Tài liệu Nghiên cứu chế tạo gốm alumina bền nhiệt độ cao

ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i TÓM TẮT LUẬN VĂN ...................................................................................................... v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................. ix MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ........................................................................ 3 1.1. Khái niệm chung về gốm ...................................................................................... 3 1.2. Phân loại sản phẩm gốm sứ .................................................................................. 3 1.2.1. Gốm silicat........................................................................................................ 3 1.2.2. Gốm đặc biệt..................................................................................................... 3 1.3. Gốm alumina ........................................................................................................ 4 1.3.1. Giới thiệu về gốm alumina ............................................................................... 4 1.3.2. Ứng dụng của gốm alumina ............................................................................. 4 1.4. Nguyên liệu sản xuất gốm alumina ...................................................................... 6 1.4.1. Oxit nhôm ......................................................................................................... 6 1.4.2. Phụ gia phân tán ............................................................................................... 9 1.4.3. Chất kết dính................................................................................................... 10 1.4.4. Chất hóa dẻo ................................................................................................... 12 1.5. Quá trình tạo hình gốm alumina ......................................................................... 13 1.5.1. Tạo hình bằng phƣơng pháp đổ rót ................................................................ 13 1.5.2. Sự tạo thành lớp điện tích kép xung quanh hạt .............................................. 16 iii 1.5.3. 1.6. Yếu tố pH và phụ gia phân tán ảnh hƣởng đến hồ gốm alumina ................... 16 Quá trình nung kết khối gốm alumina ................................................................ 18 1.6.1. Kết khối không có mặt pha lỏng .................................................................... 20 1.6.2. Kết khối có mặt pha lỏng................................................................................ 21 1.6.3. Quá trình nung gốm alumina .......................................................................... 21 1.7. Ảnh hƣởng của một số yếu tố công nghệ đến quá trình chế tạo gốm alumina .. 22 1.7.1. Ảnh hƣởng của cỡ hạt bột alumina ................................................................ 22 1.7.2. Ảnh hƣởng của các phƣơng pháp tạo hình ..................................................... 23 1.7.3. Ảnh hƣởng của các yếu tố trong quá trình thiêu kết ...................................... 23 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM......................................................................................... 24 2.1. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ thí nghiệm............................................................. 24 2.1.1. Nguyên liệu ....................................................................................................... 24 2.2. Quy trình thực nghiệm .......................................................................................... 25 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu.......................................................................................... 26 2.3.1. Xác định thành phần cỡ hạt bằng phƣơng pháp lắng Andreasen ...................... 26 2.3.2. Xác định độ nhớt của hồ .................................................................................... 27 2.3.3. Phƣơng pháp xác định trọng lƣợng riêng của gốm............................................ 27 2.2.4. Phƣơng pháp xác định độ hút nƣớc, độ xốp và trọng lƣợng thể tích ................ 28 2.3.5. Xác định độ bền uốn của mẫu gốm alumina ..................................................... 30 2.3.6. Xác định thành phần hóa bằng phƣơng pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF) ... 30 2.3.7. Xác định thành phần khoáng bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ........... 32 2.3.8. Xác định đặc trƣng hình thái vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).... 34 2.3.9. Xác định khả năng chịu ăn mòn khi tiếp xúc với kim loại lỏng nóng chảy ...... 36 Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................................... 37 iv 3.1. Xác định các đặc trƣng của α-Al2O3 ........................................................................ 37 3.2. Ảnh hƣởng của phụ gia phân tán Dolapix PC21 đến độ nhớt của hồ gốm .............. 40 3.3. Ảnh hƣởng phụ gia phân tán Dolapix PC21 đến độ ổn định của hồ gốm (slurry stability)........................................................................................................................... 42 3.4. Ảnh hƣởng của phụ gia kết dính HPMC đến độ lƣu động, khả năng tách khuôn và sự tạo bọt khí trong hồ .................................................................................................... 45 3.5. Khảo sát tốc độ bám khuôn và chiều dày mộc......................................................... 46 3.6. Khảo sát tính chất cơ lý của gốm alumina ............................................................... 47 3.7. Xác định đặc trƣng hình thái bề mặt của gốm alumina ........................................... 48 3.7. Phân tích thành phần khoáng của gốm trƣớc và sau khi tác dụng với kim loại lỏng nóng chảy ........................................................................................................................ 49 Chƣơng 4: KẾT LUẬN ..................................................................................................... 51 KIẾN NGHỊ ....................................................................................................................... 51 v TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GỐM ALUMINA BỀN NHIỆT ĐỘ CAO Học viên: Võ Thị Thu Hiền Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 8520301. Khóa: K34. Trƣờng Đại Học Bách Khoa – Đại Học Đà Nẵng Tóm tắt- Hiện nay gốm bền nhiệt độ cao đang đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo chén nung, nồi nấu chảy kim loại và các chi tiết chịu lửa khác. Đối với vật liệu gốm bền nhiệt độ cao, nguyên liệu đầu đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc quyết định tính chất sản phẩm. Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu sự ảnh hƣởng của thành phần, hàm lƣợng của một số phụ gia hữu cơ đến các đặc tính, khả năng tạo hình của hồ đổ rót cũng nhƣ khả năng chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn của gốm với hàm lƣợng oxit nhôm > 98%. Để chế tạo gốm alumina (gốm oxit nhôm) bền nhiệt độ cao chúng tôi sử dụng nguyên liệu là: α-Al2O3, phụ gia phân tán Dolapix PC21, phụ gia kết dính hydroxypropyl methycellulose và một số phụ gia khác để cải thiện khả năng tạo hình nhƣng vẫn đảm bảo tính chất kỹ thuật của sản phẩm. Sau khi nung kết khối, sản phẩm đƣợc đem đi xác định các tính chất cơ, lý, hóa, nhiệt và các đặc trƣng để đánh giá kết quả. Từ khóa- Gốm bền nhiệt độ cao, hồ đổ rót, oxit nhôm, phụ gia phân tán Dolapix PC21, phụ gia kết dính hydroxypropylmethyl cellulose. ABSTRACT SUMMARY STUDY ON CREATING HIGH TEMPERATURE ALUMINA CERAMICS Student: Võ Thị Thu Hiền Major: Chemical Engineering Code: 8520301. course: K34. Polytechnic University - University of Danang Abstract: Nowadays, high temperature ceramics are playing an important role in manufacturing crucibles, metal melting pots and other refractory materials. For high temperature ceramics, raw materials play a very important role in controlling product properties. In this thesis, we studied the influence of the composition and amount of several organic additives on the characteristics and shaping ability of the suspensions as well as on the high temperature withstanding, on corrosion resistance of the ceramic product with alumina content higher than 98%. In order to produce high temperature alumina ceramics, we used some raw materials as α-Al2O3, Dolapix PC 21 dispersant, hydroxypropyl methycellulose binder and other additives to improve the shaping ability while still ensuring the technical properties of the product. After sintering, we examined the mechanical, physical, chemical and thermal properties and some characteristics of the products. Keywords: High temperature ceramics, casting slip, alumina, Dolapix PC21 dispersant, hydroxypropylmethyl cellulose binder. vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU a Khả năng hút nƣớc của thạch cao b Chiều rộng, mm d Đƣờng kính, µm e Điện tích điện tử g Gia tốc trọng trƣờng, 9,81 m.s-2 H Độ hút nƣớc, % h Chiều cao, mm l Khoảng cách, mm m Khối lƣợng, g pHo Điểm đẳng điện pH pH của dung dịch R Bán kính hạt, nm T Nhiệt độ chuẩn, oC t Thời gian hình thành lớp mộc, phút P Lực phá hủy mẫu, F v Vận tốc lắng, m.s-1 Xh Độ xốp hở, % x Chiều dày lớp mộc bám vào khuôn, cm ρ Trọng lƣợng riêng, kg.m-3 µ Độ nhớt, Pa.s vii σu Cƣờng độ uốn, MPa CÁC CHỮ VIẾT TẮT HPMC Hydroxypropyl methyl cellulose IEP Điểm đẳng điện PMA-NH4 Polymethacylic acid-amoniac PEG Polyethylen Glycol SEM Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) XRD X-ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) XRF X-ray Fluorescense (Huỳnh quang tia X) viii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Số trang 1.1 Tính chất của các dạng thù hình oxit nhôm 7 1.2 pH tại điểm đẳng điện của một số vật liệu vô cơ 15 3.1 Thành phần hóa của α-Al2O3 (% khối lƣợng) 37 3.2 Thành phần % khối lƣợng của đoạn kích thƣớc hạt 39 3.3 Cấp phối hồ alumina theo khối lƣợng nguyên liệu và phụ gia (tính theo g) 41 3.4 Sự phụ thuộc độ nhớt của hồ vào hàm lƣợng phụ gia phân tán Dolapix PC21 41 3.5 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Dolapix PC21 đến chiều cao lắng của hồ 30% pha rắn oxit nhôm 43 3.6 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Dolapix PC21 đến chiều cao lắng của hồ 80% pha rắn oxit nhôm 44 3.7 Kết quả khảo sát đặc tính của hồ và mộc gốm alumina 46 3.8 Khảo sát chiều dày lớp mộc trong khuôn 46 3.9 Kết quả thí nghiệm đo độ hút nƣớc, độ xốp hở, khối lƣợng thể tích bằng phƣơng pháp cân thủy tĩnh 47 3.10 Tính chất cơ lý của mẫu gốm cấp phối 3 47 ix DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Một số sản phẩm chén nung bằng gốm alumina 5 1.2 Tấm lót chịu mài mòn trong máy nghiền 5 1.3 Chi tiết dẫn sợi trong dệt may 6 1.4 Cơ chế hoạt động của Dolapix PC21 10 1.5 Cấu trúc và công thức cấu tạo của HPMC 11 1.6 Biễu diễn lớp điện tích bề mặt của hạt sét trong dung môi nƣớc 16 1.7 Sự phụ thuộc của thế Zeta vào độ pH của hồ alumina 17 1.8 Đồ thị sự phụ thuộc của độ nhớt vào độ pH của hồ alumina trong nƣớc 17 1.9 Minh họa phƣơng pháp hấp phụ PAA-NH4 lên trên bề mặt hạt 18 1.10 Mô tả quá trình khuếch tán vật chất khi nung (theo Frenkel) 19 1.11 Quá trình kết khối của Al2O3 ở nhiệt độ nung 1750oC-1840oC 20 2.1 Bột α-Al2O3 24 2.2 Sơ đồ quy trình thí nghiệm 25 2.3 Đo độ nhớt hồ bằng nhớt kế Brookfield 27 2.4 Nguyên tử và các lớp electron 31 2.5 Cơ chế phát XRF 32 2.6 Sơ đồ cấu tạo thiết bị tạo ra tia X 33 2.7 Sự nhiễu xạ của tia X bởi các mặt phẳng mạng 34 x 2.8 Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử quét 35 2.9 Quy trình kiểm tra độ bền của mẫu gốm khi tiếp xúc với kim loại nóng chảy 36 3.1 Phổ đồ XRD của oxit nhôm Kaifeng 39 3.2 Ảnh SEM thể hiện hình thái học của các hạt oxit nhôm với độ phóng đại 10000 lần 39 3.3 Đƣờng cong thành phần cỡ hạt α-Al2O3 và đƣờng kính trung bình d50 của oxit nhôm thiết lập từ phƣơng pháp lắng Andreasen 41 3.4 Ảnh hƣởng của phụ gia phân tán Dolapix PC21 đến độ nhớt của hồ gốm alumina 80% 43 3.5 Ảnh hƣởng của phụ gia phân tán Dolapix PC21 đến chiều cao lắng của hồ có hàm lƣợng pha rắn 30% oxit nhôm 44 3.6 Thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng của phụ gia phân tán Dolapix PC21 đến chiều cao lắng của hồ có hàm lƣợng pha rắn là 30% oxit nhôm 45 3.7 Ảnh hƣởng của phụ gia phân tán Dolapix PC21 đến chiều cao lắng của hồ có hàm lƣợng pha rắn 30% oxit nhôm 46 3.8 Chén nung từ gốm alumina 48 3.9 Ảnh SEM thể hiện hình thái bề mặt của mẫu gốm alumina với độ phóng đại 5000 lần 49 3.10 Ảnh SEM thể hiện hình thái bề mặt của mẫu gốm sau khi bị nhôm lỏng nóng chảy tác dụng trong 2 giờ (độ phóng đại 5000 lần) 50 3.11 Phổ đồ XRD của 2 mẫu gốm alumina (màu đỏ là gốm ban đầu, màu xanh là mẫu gốm sau khi bị nhôm nóng chảy tác dụng) 51 1 MỞ ĐẦU I- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Gốm sứ thuộc loại vật liệu vô cơ không kim loại, có đặc điểm cấu trúc và phƣơng pháp công nghệ chế tạo đặc trƣng. Gốm sứ đƣợc coi là vật liệu nhân tạo đầu tiên do con ngƣời chế tạo ra, cho đến nay vẫn đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống con ngƣời. Sản phẩm gốm sứ hiện nay rất đa dạng, phong phú nhƣ: gốm trang trí, chén bát, đĩa bằng sành, sứ, sứ mỹ nghệ, gốm xây dựng, sứ điện, sứ dùng trong chế tạo máy, vật liệu mài, gốm chịu nhiệt, cách nhiệt, gốm y sinh, gốm bền cơ học, bền hóa học trong các môi trƣờng khắc nghiệt khác nhau. Hiện nay do nhu cầu dân dụng, xây dựng cũng nhƣ sự phát triển của kỹ thuật mà vật liệu gốm ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt ra đời thêm nhiều loại gốm mới với ƣu điểm vƣợt trội đang trở thành đề tài đƣợc các nhà khoa học quan tâm đặc biệt. Trong đó gốm có độ bền nhiệt cao đƣợc chế tạo trên nền oxit nhôm đang mở ra nhiều hƣớng đi mới cho các nghiên cứu chế tạo các sản phẩm ứng dụng vào kỹ thuật. Tôi mạnh dạn chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo gốm alumina bền nhiệt độ cao” nhằm đáp ứng nhu cầu các sản phẩm gốm alumina chất lƣợng cao trong hiện tại và tƣơng lai của đất nƣớc, cũng nhƣ tận dụng nguồn nguyên liệu oxit nhôm từ nhà máy alumina Tân Rai (Lâm Đồng), Nhân Cơ (Đắc Nông) khai thác nguồn quặng boxit tại khu vực Tây Nguyên hiện nay đã đi vào hoạt động. II- MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Sử dụng loại nguyên liệu oxit nhôm và loại phụ gia thích hợp, tìm ra bài phối liệu cũng nhƣ quy trình công nghệ tối ƣu để sản xuất gốm alumina bền nhiệt độ cao, đáp ứng tốt nhu cầu thực tiễn của kỹ thuật. III- ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm với quy mô phòng thí nghiệm về tính chất nguyên liệu oxit nhôm, phụ gia, nghiên cứu quá trình tạo hình cũng nhƣ tính chất cơ, lý, hóa, thành phần khoáng và vi cấu trúc của sản phẩm. IV- PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phân tích thành phần hạt oxit nhôm bằng phƣơng pháp lắng Andreasen. Xác định độ hút nƣớc, độ xốp, khối lƣợng thể tích và trọng lƣợng riêng của gốm alumina. 2 Xác định độ bền uốn của mẫu gốm alumina. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định thành phần khoáng của mẫu gốm alumina. Xác định hình thái cấu trúc bề mặt của gốm alumina bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Xác định ảnh hƣởng của phụ gia phân tán (Dolapix PC21) tới phối liệu hồ gốm alumina. Bƣớc đầu xác định khả năng chịu ăn mòn khi tiếp xúc với kim loại nóng chảy. V- Ý NGHĨA THỰC TIỄN VÀ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI a. Ý nghĩa thực tiễn Tìm ra bài phối liệu tối ƣu cho sản xuất, chế tạo sản phẩm. Khai thác và tận dụng nguồn nguyên liệu trong nƣớc, tăng hiệu quả sử dụng nguyên liệu. Đa dạng hoá, nâng tầm giá trị sản phẩm. Ứng dụng để sản xuất chén nung, khuôn đúc kim loại, các chi tiết chịu nhiệt độ cao tiếp xúc với kim loại lỏng nóng chảy. b. Ý nghĩa khoa học Đề tài góp phần làm sáng tỏ ảnh hƣởng của loại, lƣợng phụ gia đến khả năng tạo hình theo phƣơng pháp đổ rót đối với loại nguyên liệu oxit nhôm thƣờng có bề mặt trơ, khó kết khối, từ đó đƣa ra điều kiện thực hiện cũng nhƣ ƣu điểm của phƣơng pháp. 3 CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1. Khái niệm chung về gốm Gốm là một loại vật liệu vô cơ không kim loại với phƣơng pháp công nghệ chế tạo và cấu trúc đặc trƣng. Gốm có các đặc tính cơ, lý, hóa vƣợt trội cũng nhƣ phạm vi ứng dụng đặc biệt so với các vật liệu khác. 1.2. Phân loại sản phẩm gốm sứ Vật liệu gốm, theo thành phần hóa học, đƣợc chia thành hai loại: gốm truyền thống (gốm silicat) và gốm đặc biệt (gốm oxit và gốm không chứa oxi). [1] 1.2.1. Gốm silicat Là một loại vật liệu vô cơ không kim loại có cấu trúc đa tinh thể với một lƣợng pha thủy tinh nhất định. Sản phẩm đƣợc tạo hình từ các nguyên liệu silicat tự nhiên, chủ yếu là đất sét, cao lanh, sau đó đƣợc thiêu kết ở nhiệt độ cao để kết khối, có đƣợc vi cấu trúc mới và tính chất cơ, lý, hóa đạt yêu cầu sử dụng. 1.2.2. Gốm đặc biệt Bao gồm gốm oxit là loại gốm có thành phần hóa học là một đơn oxit hoặc một oxit phức; gốm không chứa oxi (non - oxide) là những vật liệu trên cơ sở các hợp chất không chứa oxi (các hợp chất giữa Si, Al, Zr, Ti… với C, N…). Gốm oxit và gốm không chứa oxi có những tính chất đặc biệt thƣờng đƣợc gọi là gốm tiên tiến. Theo tính chất và ứng dụng, gốm tiên tiến đƣợc chia thành các nhóm nhƣ gốm kết cấu (có độ bền cơ học cao), gốm điện và điện tử (có những tính chất đặc biệt về điện, tính dẫn điện, cách điện), gốm hóa học (có tính bền hóa, tính hoạt hóa), gốm y sinh (có tính tƣơng thích sinh học), gốm quang học (có tính quang điện, truyền dẫn), gốm chịu lửa (chịu đƣợc nhiệt độ cao hay cách nhiệt), gốm nhiên liệu hạt nhân, gốm xốp, gốm từ. Gốm kết cấu (structural) thuộc loại gốm tiên tiến, đƣợc chế tạo từ các oxit (oxit nhôm, zircon…), borua, nitrua, cacbua của các kim loại (nhôm, zircon…), có độ bền cơ học cao. Gốm kết cấu thƣờng đƣợc sử dụng làm vật liệu cắt gọt (Al2O3, TiC, Si3N4, SiC), vật liệu chịu mài mòn (Al2O3, Si3N4, SiC), vật liệu chịu nhiệt độ cao (SiC, Al2O3, Si3N4). 4 1.3. Gốm alumina 1.3.1. Giới thiệu về gốm alumina Trên thế giới, vật liệu bền nhiệt độ cao đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp gốm sứ, luyện kim. Gốm bền nhiệt độ cao đƣợc sử dụng để chế tạo các chi tiết chịu nhiệt độ cao và tác dụng xung nhiệt lớn. Độ bền xung nhiệt lớn sẽ giúp chống lại sự phá huỷ cấu trúc vật liệu do thay đổi nhiệt độ đột ngột trong quá trình nung và làm nguội sản phẩm, do đó sẽ làm tăng tuổi thọ của thiết bị, giảm chi phí sản xuất, nâng cao hiệu quả sản xuất, kinh doanh. Một trong những loại gốm bền nhiệt phổ thông đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực này là vật liệu gốm alumina bền nhiệt độ cao. Gốm alumina là loại gốm đơn oxit có thành phần chủ yếu là α-Al2O3. Đây là loại gốm đặc biệt với nhiều tính chất kỹ thuật ƣu việt nhƣ độ bền cơ rất cao, cách nhiệt, chịu sốc nhiệt và tính trơ hóa học tốt, loại gốm này đƣợc sử dụng nhiều trong những điều kiện làm việc đặc biệt nhƣ lót buồng máy động cơ phản lực. 1.3.2. Ứng dụng của gốm alumina Gốm alumina, tùy theo phƣơng pháp chế tạo đƣợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau. Trong đó lĩnh vực gốm kết cấu với đặc tính bền cơ, bền nhiệt, chịu mài mòn, bề mặt nhẵn mịn, chống bám dính đƣợc dùng làm chén, nồi nấu kim loại (xem hình 1.1), tấm lót cho máy nghiền (xem hình 1.2), chi tiết dẫn sợi trong ngành dệt may (xem hình 1.3), vòng đệm, ổ bi, dụng cụ cắt gọt, khuôn kéo sợi kim loại. Ngoài ra còn đƣợc dùng làm vật liệu cách điện, gốm quang học, làm cảm biến nhiệt. Đặc biệt một số sản phẩm đƣợc dùng cho những ngành công nghiệp hiện đại nhƣ máy bay, tên lửa, là loại vật liệu đƣợc dùng để lót buồng máy của động cơ phản lực, làm mũi khoan thép, ống phun lửa, lớp mạ chịu nhiệt độ cao bảo vệ kim loại cũng nhƣ dùng trong lĩnh vực y sinh đƣợc dùng thay thế xƣơng vì có tính tƣơng thích sinh học cao. 5 Hình 1.1: Một số sản phẩm chén nung bằng gốm alumina [18] Hình 1.2: Tấm lót chịu mài mòn trong máy nghiền [19] 6 Hình 1.3: Chi tiết dẫn sợi trong dệt may [19] 1.4. Nguyên liệu sản xuất gốm alumina 1.4.1. Oxit nhôm Oxit nhôm là một hợp chất hóa học của nhôm và oxi với công thức hóa học Al2O3. Nó còn đƣợc biết đến với tên gọi alumina trong cộng đồng các ngành khai khoáng, gốm sứ, và khoa học vật liệu. Oxit nhôm là chất rắn, màu trắng, không tan và không phản ứng hóa học với nƣớc. Nóng chảy ở nhiệt độ rất cao (trên 2000oC), có hệ số dãn nở nhiệt 0,063 K-1. Trong vỏ quả đất, oxit nhôm tồn tại dƣới dạng tinh thể Al2O3 khan hoặc quặng oxit nhôm không nguyên chất. Oxit nhôm có nhiều dạng thù hình, đƣợc tạo ra trong quá trình phân hủy ở những nhiệt độ khác nhau từ những loại quặng boxit khác nhau, trong đó α-Al2O3 là dạng thù hình phổ biến, có đƣợc sau khi nung chuyển hóa Al(OH)3 ở nhiệt độ trên 11500C. Những tính chất cơ bản của α-Al2O3 nhƣ sau: - Cấu trúc tinh thể ba phƣơng (rhombohedral) - Nhiệt độ nóng chảy đạt 2050oC - Trọng lƣợng riêng lý thuyết là 3,99 g/cm3 7 - Độ cứng tế vi nằm trong khoảng từ 18 đến 23 GPa - Độ bền uốn 3 điểm đạt 323 MPa - Độ bền kéo nằm trong khoảng từ 280 đến 300 MPa - Hệ số dẫn nhiệt là 28,9 W/m.k Hiện nay trên thế giới, ngƣời ta sản xuất hàng triệu tấn Al2O3 mỗi năm, hơn 90% sản lƣợng oxit nhôm đƣợc sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình điện phân để sản xuất nhôm kim loại, 10% còn lại đƣợc sử dụng trong công nghiệp hoá chất và các ngành công nghiệp khác. Oxit nhôm có 3 dạng thù hình: , , γ-Al2O3, trong đó dạng thù hình  và γ là dạng tinh khiết, dạng  chỉ tạo ra khi có mặt của tạp chất. Tính chất của các dạng thù hình oxit nhôm cho ở bảng 1.1. Bảng 1.1: Tính chất của các dạng thù hình oxit nhôm Dạng thù hình Hệ tinh thể Khối lƣợng riêng (g/cm3) Đặc tính biến đổi vì nhiệt -Al2O3 Ba nghiêng 3,98 Nóng chảy ở 2050oC -Al2O3 Sáu phƣơng 3,31 Chuyển thành α-Al2O3 ở 1600oC γ-Al2O3 Lập phƣơng 3,47-3,5 Chuyển thành α-Al2O3 ở 1200oC Ở nhiệt độ cao 1100 ÷ 1200oC, γ-Al2O3 chuyển thành α-Al2O3 có dạng bột màu trắng, cấu trúc dạng tấm. Ở nhiệt độ cao hơn (>1450oC) sẽ xảy ra quá trình kết khối, tạo ra khoáng corundum, mullite (khi có mặt SiO2). Vì vậy muốn tạo ra các khoáng có độ chịu lửa, độ bền nhiệt cao thì phải nung ở nhiệt độ 1450 ÷ 1600oC. [2] Oxit nhôm là một trong những oxit có độ ổn định cao dƣới tác dụng của nhiệt độ, ổn định cho tới nhiệt độ nóng chảy (2054 ± 6oC). So với các dạng thù hình khác, αAl2O3 có giá trị năng lƣợng tự do nhỏ nhất, năng lƣợng liên kết lớn, không bị biến đổi thù hình, những biến đổi thể tích không xảy ra khi ở nhiệt độ cao, nhờ đó quá trình nung thuận lợi hơn rất nhiều. Về mặt công nghệ gốm sứ thì điều này rất hữu ích vì giảm khả năng tạo khuyết tật cho sản phẩm. Oxit nhôm cũng là một chất cách nhiệt và cách điện tốt. Trong dạng tinh thể, nó đƣợc gọi là corundum có độ cứng cao (theo 8 thang độ cứng Mohs đạt tới 9) làm cho nó thích hợp để sử dụng nhƣ là vật liệu mài mòn và là thành phần quan trọng khi sản xuất các thiết bị cắt, gọt. Vai trò của oxit nhôm trong công nghệ sản xuất gốm sứ. Do oxit nhôm có nhiệt độ nóng chảy cao, vật liệu gốm alumina vẫn giữ đƣợc 90% độ bền ở 1100°C và đƣợc dùng để chế tạo các chi tiết có tính chịu nhiệt. Vật liệu gốm alumina nung có thể cứng hơn cacbua vonfram hay zircon và có tính chống mài mòn cực tốt do đó đƣợc dùng để chế tạo các chi tiết nghiền, dụng cụ và dao cắt, ổ bạc làm việc ở nhiệt độ cao và rất nhiều chi tiết cơ khí khác. Đối với men, thủy tinh thì oxit nhôm là oxit quan trọng thứ hai sau oxit silic, nó ngăn chặn sự kết tinh (cùng với oxit silic và các oxit trợ chảy khác) nhờ đó tạo thành thủy tinh hoặc men ổn định. Ngoài ra nó còn là yếu tố chính làm tăng độ bền cho men: tăng độ bền kéo, giảm độ giãn nở nhiệt, tăng độ cứng và tăng khả năng chống ăn mòn hóa học. Thêm oxit nhôm nói chung làm tăng nhiệt độ nóng chảy của men, ngăn chặn sự kết tinh và hóa mờ của men trong quá trình làm nguội. Oxit nhôm ngậm nƣớc nghiền thật mịn có thể cung cấp Al2O3 và cho mặt men mờ xỉn. Cao lanh, tràng thạch, nephelin syenit là những nguồn cung cấp tốt nhất, trong đó lý tƣởng nhất là cao lanh vì nó còn có ảnh hƣởng quan trọng trong quá trình tạo thành hồ. Oxit nhôm là yếu tố khống chế độ nhớt của men khi nung (vì oxit nhôm giúp hình thành những mối liên kết chặt giữa oxit trợ chảy và silica), giữ không cho men chảy loãng và chảy khỏi bề mặt phủ men. Tỉ số silica trên oxit nhôm là chỉ số chính cho biết độ bóng mặt men. Khi không có bo, tỉ số silica trên oxit nhôm nhỏ hơn 5:1 thƣờng cho mặt men khá mờ xỉn. Tỉ số lớn hơn 8:1 thƣờng cho mặt men bóng nếu không có sự hiện diện của các oxit titan, kẽm, manhê hay canxi. Oxit nhôm ngậm nƣớc có thể tạo bọt và làm đục men [3]. Các phƣơng pháp tổng hợp oxit nhôm. Oxit nhôm là loại vật liệu có ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhƣ gốm sứ, công nghệ lọc dầu. Có nhiều phƣơng pháp tổng hợp oxit nhôm. Các phƣơng pháp tổng hợp khác nhau tạo ra các oxit nhôm có cấu trúc xốp khác nhau. Trong nghiên cứu có 3 phƣơng pháp tổng hợp oxit nhôm chính: 9 + Phƣơng pháp kết tủa [2,5]: Nguồn nhôm đƣợc hòa tan trong dung dịch NaOH để tạo thành dung dịch NaAlO2. Axit hóa dung dịch này bởi dung dịch axit tạo kết tủa. Lọc rửa và sấy kết tủa thu đƣợc boehmite. Nung boehmite ở chế độ thích hợp và tạo viên ta thu đƣợc oxit nhôm. + Phƣơng pháp sol-gel [2,9]: Trƣớc tiên, nguồn nhôm alkoxide đƣợc hòa tan trong n-propanol bằng cách đun hồi lƣu trong 3 giờ. Sau đó, hỗn hợp của nƣớc, axit nitric và n-propanol đƣợc thêm từ từ vào dung dịch này cùng với việc khuấy mạnh. Gel tạo thành đƣợc già hóa trong 3 ngày, lọc hết dung môi mẫu thu đƣợc tiến hành sấy và nung, tạo viên thu đƣợc oxit nhôm. + Phƣơng pháp sol-gel sử dụng chất tạo cấu trúc [2,9]: Thực nghiệm tổng hợp theo phƣơng pháp này bao gồm các bƣớc: Đầu tiên polymer pluronic P123 đựợc hòa tan trong etanol tuyệt đối thu đƣợc dung dịch A. Điều chế dung dịch B gồm axit clohydric, etanol tuyệt đối và nhôm tri-tert-butoxide đƣợc điều chế. Sau đó 2 dung dịch đƣợc trộn lẫn với nhau và đƣợc khuấy mạnh. Sol đồng thể đƣợc già hóa, loại dung môi, sấy, nung ở nhiệt độ thích hợp thu đƣợc oxit nhôm. 1.4.2. Phụ gia phân tán Trong công nghệ sản xuất gốm sứ việc sử dụng phụ gia phân tán đối với các loại hồ là cần thiết để cải thiện một số tính công nghệ nhƣ: giảm lƣợng nƣớc cần thiết cho hồ đổ rót, tăng tính chảy, tính đồng nhất, tăng khả năng phân tán hạt rắn trong dung dịch. Có 3 cơ chế phân tán nhƣ sau: a- Lực tĩnh điện (electrostatic): đƣợc tạo nên do bề mặt tích điện của các hạt, các chất điện giải (electrolyte) tạo nên kết quả này. b- Chiếm chỗ trong không gian (steric-adsorption of neutral polymeric): do bề mặt các hạt hấp phụ các polymer không tích điện, đó là cơ chế bảo vệ keo. c- Điện không gian (electrosteric adsorption): do bề mặt các hạt hấp phụ các polymer và tích điện do phản ứng phân huỷ các polymer này, chất đa điện giải (polyelectrolyte) tạo nên hiệu ứng này. Nhƣ vậy hiệu quả phân tán của chất đa điện giải là kết quả đồng thời của tƣơng tác tĩnh điện và hình thành chƣớng ngại không gian giữa các nhóm chức của phụ gia hấp phụ lên bề mặt của hạt. 10 Đối với hồ gốm alumina ngƣời ta có thể dùng một số phụ gia phân tán (chất đa điện giải) nhƣ sau: + Muối amonium của polyacrylic acid, có tên thƣơng mại là Dolapix PC21 đƣợc mua của hãng ZSCHIMMER & SCHWARZ (CHLB Đức), đây là một tác nhân hữu cơ chống keo tụ, có tính kiềm, là chất lỏng màu vàng, tan trong nƣớc, trọng lƣợng riêng ~1,1 g/cm3, pH ~ 8,5. Phụ gia phân tán Dolapix PC21 có công thức hóa học là (C3H7NO2)n và công thức cấu tạo là [11]: Cơ chế hoạt động của phụ gia Dolapix đƣợc thể hiện trên hình 1.4. Hình 1.4: Cơ chế hoạt động của Dolapix PC21 [11] + Muối amonium của polymethacylic acid (PMA-NH4) tên thƣơng mại Darvan C có trọng lƣợng riêng 1,1 (g/cm3); pH ~ 7,5, công thức hóa học (C4H9NO2)n và công thức cấu tạo là: 1.4.3. Chất kết dính Chất kết dính đƣợc sử dụng với mục đích liên kết các hạt phối liệu với nhau khi ở trạng thái hồ hoặc mộc. Đối với gốm alumina, do oxit nhôm khi trộn với nƣớc không có tính kết dính nên khi sản xuất (đặc biệt khi hồ có hàm lƣợng Al2O3 > 95%) 11 ngƣời ta phải cho thêm vào một lƣợng chất kết dính hữu cơ để tạo nên khả năng kết dính của hồ hoặc mộc trong quá trình tạo hình. Một số phụ gia kết dính thƣờng đƣợc sử dụng trong công nghệ sản xuất gốm alumina nhƣ: + Hydroxypropylmethyl cellulose (HPMC): là một loại polymer tan tốt trong nƣớc tạo hệ keo có nguồn gốc từ cellulose, là một ether cellulose không ion đƣợc tạo ra thông qua một loạt các quá trình hóa học, trong đó cellulose polymer tự nhiên đƣợc làm nguyên liệu thô. Sản phẩm là một ether cellulose có hình dạng bột màu trắng, không mùi và không vị. Trong nƣớc lạnh, nó nở thành một dung dịch keo trong suốt hoặc hơi đục. Nó có độ dày, độ bám dính, phân tán, nhũ tƣơng hóa, tạo màng, gel hóa, hoạt động bề mặt, giữ nƣớc, cung cấp keo bảo vệ và các tính chất khác. HPMC khi sử dụng ngƣời ta quan tâm về hình thức phân tán, các hạt khi phân tán trong nƣớc sẽ trƣơng nở ra, nếu không kiểm soát sẽ tạo màng bao bọc các hạt nhỏ ngăn ngừa tiếp xúc với nƣớc, làm giảm khả năng hoạt hóa. Có 4 kỹ thuật để phân tán: 1- Phân tán trong nƣớc nóng; 2- Trộn khô rồi mới cho nƣớc vào để phân tán; 3- Phân tán trong môi trƣờng không dung môi; 4- Phân tán bột đƣợc xử lý bề mặt [7]. HPMC có công thức hóa học C12H20O10 và công thức cấu tạo nhƣ trong hình 1.5. Hình 1.5: Cấu trúc và công thức cấu tạo của HPMC [13]