177
TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 48, 2008
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP GỐM CORDIERITE
T
Ừ CAO LANH LÂM ĐỒNG VÀ TALC PHÚ THỌ
Trần Ngọc Tuyền
Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế
TÓM TẮT
Gốm cordierite được tổng hợp từ các nguyên liệu tự nhiên là cao lanh, talc và bột nhôm
hidroxit thương mại. Phối liệu đúng tỷ lệ hợp thức cordierite (2MgO.2Al
2
O
3
.5SiO
2
) được chun
bị theo phương pháp gốm truyền thống. Sau khi nghiền bi ướt bằng máy nghiền hành tinh trong
thời gian 3 giờ với tốc độ nghiền 180 vòng/phút, phối liệu có cấp hạt mịn (
Φ
< 10
µ
m chiếm
hơn 50%), thành phần đồng nhất. Mẫu sau khi nung ở 1250
o
C có mức độ thiêu kết tốt, thành
phần pha tinh thể chủ yếu là
α
-cordierite, có hệ số giãn nở nhiệt thấp (

C). Tuy nhiên, do quá trình chuNn bị phối liệu khá phức tạp, đặc biệt là giai đoạn
đồng kết tủa để đảm bảo tỷ lệ hợp thức của gốm cordierite [3], nên phương pháp này
g
ặp khó khăn khi áp dụng trong thực tế.
Để làm giảm nhiệt độ nung thiêu kết, thuận lợi trong việc chuNn bị phối liệu,
trong bài báo này chúng tôi nghiên c
ứu tổng hợp gốm cordierite theo phương pháp gốm
truy
ền thống đi từ các nguyên liệu tự nhiên: cao lanh và talc, khảo sát ảnh hưởng của
c
ấp hạt phối liệu, chế độ nung đến quá trình tạo pha cordierite, đồng thời xác định một
s
ố tính chất cơ lý quan trọng của gốm điều chế được để đánh giá khả năng ứng dụng của
nó.
2. Th
ực nghiệm
Thành ph
ần hoá học của nguyên liệu cao lanh, talc và hidroxit nhôm được phân
tích theo TCVN 7131:2002.
178
Phối liệu cordierite hợp thức được chuNn bị theo phương pháp gốm truyền thống
đi từ nguyên liệu đầu là cao lanh Lâm Đồng, bột talc Phú Thọ và bột Al(OH)
3
thương
m
ại.
Để khảo sát ảnh hưởng của cấp hạt đến nhiệt độ tạo pha cordierite, phối liệu
được nghiền trong máy nghiền hành tinh (Planetary Ball Mills) với bi corundum, dung
môi n
ước, tốc độ nghiền 180 vòng/phút, thời gian nghiền tương ứng là 1, 2, 3 và 4 giờ.

ph
ần pha của mẫu sau khi nung được khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên
thi
ết bị SIEMENS D5005 (Đức) với Cu Kα, λ = 1,5412 Å.
Để xác định hệ số giãn nở nhiệt (α), mẫu gốm cordierite thiêu kết được cắt viên
hình h
ộp với kích thước (2 cm × 0,4 cm × 0,4 cm). Giá trị α của mẫu được đo trên thiết
b
ị Dilatometer L75/N1 (LINSEIS, Đức) trong khoảng nhiệt độ từ 25
o
C ÷ 1000
o
C.
3. K
ết quả và thảo luận
3.1. Thành ph
ần khoáng, hoá của nguyên liệu
Cao lanh Lâm
Đồng và talc Phú Thọ được nghiền mịn qua rây 10.000 lỗ/cm
2
.
Thành ph
ần hoá học của các nguyên liệu được trình bày ở bảng 1.
Bảng 1. Thành phần hóa học của các nguyên liệu

Nguyên liệu
Thành ph
ần (%) khối lượng
SiO
2

3
.2SiO
2
.2H
2
O), ngoài ra chứa một lượng rất nhỏ SiO
2
ở dạng tự do (α-quartz).
Đặc biệt, tỷ lệ mol Al
2
O
3
/SiO
2
của cao lanh Lâm Đồng bằng 0,4 (đúng bằng tỷ lệ mol
Al
2
O
3
/SiO
2
của khoáng cordierite). Đây là nguyên liệu tự nhiên lý tưởng để tổng hợp
g
ốm cordierite trong công nghiệp [ ].
179
Hình 1. Giản đồ XRD của mẫu cao lanh Lâm Đồng
Hình 2. Giản đồ XRD của talc Phú Thọ
- Talc Phú Thọ có hàm lượng MgO khá cao (>27%), hàm lượng Fe
2
O

Vi
ệc chuNn bị phối liệu theo phương pháp gốm truyền thống có ưu điểm là dễ
đảm bảo tỷ lệ hợp thức nhưng cấp hạt phối liệu lớn nên nhiệt độ tạo pha cordierite sẽ
Mau Talc(PT)
01-089-8935 (C) - Qua rtz alpha - SiO2 - Y: 3 2.27 % - d x by: 1. - W L: 1.5406 - Hexagonal - a 4.92090 - b 4.9 2090 - c 5 .40910 - alpha 90.000 - beta 90.000 - ga mm a 120.000 - Primi tive - P3221 (154) - 3 - 113
01-080-0885 (C) - Kaolinite 1A - Al2(Si2O5)(OH)4 - Y : 96.92 % - d x by: 1. - W L: 1.5406 - Tric linic - a 5.15550 - b 8.94380 - c 7.40510 - alpha 91.700 - beta 104.840 - gamm a 89.830 - B ase-cen tered - C1 (0)
File: Dung m au CL (LD).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0 .030 ° - Step time: 0.6 s - Tem p.: 25 °C (Room) - Tim e Started: 12 s - 2-Theta: 5.000 ° - Theta: 2.500 ° - Chi: 0.00 ° -
Lin (Counts)
0
10
20
30
40
50
60
70
2-Theta - Scale
5 10 20 30 40 50 60
d=7.212
d=4.461
d=4.217
d=3.578
d=3.349
d=2.565
d=2.502
d=3.887
d=2.340
d=1.537
d=1.489
d=1.983

d=1.529
d=1.509
180
cao. Mặt khác, do sự phân bố không đồng đều giữa các nguyên liệu nên phối liệu khó
đồng nhất về thành phần hoá học, sản phNm thu được sau khi nung thiêu kết không đơn
pha. Trong nghiên c
ứu này, để làm giảm cấp hạt, đồng nhất thành phần phối liệu, chúng
tôi ti
ến hành nghiền phối liệu trong máy nghiền hành tinh. Kết quả xác định thành phần
c
ấp hạt của phối liệu sau khi nghiền ở các thời gian khác nhau (bảng 2) cho thấy: khi
t
ăng thời gian nghiền từ 1 đến 3 giờ, cấp hạt giảm đáng kể, hàm lượng hạt có đường
kính < 10µm chi
ếm 57%. Khi tăng thời gian nghiền từ 3 đến 4 giờ, cấp hạt giảm chậm.
Để tránh sự mài mòn vật liệu nghiền và nhiễm bNn phối liệu, chúng tôi chọn thời gian
nghi
ền là 3 giờ (mẫu LP3).
Bảng 2. Thành phần cấp hạt của mẫu LP sau khi nghiền ở các thời gian khác nhau
Ký hiệu
mẫu
Hàm l
ượng (%)
Φ
ΦΦ
Φ
< 1
(µ
µµ
µm)


(µ
µµ
µm)
Φ
ΦΦ
Φ
= 20
÷
÷÷
÷
30

(µ
µµ
µm)
Φ
ΦΦ
Φ
> 30
(µ
µµ
µm)
LP1 4,40 23,06 20,43 26,78 9,14 16,19
LP2 5,09 26,32 22,25 26,25 7,96 12,13
LP3 5,35 28,36 23,47 25,38 9,15 12,29
LP4 5,74 29,89 23,69 24,93 8,35 7,4
Thành phần pha của mẫu LP3 (hình 3) bao gồm các khoáng chủ yếu là: talc
(3MgO.4SiO
2

File: Dung mau LP3.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 5.0 00 ° - End : 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.7 s - Temp.: 25 °C (Roo m) - Time Starte d: 12 s - 2-Theta: 5.0 00 ° - Theta: 2.500 ° - Chi: 0 .00 ° - Ph
Lin (Counts)
0
100
200
300
2-Theta - Scale
5 10 20 30 40 50 60
70
d=9.434
d=7.223
d=4.858
d=4.36 7
d=3.582
d=3.340
d=3.119
d=2.600
d=2.485
d=2.385
d=2.049
d=2.000
d=1.528
d=4.651
d=4.563
181
Hình 4. Giản đồ TG-DTA của mẫu LP3
Để xác định nhiệt độ nung sơ bộ và nung thiêu kết của vật liệu, chúng tôi ghi
gi
ản đồ phân tích nhiệt TG-DTA của mẫu LP3. Kết quả (hình 4) cho thấy: trong khoảng
nhi

O
3
.2SiO
2
.2H
2
O → Al
2
O
3
.2SiO
2
+ 2H
2
O
AlO(OH) → γ-Al
2
O
3
+ 2H
2
O
Khi nhi
ệt độ nung đạt khoảng gần 1000
o
C, trên đường DTA xuất hiện hiệu ứng
t
ỏa nhiệt nhỏ. Kết quả phân tích XRD của mẫu LP3 nung ở 1000
o
C thấy xuất hiện pic

Figure:
10/10/2007
Mass (mg):
19.39
Crucible:
PT 100 µl
Atmosphere:
Air
Experiment:
LP3
Procedure:
30 >1250 (5C.min-1) (Zone 2)
Labsys TG
Exo
182
ra quá trình mất nước cấu trúc của khoáng talc, nhưng hiệu ứng thu nhiệt của khoáng
talc b
ị trùng với hiệu ứng toả nhiệt của mullite:
3(Al
2
O
3
.2SiO
2
) → 3Al
2
O
3
.2SiO
2

o
C trong thời gian 3 giờ để phân hủy hoàn toàn các khoáng trong cao lanh, talc và
Al(OH)
3
tạo thành các hợp chất mới sinh có hoạt tính cao là metakaolinite
(Al
2
O
3
.2SiO
2
), MgO, SiO
2
và γ-Al
2
O
3
. Quá trình hoạt hóa bằng xử lý nhiệt trước khi
nung thiêu k
ết như vậy sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng pha rắn. Sau khi nung sơ
b
ộ, mẫu được ép viên hình đĩa với đường kính (φ) bằng 12 mm, chiều dày (h) = 1 mm
b
ằng máy ép thuỷ lực DANIR (Đan Mạch) với lực ép 500 KG/cm
2
.
Hình 5. Giản đồ XRD của mẫu LP3 nung ở các nhiệt độ khác nhau
Kết quả phân tích thành phần pha tinh thể của mẫu LP3 nung ở các nhiệt độ
khác nhau (hình 5) cho th
ấy: mẫu sau khi nung ở 1100

tác gi
ữa các oxit Al
2
O
3
, SiO
2
và MgO mới sinh từ sự phân huỷ nguyên liệu đầu:
MgO + SiO
2
→ MgO.SiO
2

MgO + Al
2
O
3
→ MgO.Al
2
O
3

Khi nhi
ệt độ nung đạt 1200
o
C, các pha quartz và protoenstatite đã biến mất, thay
vào
đó, pic nhiễu xạ đặc trưng của α-cordierite đã xuất hiện với cường độ rất mạnh,
ch
ứng tỏ có sự chuyển hoá mãnh liệt từ mullite, protoenstatite và spinel thành α-

ới năng lượng cao đã làm giảm nhiệt độ tạo pha cordierite xuống hơn 200
o
C so với đi
t
ừ nguyên liệu đầu là các oxit theo công bố của S. J. Kim và cộng sự [4 ]. Quá trình hình
thành pha α-cordierite theo ph
ương pháp này có đi qua giai đoạn tạo thành các pha
trung gian là protoenstatite và spinel. K
ết quả này cũng trùng với công bố của I. V.
Patino và c
ộng sự [5] khi tổng hợp gốm cordierite từ talc và khoáng sét là kyanite.
M
ẫu sau khi nung 1250
o
C có thành phần pha tương tự như mẫu nung ở 1200
o
C,
ch
ủ yếu là α-cordierite với cường độ rất mạnh, chứng tỏ khi tăng nhiệt độ nung ở giai
đoạn này xảy ra quá trình tinh thể hoá α-cordierite. Tuy nhiên, trong mẫu vẫn còn có mặt
c
ủa một lượng nhỏ spinel, để sản phNm đơn pha α-cordierite, cần kéo dài thời gian lưu
m
ẫu ở nhiệt độ thiêu kết (1250
o
C).
3.4. M
ột số tính chất cơ lý của gốm cordierite
Bảng 3. Một số tính chất cơ lý của mẫu gốm cordierite thiêu kết
Mẫu

2,59

14,41

1,97

Kết quả xác định một số tính chất cơ lý quan trọng nhất của gốm cordierite thu
được (bảng 3) cho thấy: hệ số giãn nở nhiệt trung bình của mẫu trong khoảng nhiệt độ
t
ừ 25 ÷ 1000
o
C khoảng 4,1.10
-6
/
o
C, cao hơn so với gốm cordierite tổng hợp bằng các
ph
ương pháp sol-gel, đồng kết tủa (2,5.10
-6
/
o
C - 3,0.10
-6
/
o
C) Điều này có thể do trong
thành ph
ần pha của gốm cordierite có chứa một lượng nhỏ spinel (có hệ số giãn nở nhiệt
cao).
Để làm giảm hệ số giãn nở nhiệt cần kéo dài thời gian nung thiêu kết để chuyển

/K), đạt yêu cầu làm vật liệu chịu lửa bền nhiệt.
TÀI LI
ỆU THAM KHẢO
1. Phan Van Tuong, Ngo Sy Luong, Tran Ngoc Tuyen, Phan Thi Hoang Oanh,
Preparation of low temperature cordierite ceramics by co-precipitation
process and its electronic properties, The 2
nd
International Symposium on
Advanced Materials in Asia-Pacific Rim [ISAMAP’05], (2005).
2. Phan V
ăn Tường, Ngô Sỹ Lương, Trần Ngọc Tuyền, Phan Thị Hoàng Oanh,
T
ổng hợp precursor cordierite từ cao lanh A Lưới bằng phương pháp đồng
k
ết tủa, Tạp chí Hoá học, T.43, 6, (2005).
3. Tr
ần Ngọc Tuyền, Phan Văn Tường, Ngô Sỹ Lương, Tổng hợp cordierite từ
cao lanh A L
ưới bằng phương pháp đồng kết tủa có sự hỗ trợ của phương
pháp c
ơ hoá, Tạp chí Khoa học, Đại học Huế, Số 35, (2007).
4. S. J. Kim, H. G. Bang, S. Y. Park , Synthesis of cordierite using high energy
ball milling, Materials Science Forum, Vols. 486-487, (2005), 476-480.
5. I. V. Patino, H. Balmori-Ramirez, R. C. Bradt, Thermal analysis and
evolution of phases during the synthesis of cordierite with kyanite and talc,
Materials Science Forum, Vol. 509, (2006), 199-204.

SYNTHESIS OF CORDIERITE CERAMICS
FROM LAMDONG KAOLIN AND PHUTHO TALC
Tran Ngoc Tuyen