Website: Email : Tel (: 0918.775.368
MỤC LỤC
Trang
1
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
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.2SiO
2
) 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
O
10
(OH)
2
+ 3 MgCO
3
+ 3 H
2
O
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(CO
3
)
2
+ 4SiO
2
+ H
2
O → Mg
3
Si
4
O
10
(OH)
2
+ 3 CaCO
3
3
,
Al
2
O
3
, Na
2
O, K
2
O, 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 sử dụng talc làm
2
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
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 Mg
3
[Si
4
O
10
(OH)
2
] thì quặng talc còn có các khoáng như: dolomite Mg.Ca(CO
3
…
Trong thực tế cùng họ khoáng silicat magie ba lớp có khoáng pyrophillit
Al
2
O
3
.2SiO
2
.H
2
O 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
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể talc
Cấu trúc lớp cơ bản của talc được tạo thành từ lớp bát diện Mg-O
2
/hyđroxyl
nằm kẹp giữa 2 lớp tứ diện SiO
2
.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
4
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
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 d
hkl
: 9,25; 3,104; 1,525.
Về tính chất quang học tinh thể talc có giá trị chiết suất N
g
= 1,575-1,590; N
p
=
1,538-1, 545; N
g
-N
p
=0,030-0,050, góc 2v=0-30
0
.
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/cm
3
, talc nóng chảy ở 1500
0
C.
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
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Tạp chất Al
2
O
3
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 500-600
0
C. Ở nhiệt
độ cao hơn nó sẽ phản ứng với forsterite để tạo metasilicat manhê theo phản ứng :
2MgO.SiO
2
+ Fe
2
O
3
→ MgO.SiO
2
+ MgO.Fe
2
O
3
Sự oxi hóa sắt sẽ làm mủn sản phẩm đồng thời lại tiêu tốn MgO để biến thành
2MgO.SiO
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 5
B 90 4 – 9 10
C 70 4 – 18 30
D 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
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
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
compozit mulite-cordierite từ cao lanh A lưới và talc Phú Thọ với hệ số dãn nở nhiệt
rất bé (α=3,26.10
-6
/
0
C), độ bền sốc nhiệt đạt trên 30 lần (sau khi nung ở 1000
0
C và
làm lạnh đột ngột bằng nước). Độ chịu lửa đạt >1580
0
C.
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 1250
0
C có độ
thiêu kết tốt, thành phần pha chủ yếu là α-cordirite, có hệ số giãn nở thấp (α=4,1.10
-
6
/
0
C) [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,
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
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
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 Fe
2
O
3
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
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 axit-
11
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
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
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/cm
2
. 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-SiO
2
1.3.1. Khái quát về các oxit trong hệ CaO.MgO.SiO
2
1.3.1.1. Canxi oxit (CaO) [33]
Phân tử gam : 56,08 g/mol.
0
C
Điểm sôi : 3600
0
C
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 (SiO
2
) [4, 33]
Ở điều kiện thường, SiO
2
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 α bền ở nhiệt
độ thấp và dạng β bền ở nhiệt độ cao. Sự biến đổi thù hình của SiO
2
được trình bày
trên hình 1.3.
14
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
tridimit
117
0
C
thạch anh β tridimit β cristobalit
573
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 1600-1670
0
C 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 SiO
2
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, SiO
2
tan trong
kiềm hay cacbonat kim loại kiềm nóng chảy.
SiO
2
+ 2NaOH
→
Na
2
SiO
3
+ H
2
O
SiO
2
+ Na
2
Nhìn vào giản đồ pha ta thấy:
16
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Các pha xảy ra trong ba hệ hai cấu tử chính cũng có miền trong hệ ba cấu tử là:
(1) Cristobalite (SiO
2
), (2) tridymite (SiO
2
), (3) pseudowollastonite (α-CaO.SiO
2
), (4)
tricalcium di-silicat (3CaO. 2SiO
2
), (5) α- canxi orthosilicate (α-2CaO.SiO
2
), (6) vôi
(CaO), (7) periclase (MgO), (8) forsterit (2MgO.SiO
2
).
Các hợp chất hai cấu tử không có miền trong hệ bậc ba là: (1) Tricalcium
silicat, 3CaO.SiO
2
, (2) clino-enstatite (MgO.SiO
2
).
Hợp chất ba cấu tử có miền trong hệ ba cấu tử là: (1) diopside
(CaO.MgO.2SiO
2
), (2) 2CaO.MgO.2SiO
diopside (CaO.MgO.2SiO
2
) và clino - enstatite (MgO.SiO
2
), tất cả xảy ra như là pha
chính.
+ Dung dịch rắn monticellite (CaO.MgO.SiO
2
) chứa tới 11% forsterit
(2MgO.SiO
2
) được biểu diễn một phần như là pha chính.
Trong hệ CaO. MgO.SiO
2
điểm dễ nóng chảy nhất ứng với thành phần % vế
số mol như sau: 0,8 MgO; 61,4 SiO
2
; 30,6 CaO ở nhiệt độ 1320
0
C. Trong hệ có bốn
hợp chất 3 cấu tử:
Diopside: CaO.MgO.2SiO
2
Monticellite: CaO.MgO.SiO
2
17
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Merwinit: 3CaO.MgO.2SiO
2
Akermanite: 2CaO.MgO.SiO
2+
, Fe
3+
, Cr
3+
,… Công thức khung có thể viết [SiO
3
]
2-
hoặc
[Si
2
O
6
]
4-
.
Hình 1.5. Cấu trúc của diopside, CaMgSi
2
O
6
: (a) tế bào đơn vị chiếu xuống trục
b; (b) tế bào đơn vị chiếu xuống trục c.
18
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
Diopside thuộc hệ tinh thể lăng trụ ngắn, có thông số mạng a=0.95848mm,
b=0,86365mm, c=0,51355mm, α= 90
0
, β= 103,98
0
1.4.2. Tính chất của gốm Diopside [33]
Diopside công thức hóa học CaMgSi
2
O
6
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/cm
3
. 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.2SiO
2
) 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
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
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.
nhiệt độ nung đạt đến 2/3 điểm nóng chảy của một trong các chất tham gia phản ứng.
+ Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng
Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng, ảnh hưởng quyết định đến
khả năng phản ứng của các chất. Chính vì vậy cần tăng diện tích tiếp xúc giữa các
chất phản ứng bằng cách chuẩn bị phối liệu có kích thước hạt càng nhỏ càng tốt. Với
phương pháp gốm truyển thống, phối liệu ban đầu có thể được nghiền mịn, ép chặt,
nung, sau đó nghiền mịn rồi lại nung và lặp lại nhiều lần như thế. Tác dụng của quá
trình nghiền mịn liên tục giữa các lần nung không chỉ tăng bề mặt tiếp xúc giữa hỗn
hợp các chất phản ứng mà còn tạo thêm các bề mặt mới cũng như các khuyết tật cấu
trúc nhằm thúc đẩy phản ứng đến cùng.
+ Đặc điểm cấu trúc của các chất ban đầu
Phản ứng pha rắn được thực hiện trực tiếp giữa các chất phản ứng ở pha rắn
nên cấu trúc ban đầu của chất rắn có ảnh hưởng quyết định không những đến tốc độ
phản ứng mà còn ảnh hưởng đến cơ chế của phản ứng. Các chất ban đầu có cấu trúc
kém bền, hoặc tinh thể có nhiều khuyết tật thì có hoạt tính hơn, dề tham gia phản ứng
hơn.
Ví dụ: Với phản ứng giữa các oxit, người ta thường chọn chất ban đầu là các
muối dễ phân hủy và phân hủy ở vùng nhiệt phản ứng. Lúc này các oxit mới hình
thành có cấu trúc mạng lưới chưa hoàn chỉnh (hoạt tính hơn) nên dễ tham gia phản
ứng hơn so với các oxit bền được dùng làm phối liệu ban đầu.
Ngoài ra, phản ứng pha rắn sẽ xảy ra thuận lợi về mặt năng lượng hơn khi các
chất phản ứng có cùng kiểu cấu trúc với sản phẩm hình thành và thường được phân
biệt bởi hai loại phản ứng: epitaxit và topotaxit. Phản ứng epitaxit yêu cầu có sự
giống nhau về cấu trúc ở lớp tiếp xúc của chất phản ứng và sản phẩm. Còn phản ứng
topotaxit thì yêu cầu sự giống nhau về cấu trúc trong toàn khối. Tuy nhiên, bên cạnh
giống nhau về cấu trúc, để xảy ra sự định hướng tạo mầm sản phẩm một cách thuận
21
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
lợi thì kích thước tế bào mạng cũng như khoảng cách giữa các nguyên tử cũng phải
gần giống nhau (chênh lệch dưới 15%)
2
, AlF
3
,
Na
2
SiF
6
, Na
3
AlF
6
…) 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 Al
2
O
3
-SiO
2
ta thấy ít nhất phải nung lên đến 1585
0
C
(nhiệt độ bắt đầu xuất hiện pha lỏng). Trong đó khi ta nung caolinit lên đến 1000
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?
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.
23
Website: Email : Tel (: 0918.775.368
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.
B CA D
24
Copyright: Tài liệu đại học ©