K19 mau M104.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi:

Lin

(Cps

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

2-Theta - Scale

20 30 40 50 60 70

d=4.

224

d=3.

893

d=3.

716

d=3.

493

d=3.

345

d=3.

233

d=3.

085

d=2.

995

d=2.

951

d=2.

875

d=2.

771 d=

2.56

6d=

2.52

1d=

2.46

4d=

2.42

3d=

2.38

7

d=2.

266d=

2.30

4

d=2.

215

d=2.

157

d=2.

134

d=2.

107

d=2.

040

d=2.

015

d=1.

970

d=1.

900

d=1.

835

d=1.

812

d=1.

776

d=1.

751

d=1.

671

d=1.

625

d=1.

587

d=1.

562

d=1.

550

d=1.

528

d=1.

505

d=1.

481

d=1.

468

d=1.

450 d=

1.42

3d=

1.40

8d=

1.39

5

d=1.

349

d=2.

894

d=2.

201

Hình 3.7.Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1150

47

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau M105

01-075-1092 (C) - Diopside - CaMgSi2O6 - Y: 70.77 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 9.74100 - b 8.91900 - c 5.25700 - alpha 90.000 - beta 105.970 - gamma 90.000 - Base-centered - C2/c (15) - 01-087-0046 (C) - Akermanite, syn - Ca2Mg(Si2O7) - Y: 45.19 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 7.83380 - b 7.83380 - c 5.00820 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P-421m (File: Hanh K19 mau M105.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi:

Lin

(Cps

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

2-Theta - Scale

20 30 40 50 60 70

d=4.

224

d=3.

900

d=3.

721

d=3.

597

d=3.

496

d=3.

345 d=

3.23

5

d=3.

085

d=2.

994

d=2.

951

d=2.

872

d=2.

769

d=2.

720

d=2.

568

d=2.

521

d=2.

464

d=2.

424

d=2.

387

d=2.

348

d=2.

303

d=2.

273

d=2.

202

d=2.

157

d=2.

133

d=2.

107 d=

2.03

9d=

2.01

5

d=1.

971

d=1.

898

d=1.

835

d=1.

815

d=1.

776

d=1.

752

d=1.

686

d=1.

672

d=1.

661

d=1.

639

d=1.

626

d=1.

585

d=1.

563

d=1.

550

d=1.

528

d=1.

506

d=1.

482

d=1.

464

d=1.

448 d=

1.42

3d=

1.40

9d=

1.39

5

d=1.

351

d=2.

890

Hình 3.8. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu T- 1200

Nhìn trên giản đồ nhiễu xạ tia X chúng tôi thấy các mẫu đều xuất hiện chủ

yếu hai pha là akermanite và diopside. Cường độ pic đặc trưng của các pha được

trình bày trong bảng 3.4.

Bảng 3.4.Cường độ pic đặc trưng của các pha tinh thể phụ thuộc vào nhiệt

độ nung

Pha tinh thể

Diopside Akermanite

Mẫu 2 (0) d ( A0) I 2 (0) d ( A0) I

T- 1050

29,9 2,993 440

31,2 2,870 75035,5 2,520 280

56,5 1,625 80

T- 1100

29,9 2,992 460

31,2 2,868 14035,5 2,521 240

56,5 1,625 100

29,9 2,995 630

35,5 2,521 390

48

T - 1150 31,2 2,875 490

56,5 1,625 140

T- 1200

29,9 2,994 680

31,2 2,872 48035,5 2,521 440

56,5 1,626 180

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

diopside với cường độ pic tăng. Tuy nhiên cường độ pic pha diopside giữa các mẫu

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

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

biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha diopside vào nhiệt độ)

Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc cường độ pha diopside vào nhiệt độ

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

đến 12000C pha diopside đều xuất hiện với cường độ tương đối mạnh và cường độ

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

12000C để thu được diopside với cường độ lớn nhất.

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

49

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

được khoáng hóa bởi Na2O, B2O3, CaF2.

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau N0

00-007-0074 (D) - Forsterite - Mg2SiO4 - Y: 13.39 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 4.75800 - b 10.20700 - c 5.98800 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pbnm (62) - 4 - 201-076-0841 (C) - Akermanite - Ca2Mg(Si2O7) - Y: 44.98 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 7.78900 - b 7.78900 - c 5.01800 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P-421m (113)00-011-0654 (D) - Diopside - CaMg(SiO3)2 - Y: 50.18 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 9.76100 - b 8.92600 - c 5.25800 - alpha 90.000 - beta 105.800 - gamma 90.000 - Base-centered - C2/c (15) -File: Hanh K19 mau N0.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 8 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00

Lin

(Cps

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

2-Theta - Scale

20 30 40 50 60 70

d=4.

211

d=4.

036 d=

3.71

6

d=3.

496

d=3.

345

d=3.

233

d=2.

248d=

3.08

2

d=2.

995

d=2.

946

d=2.

870

d=2.

768

d=2.

894

d=2.

564

d=2.

519

d=2.

463

d=2.

421

d=2.

382

d=2.

350

d=2.

304

d=2.

271

d=2.

214

d=2.

155 d=

2.13

2d=

2.10

8

d=2.

199 d=

2.03

8d=

2.01

5

d=1.

970

d=1.

899

d=1.

836

d=1.

813

d=1.

774

d=1.

752

d=1.

672

d=1.

626

d=1.

564

d=1.

548

d=1.

527

d=1.

504

d=1.

482

d=1.

462

d=1.

422

d=1.

409

d=1.

396

d=1.

351

Hình 3.10. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu khoáng hóa Na2O

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau H0

00-034-0189 (*) - Forsterite, syn - Mg2SiO4 - Y: 2.56 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 5.98170 - b 10.19780 - c 4.75530 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pmnb (62) - 4 01-072-1498 (C) - Calcium Magnesium Silicate - Ca.89Mg1.11Si1.98O6 - Y: 48.22 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 9.73800 - b 8.91800 - c 5.24800 - alpha 90.000 - beta 106.080 - gamma 90.000 File: Hanh K19 mau H0.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 10 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.0

Lin

(Cps

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

2-Theta - Scale

20 30 40 50 60 70

d=3.

880

d=3.

714

d=3.

479 d=

3.33

5

d=3.

224

d=2.

987

d=2.

941

d=2.

888

d=2.

836

d=2.

763

d=3.

652

d=2.

560

d=2.

515

d=2.

455

d=2.

382

d=2.

296

d=2.

265

d=2.

210

d=2.

151 d=

2.12

9d=

2.10

3

d=2.

039

d=2.

010

d=1.

966

d=1.

893

d=1.

856

d=1.

830

d=1.

809

d=1.

792

d=1.

749

d=1.

720

d=1.

671

d=1.

657

d=1.

623

d=1.

559

d=1.

547

d=1.

522

d=1.

502

d=1.

479

d=1.

443

d=1.

420

d=1.

407

d=1.

388

d=2.

195

50

Hình 3.11. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu khoáng hóa B2O3

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau E1

01-078-1391 (C) - Augite - Ca(Mg0.85Al0.15)((Si1.70Al0.30)O6) - Y: 75.67 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 9.74900 - b 8.92000 - c 5.25900 - alpha 90.000 - beta 106.060 - gamma 90.000 - Base-00-011-0654 (D) - Diopside - CaMg(SiO3)2 - Y: 61.07 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 9.76100 - b 8.92600 - c 5.25800 - alpha 90.000 - beta 105.800 - gamma 90.000 - Base-centered - C2/c (15) -01-076-0851 (C) - Forsterite ferroan - Mg2SiO4 - Y: 19.78 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 4.76200 - b 10.22500 - c 5.99400 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pbnm (6File: Hanh K19 mau E1.raw - Type: Locked Coupled - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 17 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.0

Lin

(Cps

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

2-Theta - Scale

20 30 40 50 60 70

d=4.

216

d=3.

882

d=3.

711

d=3.

646

d=3.

489

d=3.

338

d=3.

224

d=3.

078

d=2.

988

d=2.

942

d=2.

863

d=2.

766

d=2.

210

d=2.

564

d=2.

515

d=2.

460

d=2.

419

d=2.

385

d=2.

347

d=2.

300

d=2.

269

d=2.

246

d=2.

154 d=

2.13

1d=

2.10

5

d=2.

036

d=2.

013

d=1.

967

d=1.

949

d=1.

893

d=1.

854

d=1.

833

d=1.

810

d=1.

771

d=1.

751

d=1.

671

d=1.

657

d=1.

636

d=1.

623

d=1.

560

d=1.

548

d=1.

522

d=1.

501

d=1.

480

d=1.

464 d=

1.41

9d=

1.40

7d=

1.39

2

d=1.

361

d=1.

351

d=2.

199

d=2.

894

Hình 3.12. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu khoáng hóa CaF2

Nhìn vào giản đồ nhiễu xạ tia X chúng ta thấy, các mẫu cùng thành phần, cùng

quy trình tổng hợp nhưng với các chất khoáng hóa khác nhau thì có thành phần pha

khác nhau:

+ Mẫu có chất khoáng hóa Na2O xuất hiện chủ yếu là pha diopside với cường độ

mạnh ngoài ra còn thấy xuất hiện thêm hai pha akermanite và forsterite với cường

độ yếu hơn.

+ Mẫu có chất khoáng hóa B2O3 thấy xuất hiện chủ yếu là pha canxi magie silicat

với cường độ rất mạnh. Pha canxi magie silicat có cấu trúc hệ đơn tà, các thông số

mạng a= 9,738; b= 8,918; c= 5,248; = 900; = 106,08; = 900. Các pic đặc trưng

ứng với: 2 = 29,9; 35,5; 56,5 và d tương ứng là 2,987; 2,515; 1,623. Từ dữ kiện

này cho thấy pha canxi magie silicat gần giống với pha diopside.

+ Mẫu có chất khoáng hóa CaF2 thấy xuất hiện ba pha: diopside, augit và forsterite

trong đó pha diopsdie có cường độ mạnh nhất.

51

Cường độ pic đặc trưng của các pha trong các mẫu có chất khoáng hóa và

không có chất khoáng hóa được trình bày trong bảng 3.5.

Bảng 3.5. Các pic đặc trưng của các pha tinh thể trong các mẫu có chất khoáng

hóa và không có chất khoáng hóa

Mẫu Pha tinh thể

Diopside Akermanite Canximagiesilicat

2 d I 2 d I 2 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

- - -

Khoáng

hóa

Na2O

29,9

35,5

56,5

2,995

2,519

1,626

710

460

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

được có pha diopside với cường độ mạnh hơn khi không có chất khoáng hóa. Tuy

nhiên khi có khoáng hóa là CaF2 thì d của pha diopside nhỏ hơn.

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 hưởng đến sự

hình thành pha tinh thể. Để thu được pha diopsidpe với cường độ cao chúng tôi

chọn chất khoáng hóa Na2O.

52

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 – Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên- ĐHQGHN.Kết

quả được trình bày trên hình 3.13, 3.14, 3.15, 3.16.

Hình 3.13. Ảnh SEM của mẫu M4

53

Hình 3.14. Ảnh SEM của mẫu M7

Hình 3.15.Ảnh SEM của mẫu 9

54

Hình 3.16.Ảnh SEM của mẫu 10

Nhìn vào kết quả ảnh SEM chúng ta thấy sự phân bố hạt của mẫu 9 là đồng

đều và chắc đặc hơn cả, cỡ hạt đạt trung bình 1-3m. Và xét về hình thái học chúng

ta thấy các hạt tinh thể có hình lăng trụ.

3.9. Ảnh hưởng của bột talc đến các tính chất của vật liệu

3.9.1. Độ co ngót

Kết quả xác định độ co ngót được trình bày trong các bảng và được biểu diễn

trên các hình sau:

Bảng 3.6. Kết quả xác định độ co ngót của các mẫu ở nhiệt độ nung thiêu kết

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%

55

Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến 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.

Bảng 3.7. Kết quả xác định độ co ngót của các mẫu với hàm lượng bột 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%

56

D0,D: đường kính mẫu trước và sau khi nung (cm)

H0,H: Chiều cao mẫu trước và sau khu nung (cm)

Ảnh hưởng của hàm lượng bột talc đến độ co ngót của vật liệu được biểu diễn

rõ hơn dưới dạng đồ thị (hình 3.18).

Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn độ co ngót của các mẫu với hàm lượng bột talc khác

nhau

Nhìn trên đồ thị 3.18 chúng ta thấy độ co ngót nhìn chung giảm khi hàm

lượng bột talc và SiO2 tăng và hàm lượng CaO giảm.

3.9.2. Độ hút nước

Bảng 3.8. Kết quả đo độ hút nước

Mẫu Độ hút nước (%)

M0 20,17

M1 17,62

M2 14,79

M3 14,59

M4 12,76

M5 12,07

M6 11,56

M7 10,27

M8 8,55

57

M9 8,02

M10 8,59

Hình 3.19. Đồ thị biểu diễn độ hút nước phụ thuộc vào hàm lượng talc

Từ kết quả trên cho thấy độ hút nước nhìn chung giảm khi tăng hàm lượng

bột talc. Mẫu 9 có độ hút nước thấp nhất 8,02%.Điều này hoàn toàn phù hợp với kết

quả ảnh SEM.

3.9.3. Độ xốp, tỉ khối

Kết quả xác định tỉ khối và độ xốp của các mẫu nung ở nhiệt độ khác nhau và

các mẫu với hàm lượng bột talc khác nhau được trình bày lần lượt trong bảng 3.9;

3.10.

Bảng 3.9. Độ xốp và tỉ khối của các mẫu nung ở nhiệt 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.

58

Bảng 3.10. Độ xốp và tỉ khối của các mẫu với hàm lượng bột 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

M9 2,63 8,06

M10 2,48 11,04

Bảng kết quả 3.10 cho thấy có sự tương quan giữa tỷ khối và độ xốp, khi tỷ

khối tăng độ xốp có xu hướng giảm. Tỷ khối của vật liệu tăng từ mẫu M0 đến mẫu

M9 và ngược lại độ xốp giảm từ mẫu M0 đến M9. Điều này khá phù hợp với kết

quả ảnh SEM, khi độ chắc đặc của vật liệu càng cao thì tỷ khối của vật liệu càng lớn

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. Cường độ kháng nén

Bảng 3.11. Kết quả đo cường độ nén

Mẫu FN (KN) Rn (N/cm2)

M4 224,1 23438,04

M7 276,5 28918,42

M9 295,8 30936,96

59

M10 279,8 29263,56

Từ bảng kết quả trên cho thấy cường độ nén tăng khi hàm lượng bột talc tăng

đến 66,96%. Mẫu 9 có cường độ nén tốt nhất. Kết quả này cũng phù hợp với 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 được trình

bày trong bảng 3.12 .

Bảng 3.12. Hệ số giản nở nhiệt của các mẫu

Mẫu M4 M7 M9 M10

Hệ số trung

bình (10-6/0C)

12,9114 8,2108 3,1802 4,5470

Nhìn vào bảng kết quả trên chúng ta thấy các mẫu ứng với hàm lượng bột

talc khác nhau có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Điều này hoàn toàn dễ hiểu khi

hàm lượng bột talc thay đổi thành phần pha cũng thay đổi. Qua bảng kết quả trên

chúng 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

Bảng 3.13. Kết quả đo độ bền xốc nhiệt

Kí hiệu mẫu Số lần

M7 22

M9 >30

M10 >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

60

tích khi tăng nhiệt độ. Kết quả này phù hợp với kết quả đo hệ số giãn nở nhiệt của

các mẫu.

3.9.7. Độ chịu lửa

Bảng 3.14. Kết quả đo độ chịu lửa

Kí hiệu mẫu Nhiệt độ (C0)

M7 1180

M9 1180

M10 1180

Từ kết quả thu được cho thấy vật liệu gốm có độ chịu lửa không cao. Điều này

có thể là do sản phẩm gốm thu được là đa pha với pha diopside và akermanite là

chính. Nhiệt độ nóng chảy của diopside là 1392,50C và akermanite là 14540C khá

thấp nên làm giảm độ chịu lửa của vật liệu. Từ kết quả này cho thấy ảnh hưởng

không tốt đến độ chịu lửa của vật liệu khi đồng thời có mặt CaO và SiO2.

3.9.8.Độ dẫn điện

Hình 3.20 trình bày sự phụ thuộc điện dung và độ dẫn điện vào tần số của các

mẫu 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 được trình bày trong bảng

3.17.

61

D1 D2

D3 D4

Hình 3.20. Sự phụ thuộc của điện dung và độ dẫn điện của các mẫu với hàm

lượng talc khác nhau vào tần số

Bảng 3.15. Điện dung của các mẫu với hàm lượng bột talc khác nhau

Mẫu D1 D2 D3 D4

Điện 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 lượng 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 hướng giảm. Độ dẫn điện cực đại của các mẫu được

trình bày ở bảng 3.16.

Bảng 3.16. Độ dẫn điện cực đại của các mẫu với hàm lượng bột talc khác

nhau

Mẫu D1 D2 D3 D4

Tần số F (Khz) 883 200 150 100

62

Độ dẫn điện G (mS) 0,003125 0,0014 0,00058 0,00013

Qua bảng 3.16 cho thấy với mẫu ứng với hàm lượng bột talc 66,96% thì gía

trị độ dẫn điện G là nhỏ nhất.

D1 D2

D3 D4Hình 3.21. Sự phụ thuộc phần thực và phần ảo của hằng số điện môi vào tần số

của các mẫu 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.

63

D1 D2

D3 D4Hình 3.22. Sự phụ thuộc của hệ số tổn hao điện môi tg vào tần số của các mẫu

D1, D2, D3, D4,

Nhìn vào hình 3.22 chúng ta thấy hệ số tổn hao điện môi tg giảm khi

tần số tăng. Điều này có thể giải thích là do các mẫu gốm là điện môi có cực

tính yếu bđ . Do vậy . Có nghĩa là tổn hao điện môi do dòng

điện dò gây nên. Vì nhiệt độ không thay đổi nên điện dẫn cũng không đổi, do

vậy quan hệ của tg và tần số có dạng đường cong hypecbol.

64

KẾT LUẬN

Sau quá trình nghiên cứu chúng tôi đã thu được một số kết quả như sau:

1. Bột khoáng talc Thanh Sơn- Phú Thọ có thành phần hóa học chủ yếu là

Mg3Si2O10(OH)2 với hàm lượng SiO2, MgO lớn chiếm tổng cộng 92,98% về khối

lượng, hàm lượng các tạp chất nhỏ phù hợp để tổng hợp gốm diopside.

2. Sản phẩm gốm thu được 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. Với hàm lượng bột talc là 66,96% thì vật liệu gốm thu được

có cường độ pha diopside là lớn nhất, vật liệu thu được có đặc tính cơ- lý (độ hút

nước, độ bền sốc nhiệt, độ bền nén…) tốt nhất.

3. Nhiệt độ nung có ảnh hưởng đến sự hình thành pha tinh thể diopside và tính chất

của vật liệu. Khi nhiệt độ nung tăng từ 10500C đến 12000C thì cường độ pha

diopside tăng, độ hút nước giảm, tỉ khối tăng, độ xốp giảm, độ co ngót tăng.

4. Một số chất khoáng hóa như Na2O, B2O, CaF2 có ảnh hưởng đến sự hình thành

pha của vật liệu gốm. Với chất khoáng hóa Na2O thu được thành phần pha tương tự

mẫu không có chất khoáng hóa trong đó pha diopside có cường độ mạnh hơn.

5. Từ các kết quả thu được chúng tôi đã xây dựng quy trình sản xuất vật liệu gốm

trên cơ sở tinh thể diopside theo sơ đồ khối sau:

Chuẩn bịPhối liệu

NghiềnTrộn

Ép viên Nung Sản phẩm

65

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TIẾNG VIỆT

[1]. Vũ Đăng Độ (2006), Các phương 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 xuất vật liệu chịu lửa, 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 phương pháp nghiên cứu

trong hóa vô cơ.

[8]. Vũ Đình Ngọ (2004), Luận văn cao học, Trường Đại học KHTN-Đại học Quốc

Gia Hà Nội.

[9]. Phan Văn Tường (2001), Vật liệu vô cơ, giáo trình chuyên đề, Đại học Khoa

học Tự nhiên- Đại học Quốc Gia Hà Nội.

[10].Phan Văn Tường (2007), Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, NXB Đại

học quốc gia Hà Nội.

[11]. Phan Văn Tường 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.

66

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

67

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. Sedelnikova, 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. Sedelnikova 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”, Journal

of 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.

68