Nghiên cứu tổng hợp mạng tinh thể Spinen MgAl2O4

Chia sẻ: Lâm Đức Duy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

88
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu tổng hợp mạng tinh thể Spinen MgAl2O4 trình bày: Phương pháp tổng hợp chất nền có ảnh hưởng đến chất lượng của chất màu gốm sứ. Đã tổng hợp được chất nền tinh thể spinen MgAl 2 O 4 . Đã đánh giá sự ảnh hưởng của các hỗn hợp nguyên liệu ban đầu khác nhau và hàm lượng của chất khoáng hóa đến sự hình thành sản phẩm,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu tổng hợp mạng tinh thể Spinen MgAl2O4

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MẠNG TINH THỂ SPINEN MgAl2O4 TRẦN DƯƠNG Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế PHẠM THỊ KẾT Trường THPT Hai Bà Trưng, Buôn Hồ, Daklak Tóm tắt: Phương pháp tổng hợp chất nền có ảnh hưởng đến chất lượng của chất màu gốm sứ. Đã tổng hợp được chất nền tinh thể spinen MgAl2O4. Đã đánh giá sự ảnh hưởng của các hỗn hợp nguyên liệu ban đầu khác nhau và hàm lượng của chất khoáng hóa đến sự hình thành sản phẩm. Đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ nung, thời gian lưu, lực ép viên đến quá trình tổng hợp và đã xác định được điều kiện đến sự tạo pha spinen dựa vào phổ DSC−TG và XRD. 1. MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực gốm sứ, việc sản xuất chất màu gốm sứ đóng vai trò rất quan trọng nó quyết định độ bền, tính thẩm mỹ và giá thành của sản phẩm. Đối với ngành sản xuất gốm sứ ở nước ta, chi phí tổng hợp màu cho gốm sứ là rất lớn, chiếm hơn 20% chi phí về nguyên liệu và đa số chúng vẫn nhập ngoại với giá thành cao [2], [3], [4]. Chất màu cho gốm sứ có thể được tổng hợp bằng nhiều cách, có nhiều hệ màu cho gốm, trong đó hệ màu với chất nền spinen rất được quan tâm, do tính bền nhiệt của chúng [7], [8]. Do vậy việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành chất nền spinen là một khâu rất quan trọng trong việc sản xuất chất màu gốm sứ. Trong bài báo này chúng tôi nghiên cứu việc tổng hợp chất nền spinen MgAl2O4. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nguyên liệu đầu Nguyên liệu tổng hợp chất nền spinen đi từ 3 nguyên liệu là (MgO và Al2O3); (MgO và Al(OH)3) và (4MgCO3.Mg(OH)2.5H2O và Al(OH)3). Bảng 1. Thành phần phối liệu của các mẫu Ký hiệu mẫu A1200(30) B1200(30) D1200(30) Nguyên liệu (%) 4MgCO3.Mg(OH)2.5H2O MgO 38,5 29,5 35,3 Al(OH)3 61,5 70,5 Al2O3 64,7 Chất nền spinen được tổng hợp theo sơ đồ ở hình 1. Chuẩn bị phối liệu Nghiền bi ướt Ép viên lực ép 7 tấn Nung ở to khác nhau Hình 1. Sơ đồ tổng hợp chất nền spinen Tạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Huế ISSN 1859-1612, Số 04(16)/2010: tr. 42-49 Sản phẩm NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MẠNG TINH THỂ SPINEN MgAl2O4 43 Nhằm làm giảm cấp hạt, bảo đảm độ đồng nhất của phối liệu, tăng diện tích tiếp xúc, tạo điều kiện thuận lợi cho pha rắn xảy ra phản ứng, phối liệu đã được nghiền bi ướt trong 2 giờ. Mẫu sau khi nghiền được sấy khô đến khối lượng không đổi ở 100oC. 2.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu đến quá trình tạo pha tinh thể spinen, chúng tôi tiến hành nung phối liệu A ở 1.200oC với thời gian lưu lần lượt là 30 phút (kí hiệu là A1200(30)) và 60 phút (kí hiệu là A1200(60)). Mẫu sau khi nung được tiến hành ghi giản đồ XRD. 2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đến quá trình tạo pha tinh thể spinen, chúng tôi tiến hành nung phối liệu A với thời gian lưu lần lượt là 60 phút lần lượt ở các nhiệt độ 1.100, 1.150 và 1.200oC (kí hiệu là A1100(60), 1150(60) và 1200(60)). Mẫu sau khi nung được tiến hành ghi giản đồ XRD. 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của chất khoáng hóa Để khảo sát ảnh hưởng của chất khoáng hóa đến quá trình tinh thể hóa của spinen, chúng tôi chuẩn bị 5 mẫu khảo sát. Một mẫu không có chất khoáng hóa (kí hiệu A1200(60)), các mẫu còn lại được bổ sung chất khoáng hóa H3BO3 với hàm lượng lần lượt là 0,5% (kí hiệu là AB0,5), 1,5% (kí hiệu là AB1,5), 2,0% (kí hiệu là AB2,0), 2,5% (kí hiệu là AB2,5) so với tổng khối lượng phối liệu. Thành phần phối liệu của các mẫu được trình bày ở bảng 2. Bảng 2. Thành phần phối liệu của các mẫu A1200(60); AB0,5; AB1,5; AB2,0; AB2,5 Mẫu A1200(90) AB0,5 AB1,5 AB2,0 AB2,5 Thành phần (%) theo khối lượng của phối liệu 4MgCO3.Mg(OH)2.5H2O Al(OH)3 H3BO3 38,5 61,5 0,0 38,3 61,2 0,5 38,0 60,5 1,5 37,8 60,2 2,0 37,6 59,9 2,5 Phối liệu sau khi được nghiền bi ướt, sấy ở 100oC, nung sơ bộ ở 600oC sẽ được nung ở 1.200oC, lưu 1 giờ. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát sự phân hủy nhiệt của mẫu phối liệu Để khảo sát quá trình chuyển hóa xảy ra khi nung nhằm tìm nhiệt độ nung sơ bộ và nhiệt độ nung tạo pha spinen, chúng tôi tiến hành ghi giản đồ phân tích nhiệt DTG-DSC của mẫu. Mẫu được ghi trên máy Labsys TG/DSC SETARAM (Pháp) tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội với tốc độ nâng nhiệt 10oC/phút với nhiệt độ nung cực đại là 1.000oC. 44 TRẦN DƯƠNG - PHẠM THỊ KẾT Mẫu phối liệu đem phân tích nhiệt, kết quả được ghi ở hình 2. Từ giản đồ DTG-DSC của mẫu A (hình 2), chúng tôi nhận thấy [1]: Ở nhiệt độ 335oC xuất hiện pic thu nhiệt khá lớn, lượng mất đi khi nung tương ứng khoảng 24%, theo chúng tôi đây là hiệu ứng phân hủy của nhôm hydroxit Al(OH)3 tạo nhôm metahydroxit AlO(OH). Al(OH)3 → AlO(OH) + H2O (1) Ngoài ra, ở trong khoảng nhiệt độ này có hiệu ứng thu nhiệt của sự mất nước kết tinh của 4MgCO3.Mg(OH)2.5H2O. 4MgCO3.Mg(OH)2.5H2O → 4MgCO3.Mg(OH)2 + 5H2O (2) Ở nhiệt độ 427oC xuất hiện hiệu ứng thu nhiệt thứ hai, ứng với sự phân hủy của Mg(OH)2. 4MgCO3.Mg(OH)2 → MgO + 4MgCO3 + H2O (3) o Ở nhiệt độ 504 C xuất hiện hiệu ứng thu nhiệt thứ ba ứng với sự phân hủy AlO(OH). 2AlO(OH) → Al2O3 + H2O Figure: (4) Experiment:A Crucible:PT 100 µl 14/05/2010 Procedure: RT ----> 1000C (10C.min-1) (Zone 2) Labsys TG Atmosphere:Air Mass (mg): 47.09 TG/% HeatFlow/µV dTG/% /min 0 Exo 40 30 -10 -5 Peak 1 :427.03 °C Peak 2 :504.94 °C 20 -10 10 Peak :335.76 °C -60 0 -15 -10 Mass variation: -24.48 % -20 -20 -110 Mass variation: -7.21 % -30 -25 Mass variation: -12.15 % -40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Furnace temperature /°C Hình 2. Giản đồ DTG-DSC của mẫu A1200(30) Từ kết quả phân tích nhiệt chúng tôi nhận thấy ở nhiệt độ 550-600oC, phối liệu đã phân hủy hoàn toàn thành các oxit MgO và Al2O3 mới sinh có hoạt tính cao. Do vậy chúng tôi chọn nhiệt độ nung sơ bộ của phối liệu là 600oC nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng sau này. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MẠNG TINH THỂ SPINEN MgAl2O4 45 Nhiệt độ nung tạo pha spinen có lẽ phải lớn hơn 1.000oC bởi vì trên đường DSC không thấy xuất hiện hiệu ứng tỏa nhiệt rõ ràng trong khoảng nhiệt độ từ 900-1.000oC. Do vậy chúng tôi chọn nhiệt độ nung tạo pha spinen hơn 1.000oC. Để khảo sát ảnh hưởng của dạng nguyên liệu ban đầu đến sự tạo pha spinen chúng tôi tiến hành hoạt hóa nhiệt bằng cách nung sơ bộ các mẫu ở 600oC trong 1 giờ. Phối liệu sau khi hoạt hóa nhiệt được được ép viên hình đĩa với đường kính (Ф) bằng 30mm, chiều dày (h) bằng 3mm với lực nén lớn hơn 6 tấn trên máy ép thủy lực DANIR (Đan Mạch) tại khoa Vật lý – trường Đại học Khoa học – Đại học Huế. Mẫu được nung thiêu kết ở 1.200oC, tốc độ nâng nhiệt là 20oC/phút, thời gian lưu nhiệt là 30 phút trong lò điện (Lenton, Anh) ở phòng Hóa học ứng dụng, Khoa Hóa, trường Đại học Khoa học - Huế. Để xác định thành phần pha tinh thể của mẫu sau khi nung, chúng tôi tiến hành ghi giản đồ XRD của mẫu. Mẫu được ghi trên máy D8 Advance BRUCKER (Đức) với Cu-Kα λ= 1,54056 (Å), tại khoa Hóa Học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội. Kết quả được trình bày ở hình 3. C: Corundum (α-Al2O3) S: Spinen (MgAl2O4) S S S S C S C êng ®é nhiÔu x¹ (Cps) S C S A1200(30) B1200(30) D1200(30) 20 30 40 50 60 70 Gãc nhiÔu x¹ (2θ) Hình 3. Giản đồ XRD của các mẫu A1200(30), B1200(30), D1200(30) Từ hình 3, chúng tôi nhận thấy thành phần pha tinh thể của mẫu B, D đa pha hơn so với mẫu A, cường độ pic nhiễu xạ của spinen trên mẫu A cao hơn B và D, chứng tỏ phản ứng đi từ 4MgCO3.Mg(OH)2.5H2O và Al(OH)3 xảy ra thuận lợi hơn so với đi từ bruxit (MgO) và Al(OH)3 hay đi từ Al2O3 và bruxit (MgO) [9]. Kết luận về nguyên liệu đầu Qua giản đồ XRD của các mẫu A1200(30), B1200(30), D1200(30) ta có nhận xét: 46 TRẦN DƯƠNG - PHẠM THỊ KẾT Al2O3 và MgO mới sinh có độ hoạt tính cao nên phản ứng tạo pha spinen xảy ra thuận lợi hơn nhiều so với nguyên liệu đầu là bruxite (MgO). Vì α-Al2O3 có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh, hoạt tính kém hơn α-Al2O3 mới tạo thành. Với những nhận xét trên thì nguyên liệu ban đầu thích hợp của magie và nhôm dùng để tổng hợp spinen là 4MgCO3.Mg(OH)2.5H2O và Al(OH)3. Từ kết quả nghiên cứu, chúng tôi chọn 4MgCO3.Mg(OH)2.5H2O và Al(OH)3 làm nguyên liệu đầu để tổng hợp spinen theo phương pháp gốm truyền thống. 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu Để khảo sát ảnh hưởng của thời gian lưu đến quá trình tạo pha tinh thể spinen, chúng tôi tiến hành nung phối liệu A ở 1.200oC với thời gian lưu lần lượt là 30 phút (kí hiệu là A1200(30)) và 60 phút (kí hiệu là A1200(60)). Mẫu sau khi nung được tiến hành ghi giản đồ XRD. Giản đồ XRD và các đặc trưng phổ XRD của các mẫu khảo sát trình bày ở hình 4. S: spinen (MgAl2O4) C:corundum (α-Al2O3) C êng ®é nhiÔu x¹ (Cps) S S S S S S C C A1200(60) A1200(30) 20 30 40 50 Gãc nhiÔu x¹ (2θ) 60 70 Hình 4. Giản đồ XRD của mẫu A1200(30) và A1200(60) Từ kết quả ghi giản đồ XRD, chúng tôi nhận thấy rằng: Ở cùng nhiệt độ nung 1.200oC, khi tăng thời gian lưu từ 30 phút lên 60 phút: cường độ pic nhiễu xạ tăng, các pic sắc nhọn hơn. Chứng tỏ quá trình tinh thể hóa spinen xảy ra mãnh liệt và dần hoàn chỉnh mạng lưới tinh thể. Tuy nhiên thành phần pha của mẫu sau khi nung ở 1.200 oC và lưu 1 giờ vẫn còn một lượng nhỏ α-Al2O3, chứng tỏ phản ứng vẫn chưa triệt để. Điều này một lần nữa khẳng định mức độ tinh thể hóa của spinen phụ thuộc rất lớn vào thời gian lưu. Như vậy thời gian lưu thích hợp để tổng hợp spinen theo phương pháp gốm truyền thống là 60 phút.