1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Gốm sứ đã đi theo lịch sử phát triển loài người từ rất xa xưa. Ngày nay
càng tìm thấy nhiều ứng dụng trong kỹ thuật và kinh tế, với sự phát triển gốm
mới và các loại gốm oxit. Trong nhiều năm qua, chất màu gốm sứ đã được
nhiều nhà khoa học và các đơn vị trong nước quan tâm nghiên cứu. Hầu hết
các đề tài được nghiên cứu với mục đích tạo được loại chất màu nào đó để
thay thế sản phẩm nhập ngoại. Một số kết quả nghiên cứu đó đã được áp
dụng thử nghiệm vào thực tế. Tuy nhiên, trong nước lượng bột màu phải
nhập khẩu hằng năm còn rất lớn, và việc nghiên cứu cơ bản về tổng hợp chất
màu vẫn còn rất mới ở nước ta. [2]
Chất màu dùng cho gốm sứ đóng vai trò hết sức quan trọng, nó quyết
định đến tính thẩm mỹ của sản phẩm, mang lại màu sắc phong phú làm cho
sản phẩm gốm sứ thêm đa dạng.
Hiện nay, chất màu thường được sử dụng cho men gạch gốm ốp lát có
một số gam màu đặc trưng như: xanh lá cây, xanh lơ, xanh lam, vàng, nâu,
đen, đỏ, hồng…Với tầm quan trọng như vậy, việc nghiên cứu và tổng hợp
chất màu không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn mang ý nghĩa thực tế.
Các loại chất màu bền nhiệt sử dụng phổ biến cho sản xuất gốm sứ có
cấu trúc mạng lưới của các tinh thể nền bền, chủ yếu là: spinel, zircon,
corundum, grenat, olivine, mullite…và được tổng hợp từ nhiều phương pháp
khác nhau: phương pháp gốm truyền thống, phương pháp khuếch tán rắn
lỏng, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp
pechini…
Spinel là một chất nền khá phổ biến trong công nghiệp sản xuất chất
màu với những đặc tính ưu việt: độ bền nhiệt, bền hóa cao, bền với các tác
nhân hóa học, bền đối với ánh sáng, với khí quyển không biến đổi màu dưới
tác dụng của men nóng chảy ở nhiệt độ cao, nguyên liệu điều chế đơn giản,
dễ tìm, có thể tạo ra nhiều tông màu sáng và đẹp.

4

3. Phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp phối liệu bằng phương pháp Pechini
- Thành phần pha của chất màu được xác định bằng phương pháp nhiễu
xạ tia X
- Xử lý kết quả thực nghiệm bằng phần mềm origin 7.5
- Cường độ màu, khả năng phát màu của men được kiểm tra bằng
phương pháp kéo men trên dây chuyền sản xuất gạch men trong thực tế.
4. Lịch sử vấn đề nghiên cứu
Đã có một số công trình nghiên cứu về tổng hợp chất màu cho gốm sứ
của một số tác giả như: Đặng Thị Ngọc Hoa, Nguyễn Bằng, Lê Văn Tuấn,
Trần Ngọc Tuyền, Lê Đình Qúy Sơn, Dương Cường, Ngô Sỹ Lương v.v…

3
Nhiều sách tham khảo về công nghệ chế tạo chất màu cho gốm sứ cũng đã
được xuất bản.
Nhìn chung các đề tài nghiên cứu tổng hợp chất màu gốm sứ ở trên đã
mở ra hướng đi cơ bản cho những nghiên cứu tổng hợp chất màu khác.
5. Những đóng góp của đề tài
5.1. Về mặt lý luận
Làm cơ sở lý thuyết cho việc nghiên cứu sản xuất các chất màu trên nền
cấu trúc tinh thể spinel.
5.2. Về mặt thực tiễn
Việc sản xuất chất màu đi từ các nguyên liệu có sẵn trong nước sẽ có giá
thành thấp hơn, đáp ứng nhu cầu sản xuất thực tiễn và làm cho sản phẩm có
khả năng cạnh tranh với các sản phẩm thị trường trong nước và quốc tế.
Vì vậy, khi đề tài này thành công có thể coi đó là một trong những
hướng nghiên cứu có tính định hướng tạo tiền đề cho việc chế tạo chất màu
gốm sứ.

xu hướng của quá trình tạo nên những vật liệu mới. Quá trình này thúc đẩy

5
những biến đổi về mặt công nghệ, dẫn tới việc sử dụng nguyên liệu tổng hợp,
những thiết bị được điều khiển nghiêm ngặt bởi thông số công nghệ.
1.1.2. Lịch sử hình thành gốm sứ
Người ta cho rằng nghề gốm bắt đầu tại vùng Trung Đông và Ai Cập
khoảng 4500 – 4000 năm trước công nguyên (CN). Một số bước tiến lớn là
việc phát minh ra thủy tinh khoảng 2000 – 1000 năm trước CN, tạo điều kiện
để phát minh ra men gốm mà nổi tiếng nhất là ở Ai Cập, đó là hỗn hợp của
đất sét, cát và tro gỗ làm vai trò chất trợ dung và các oxit đồng hay mangan
để tạo màu. Sau khi nung nó làm cho bề mặt gốm có một lớp nhẵn bóng và
có màu. Thời Trung Cổ ở Châu Âu đã có những trung tâm rất lớn sản xuất đồ
gốm như Faenza ở Ý hay Mallorca là một hòn đảo ở Địa Trung Hải.
Vào những năm 600 trước CN nước Trung Hoa cổ đã sản xuất được đồ
sứ. Đến thế kỷ IX sau CN (đời Đường) nghề sứ Trung Quốc đã rất phát triển,
và thế kỷ XVI đời nhà Thanh thì bước vào thời kì cực thịnh.
Ở Việt Nam, ông cha ta đã sản xuất được đồ gốm từ thời thượng cổ,
cách đây 4500 năm. Vào thời đầu các vua Hùng, chúng ta đã có gốm Phùng
Nguyên, gò Mun (Vĩnh Phú) nung ở nhiệt độ 800 – 900
0
C, xưởng gốm bắt
đầu được tinh luyện. Từ thế kỷ XI đã sản xuất được gốm men Đại Việt nổi
tiếng với các trung tâm Hà Bắc, Thanh Hóa, Thăng Long, Đà Nẵng. Từ thời
Trần có gốm Thiên Trường (Hà Nam Ninh) với sản phẩm bát đĩa, bình lọ phủ
men ngọc, men nâu. Từ cuối đời Trần, vào thế kỷ XIV bắt đầu hình thành
gốm Bát Tràng nổi tiếng đến ngày nay.
1.2. Khái quát về chất màu cho gốm sứ
1.2.1. Bản chất và màu sắc của khoáng vật [6, 8]
Về bản chất, chất màu cho gốm sứ là những khoáng vật tự nhiên hay

Tia t
ử

ngo
ạ
i

Không màu

400 – 435 Tím Lục vàng
435 – 480 Lam Vàng
480 – 490 Lam - lục nhạt Cam
490 – 500 Lục - lam nhạt Đỏ
500 – 560 Lục Đỏ tía
560
–

580

L
ụ
c
–

vàng

Tí
m

580 – 595 Vàng Lam

3+
, Cr
3+
, Fe
3+
, Fe
2+
Còn với các nguyên tố họ Lantanoit màu được
tạo ra thông qua sự chuyển mức năng lượng của các electron 4f như các
khoáng: monazit, xenotim, gadolinit
1.2.2.2. Sự chuyển dịch electron giữa các nguyên tố trong cùng một tinh thể
Sự chuyển dịch electron xảy ra khi các eclectron dịch chuyển giữa các
ion nằm trong một cấu trúc tinh thể. Sự chuyển điện tích có thể diễn ra từ kim
loại sang phối tử, từ phối tử sang kim loại hoặc từ kim loại sang kim loại. Về
cơ bản, quá trình này được kích hoạt bởi các tia cực tím có năng lượng cao,
nhưng do các dải hấp thụ có thể xuất hiện trong vùng khả kiến làm cho ánh
sáng truyền qua có màu.
Sự chuyển điện tích diễn ra thuận lợi khi các nguyên tố nằm cạnh nhau
trong cùng một cấu trúc tinh thể có khả năng tồn tại ở nhiều mức oxi hóa
khác nhau như: Fe
2+
và Fe
3+
, Mn
2+
và Mn
3+
, Ti
3+
và Ti

Các khoáng vật tạo màu trong tự nhiên thường có hàm lượng không cao,
lẫn nhiều tạp chất không có lợi cho quá trình tạo màu, thành phần khoáng
không ổn định làm cho việc trang trí sản phẩm gốm sứ gặp nhiều khó khăn.
Ngày nay, chất màu cho gốm sứ phải vừa đáp ứng yêu cầu trang trí, vừa có
thành phần ổn định, phải chống chịu tốt trước tác động của nhiệt độ cao cũng
như các tác động hóa học. Từ những yêu cầu khắt khe đó mà hầu hết chất
màu cho gốm sứ đều phải được điều chế theo con đường nhân tạo.
1.2.2.4. Sự chuyển mức giữa các dải năng lượng
Sự đậm màu của các khoáng sulphide và các khoáng vật khác nhau có
họ với chúng thường có cùng một cơ chế là do sự chuyển dải năng lượng
trong vùng tử ngoại hóa trị tới vùng dẫn trong tinh thể, các đỉnh hấp thụ ánh
sáng nằm trong vùng khả kiến rộng nên chúng có cường độ màu đậm.
1.2.3. Một số tiêu chuẩn để đánh giá chất màu cho gốm sứ [8, 21]
Chất màu tổng hợp cho gốm sứ phải được đánh giá theo một số tiêu
chuẩn như sau:
- Gam màu hay sắc thái màu: là tính đơn màu của màu sắc như xanh, đỏ,
tím, vàng Nó có thể được xác định dễ dàng bằng trực quan
- Tông màu: Là sự biến đổi xung quanh một đơn màu, ví dụ màu xanh
gồm xanh lục, xanh dương, xanh chàm
- Cường độ màu: Là khả năng phát màu hay sự thuần khiết của đơn màu,
nó phụ thuộc vào hàm lượng của chất màu
- Độ bền màu: Là khả năng chống chịu của chất màu trước tác động của
nhiệt độ cao, tác nhân hóa học thể hiện trên một hệ gốm sứ nào đó. Độ bền màu
được so sánh bằng cách nung mẫu ở hai nhiệt độ cách nhau từ 30
0
C đến 50
0
C

10


11Bảng 1.2. Một số mạng tinh thể nền thông dụng [8]
Tinh thể
Nhi
ệ
t đ
ộ

n
ó
ng ch
ả
y

(
0
C)
Ch
ỉ

s
ố

khúc
xạ
Spinel MgAl
2

O
3
.SiO
2
1750 1,9

1.2.6. Các nguyên tố gây màu và một số oxit gây màu phổ biến
1.2.6.1. Các nguyên tố gây màu [8]
Các nguyên tố gây màu trong khoáng vật là các dạng oxi hóa khác nhau
của các nguyên tố chuyển tiếp hoặc đất hiếm có các phân lớp d hoặc f chưa
được điền đầy đủ.
Trong tổng hợp chất màu, các kim loại chuyển tiếp hoặc đất hiếm được
đưa vào dạng oxit hoặc muối dễ phân hủy. Sự có mặt của chúng trong mạng
lưới tinh thể nền làm cho các điện tử ở phân lớp d bị suy biến, các obitan d bị
tách mức năng lượng. Điều này làm cho ánh sáng được hấp thụ một cách
chọn lọc, khoáng vật có màu.
1.2.6.2. Một số oxit tạo màu phổ biến [5, 8, 13, 15]
a) Nhôm oxit Al
2
O
3

Nhôm oxit Al
2
O
3
– bột màu trắng là oxit lưỡng tính. Nó đóng vai trò khi
là kiềm, khi là axit và sẽ trung hòa các thành phần có thừa. Có nó trong
picmen gốm sứ sẽ tăng mạnh độ bền vững ở nhiệt độ cao và các dung dịch
của men gốm sứ. Đưa vào picmen gốm sứ thường sử dụng nhôm oxit sạch,

, ở đây MeO là CaO,
BaO, SrO…còn Me
2
O là Na
2
O, K
2
O. Tất cả các aluminat đều có mạng lưới
tinh thể lục phương, có khả năng trao đổi các kim loại hóa trị I và II khi
chúng đi vào mạng lưới tinh thể. Ở nhiệt độ thích hợp - Al
2
O
3
mất đi oxit
kiềm và chuyển thành dạng - Al
2
O
3
. Sự chuyển hóa diễn ra ở các nhiệt độ
khác nhau phụ thuộc vào đặc điểm của oxit kiềm và kiềm thổ.
- Al
2
O
3
là những tinh thể gồm những ion O
2-
gói ghém chặt khít kiểu
lục phương, trong đó ion Al
3+
chiếm 2/3 hốc bát diện. Nó được tạo ra khi


làm cho những cặp electron của O
2-
có thể chiếm những obitan p và d trống
của Al
3+
. Việc chuyển electron từ O
2-
đến Al
3+
làm giảm tương tác tĩnh điện
nhưng bù lại bằng liên kết cộng hóa trị làm cho - Al
2
O
3
có độ bền cao.

13
L
ỗ

tr
ố
ng

Al
3+

, quá trình chuyển hóa giải phóng một năng lượng khoảng 7,8
kcal/mol, đồng thời kèm theo sự co thể tích khoảng 14,3. - Al
2
O
3
có khả
năng hấp thụ và hoạt tính cao hơn so với - Al
2
O
3
do có nhiều khuyết tật
trong mạng lưới tinh thể.
b) Đồng oxit
Đồng oxit hóa trị một Cu
2
O- bột tinh thể màu đỏ tươi, không tan trong
nước. Trong tự nhiên thường gặp ở dạng khoáng cuprit Cu
2
O và chancoprit
CuFeS
2
. Cu
2
O thu nhận thông thường bằng cách nung nóng chảy trực tiếp kín
hoặc bằng cách nung nóng tấm đồng trong lò nung với một lượng nhỏ không
khí.
Đồng oxit hai CuO bột hoặc là cục xốp màu đen, không tan trong nước
nhưng tan trong NH
3
tạo ra dung dịch màu xanh, dễ khử hyđro và CO

2
SO
4
đậm đặc hoặc bằng
cách cho vào H
2
SO
4
ấm có thừa oxi tự do.
c) Crôm oxit Cr
2
O
3

Là tinh thể có màu đen ánh kim, cấu trúc mạng lưới tinh thể giống với
cấu trúc của corundum, các ion oxi xếp khít lục phương còn các ion Cr
3+

chiếm 2/3 hốc mạng bát diện. Là hợp chất bền nhất của Crôm, nóng chảy ở
2265

C, sôi ở 3027

C. Nó có độ cứng tương đương với - Al
2
O
3
nên thường
dùng bột mài bóng kim loại.
Cr

O
3
làm cho men có màu xanh lục, nó còn
được dùng để chế tạo thủy tinh màu xanh.
d) Mangan (II) oxit MnO
Là một chất bột màu xám lục có mạng lưới tinh thể kiểu lập phương như
NaCl có thành phần biến đổi từ MnO đến MnO
1.5
. Các hợp chất của Mn dùng
để chế tạo màu nâu, tím, đen. Người ta sử dụng các men chứa boric, mangan
oxit cho chất màu nâu, ngoài ra người ta còn sử dụng các chất khác cùng với
MnO để làm màu hồng.
e) Kẽm oxit ZnO
Bản thân ZnO riêng rẽ không tạo màu, tuy nhiên dưới ảnh hưởng của
các chất màu lại cho màu khác nhau. Chẳng hạn, khi thêm ZnO vào men

15

crôm thì màu lục sẽ giảm dần và sẽ chuyển sang màu xám bẩn. Thêm ZnO
vào men niken sẽ cho các màu khác nhau. Nung men coban, ZnO có tác dụng
làm cho màu trong sáng và mất ánh tím. Trong men có chứa sắt, khi cho ZnO
sẽ có màu nâu đỏ. Đặc biệt trong men màu nâu đỏ của Cr
2
O
3
thì không thể
thiếu ZnO.
f) Bari oxit BaO
BaO là chất bột màu trắng, khi nấu chảy trong lò điện rồi để nguội nó ở
dạng tinh thể, BaO có cấu trúc mạng lưới lập phương giống với muối ăn.

tông màu rất sáng, nhưng về mặt hóa học và cơ học thì chúng kém bền hơn
so với các chất màu dưới men.

16

- Màu dưới men: thành phần cơ bản của màu dưới men cũng hoàn toàn
giống màu trên men. Màu được đưa lên mộc, kéo men lên trên, sau đó đem
nung.
Nhiệt độ nung cao hơn màu trên men, khoảng 1175

C - 1220

C. Khi
nung chất màu cứng lại, bám chặt vào lớp mộc và men. Màu dưới men được
lớp men trên bảo vệ nên bền trước các tác nhân cơ học, hóa học. Các chất
màu dưới men thường được phủ trực tiếp lên các sản phẩm đã nung sơ bộ
hoặc đã sấy khô, sau đó các sản phẩm này được phủ men và chúng được
nung cùng nhau. Nhờ có một lớp men bóng và trong suốt che phủ trên lớp
chất màu nên các chất màu này bám rất chặt trên bề mặt sản phẩm và có màu
rất đẹp.
Tuy nhiên chủng loại chất màu dưới men rất hạn chế, bởi chỉ có các
oxit màu của kim loại chịu đựng được nhiệt độ cao mà không bị phân hủy.
Trong chủng loại các chất màu dưới men cho gốm xốp nung ở nhiệt độ
1160

C - 1200

C không có được các tông màu rực rỡ. Còn chủng loại chất
màu dưới men cho sứ nung tới nhiệt độ 1400


là bền không bị thay đổi, có tính ổn định cao.
- Màu cho xương gạch granite: Khác với chất màu trong các loại gạch
khác, đối với gạch granite thì phối liệu màu được đưa vào trộn trực tiếp với
các phối liệu ban đầu. Các loại chất màu này có độ bền nhiệt khá tốt vì về cơ
bản xương gạch granite được nung trong khoảng nhiệt độ 1190

C - 1220

C,
chất màu cho xương granite là những tinh thể mang màu có độ tan thấp trong
pha thủy tinh nóng chảy.
1.3. Kỹ thuật tổng hợp chất màu
Theo phương pháp tổng hợp cổ điển thì các phối liệu ban đầu được trộn
kĩ với nhau sau đó đem vào máy nghiền bi khô hoặc ướt đến một cỡ hạt nhất
định nào đó biểu hiện qua độ sót sàng.
Phối liệu cho sản xuất men gốm bao gồm:
- Các oxit, các hydroxit, hay là các muối có khả năng phân hủy tạo các
oxit ở nhiệt độ cao.
- Các chất khoáng hóa được đưa vào trong quá trình tổng hợp nhằm hạ
nhiệt độ nung cần thiết và giúp đẩy nhanh quá trình tổng hợp. Trong công
nghiệp chúng ta thường sử dụng các chất khoáng hóa là các hợp chất của Bo
(acid boric, Na
2
B
4
O
7
.10H
2
O, B

ứng rất linh động, khuếch tán dễ dàng vào nhau nên phản ứng đạt trạng thái
cân bằng trong thời gian ngắn.
Phản ứng giữa các phân tử trong pha rắn xảy ra hoàn toàn khác, các
phân tử chất phản ứng nằm định vị tại các nút mạng tinh thể ban đầu nên
phản ứng chỉ xảy ra tại chỗ tiếp xúc giữa hai pha, quá trình khuếch tán diễn ra
chậm chạp, tốc độ phản ứng là rất chậm. Phản ứng diễn ra qua hai giai đoạn:
tạo mầm và phát triển mầm.
Giai đoạn tạo mầm là giai đoạn bắt đầu hình thành lớp sản phẩm phản
ứng tại biên giới tiếp xúc giữa hai pha. Giai đoạn phát triển mầm là giai đoạn
lớn dần lên của mầm tinh thể. Hai quá trình này diễn ra rất phức tạp.
Để làm sáng tỏ cơ chế phản ứng giữa các pha rắn, chúng ta xét ví dụ về
phản ứng tổng hợp spinel MgAl
2
O
4
giữa 2 oxit MgO và Al
2
O
3
:
MgO + Al
2
O
3
= MgAl
2
O
4
(1)
Tinh thể MgO và MgAl

kết cũ trong chất phản ứng, hình thành một số liên kết mới trong sản phẩm và
phân bố lại ion ở chỗ tiếp xúc. Do đặc điểm phân mạng MgAl
2
O
4
giống phân
mạng MgO nên sự hình thành sản phẩm thuận lợi hơn cho MgO. Trong khi
đó phân mạng O
2-
của Al
2
O
3
phải sắp xếp lại một ít cho phù hợp. Cation
Mg
2+
phải dịch chuyển từ hốc bát diện của MgO sang hốc tứ diện của

19

MgAl
2
O
4
còn Al
3+
đi vào vị trí mới trong tinh thể MgAl
2
O
4

trái, phải có 3 cation Mg
2+
khuếch tán sang phải. Phản ứng diễn ra như sau:
Trên bề mặt biên giới MgO/ MgAl
2
O
4
:
2Al
3+
- 3Mg
2+
+ 4MgO = MgAl
2
O
4
(2)
Trên bề mặt biên giới Al
2
O
3
/ MgAl
2
O
4
:
3Mg
2+
- 2Al
3+

Wagner. Phản ứng diễn ra ở phía phải nhanh hơn gấp 3 lần về phía trái. Điều
này có thể được kiểm chứng bằng thực nghiệm khi quan sát màu sắc các lớp
biên giới của phản ứng giữa MgO và Al
2
O
3
. Kết quả MgAl
2
O
4
tạo thành lớp

MgO

Al
2
O
3
MgO

Al
2
O
3
MgO

Al
2
O
3

Cơ chế phản ứng pha rắn này là cơ chế phản ứng tổng hợp chất nền
spinel cũng chính là cơ chế tổng hợp chất màu.
1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng giữa các pha rắn
Do đặc trưng của phản ứng tổng hợp chất màu là phản ứng pha rắn diễn
ra theo cơ chế khuếch tán ở nhiệt độ cao, nên việc tạo điều kiện cho các phân
tử chất phản ứng tiếp xúc với nhau càng tốt thì hiệu suất tổng hợp càng cao.
Quá trình tổng hợp nhiều chất màu diễn ra rất phức tạp gồm nhiều giai đoạn
như phát sinh các khuyết tật làm tơi mạng lưới tinh thể, hình thành và phân
hủy dung dịch rắn, xây dựng lại mạng lưới tinh thể nếu có quá trình biển đổi
thù hình, khuếch tán cation, kết khối và tái kết tinh giữa các chất ban đầu.
Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng: đây là yếu tố quan
trọng nhất đến tốc độ phản ứng. Nó ảnh hưởng đến khoảng cách khuếch tán
của các cấu tử phản ứng và vùng tiếp xúc giữa các chất phản ứng nên quyết
định tốc độ phản ứng và vùng tiếp xúc giữa các chất phản ứng nên quyết định
tốc độ phản ứng và khả năng phản ứng đến cùng của hệ. Do đó, trong thực
nghiệm, hỗn hợp các chất đầu thường được nghiền mịn và có thể được ép
thành khối nhằm làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng,
giúp quá trình phản ứng xảy ra thuận lợi hơn.
Ngày nay, người ta đã nghiên cứu và đưa ra nhiều phương pháp khuếch
tán chất phản ứng vào nhau để tăng vận tốc phản ứng và hạ nhiệt độ phản ứng
pha rắn. Một số phương pháp phổ biển như: phương pháp khuếch tán rắn-
lỏng, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel…
- Đặc điểm cấu trúc của các chất ban đầu: phản ứng giứa các pha rắn
được thực hiện trực tiếp giữa các chất phản ứng ở pha rắn nên cấu trúc chất
tham gia phản ứng ảnh hưởng quyết định không những đến tốc độ các chất
phản ứng mà còn ảnh hưởng đến cơ chế quá trình phản ứng. Các chất ban
đầu có cấu trúc kém bền, hoặc tinh thể có nhiều khuyết tật thì hoạt động hơn

21

, Na
2
B
4
O
7
.H
2
0, B
2
O
3
), các muối của kim loại
kiềm như K
2
CO
3,
Na
2
CO
3
.
1.4.3. Dung dịch rắn thay thế và dung dịch rắn xâm nhập [6, 2, 11]
Dung dịch rắn là pha rắn đồng thể, có cấu trúc tinh thể của tinh thể nền
(đóng vai trò dung môi). Thành phần hóa học có thể thay đổi. Nhờ vào khả

22

năng thay đổi thành phần của dung dịch rắn nên có rất nhiều ứng dụng trong
công nghiệp. Như chế các vật liệu có tính chất mong muốn, các hợp kim, các


bền. Cho đến nay, một trong những nhiệm vụ quan trọng của lĩnh vực chất
màu gốm sứ là nghiên cứu tổng hợp chất màu mới, có màu sắc đẹp, bền và có
hiệu quả thực tiễn trên cơ sở nghiên cứu các mạng tinh thể chất nền mới, có
thể mang các ion kim loại có màu.
Nguyên tắc hình thành dung dịch rắn xâm nhập: Các nguyên tử có kích
thước bé như hidro, cacbon, bo, nito… có thể chui vào các hốc trống trong
mạng lưới kim loại. Đặc biệt platin kim loại có thể hấp thụ một thể tích lớn
khí hidro để tạo thành các hidrua PdH
x
, là dung dịch rắn xâm nhập trên cơ sở
cấu trúc lập phương tâm mặt của paladi.
1.5. Chất màu trên cơ sở mạng lưới tinh thể spinel
1.5.1. Cấu trúc mạng lưới tinh thể spinel [1, 9, 14, 16, 17, 20]
Spinel là tên khoáng vật có công thức MgAl
2
O
4.
Có thể xem spinel như
hợp chất của 2 oxit: oxit bazơ của kim loại hóa trị 2 với oxit lưỡng tính của
kim loại hóa trị 3.
MgO + Al
2
O
3
→

MgAl
2
O

4
…

Mạng lưới spinel bao gồm các ion O
2-

xếp chặt lập phương tâm mặt, các
cation A
2+

và cation B
3+
được sắp xếp vào các hốc tứ diện (T) và bát diện (O)
một cách thích hợp.

24Hình 1.4 . Tế bào mạng lưới tinh thể spinel AB
2
O
4

Mỗi tế bào mạng gồm 8 phân tử AB
2
O
4
, trong đó có 32 ion O
2-
, 8 cation

3+
vào các hốc
trống là bán kính ion, cấu hình electron và năng lượng tĩnh điện của các
nguyên tố.
Đặc tính quan trọng đối với kỹ thuật của spinel là có nhiệt độ nóng chảy
cao, bền nhiệt, bền hóa…

25

1.5.2. Ứng dụng của spinel [1, 3]
1.5.2.1. Tổng hợp chất màu
Spinel là tinh thể bền nhiệt, không màu nhưng khi thay thế đồng hình
các cation trong mạng lưới spinel bằng các cation mang màu thì nó có màu
đặc trưng do cation thay thế. Chất màu loại này có độ bền nhiệt cao. Đặc tính
quan trọng này là do khả năng thay thế đồng hình các cation trong mạng lưới
spinel. Nhiên liệu để tổng hợp chất màu loại này có thể đi từ các oxit hoặc
các loại muối phân hủy nhiệt cho oxit. Để hạ nhiệt độ phản ứng có thể chuẩn
bị phối liệu theo phương pháp đồng kết tủa, đồng tạo phức…Chất khoáng
hóa thường dùng đối với loại chất này là axit boric (khoảng 2% khối lượng
của tổng khối lượng phối liệu)
Nếu ion Mg
2+
được thay thế bởi các cation M
2+
mang màu sẽ tạo ra sản
phẩm mang màu như:
- Ion Ni