Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng polyme phốt phát nhôm trong chế tạo vật liệu dùng cho xây dựng

NGUYÔN NgäC giang bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi --------------------------------------- NGuyÔn NGäC giang Ngµnh CN HãA HäC Nghiªn cøu øng dông polyme phèt ph¸t nh«m trong chÕ t¹o vËt liÖu dïng cho x©y dùng luËn v¨n th¹c sÜ NgµNH C¤NG NGHÖ HãA HäC Kho¸ 07 - 09 Hµ Néi - 2009 bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi --------------------------------------NGUYÔN NgäC giang Nghiªn cøu øng dông polyme phèt ph¸t nh«m trong chÕ t¹o vËt liÖu dïng cho x©y dùng luËn v¨n th¹c sÜ NgµNH C¤NG NGHÖ HãA HäC ng­êi h­íng dÉn khoa häc : ts. La thÕ vinh Hµ Néi - 2009 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của của bản thân tôi, các số liệu và kết quả được đưa trong trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và không sao chép ở bất kỳ tài liệu khoa học nào. Tác giả Nguyễn Ngọc giang LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân thành cám ơn TS. La Thế Vinh, người đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Nhân đây tôi cũng xin trân trọng cám ơn tới tập thể các thầy, các cô trong Bộ môn Công nghệ Các chất vô cơ - Khoa Công nghệ Hóa học - Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Nhân đây, tôi xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các thầy cô giáo tại Viện Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu cũng như thực hiện đề tài tốt nghiệp. Tôi xin cảm ơn tới các bạn đồng nghiệp, các anh chị trong khóa học 2007 - 2009 đã luôn sát cánh cùng tôi, giúp đỡ nhau trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày 09 tháng 11 năm 2009 Nguyễn Ngọc Giang MỤC LỤC Trang Më ®Çu 8 PhÇn I Tæng quan 9 1.1 Vai trß vµ sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ vËt liÖu 9 1.1.1 Vai trß cña c«ng nghÖ vËt liÖu ........................................................ 9 1.1.2 Sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ vËt liÖu ............................................... 9 1.2 VËt liÖu x©y dùng. VÊn ®Ò vÒ vËt liÖu míi 11 1.2.1 VËt liÖu vµ ho¸ phÈm x©y dùng .................................................... 11 1.3 Polyme v« c¬. §Þnh híng sö dông Polyme v« c¬ vµ mét sè kho¸ng chÊt cho tæng hîp vËt liÖu 14 1.3.1 Giíi thiÖu vÒ Polyme v« c¬ ........................................................... 14 1.3.2 TÝnh chÊt cña Polyme v« c¬ .......................................................... 21 1.3.3 C¸c øng dông cña Polyme v« c¬................................................... 26 1.3.4 Polyme trªn c¬ së photpho-oxy-nh«m.......................................... 27 1.3.5 Thµnh phÇn cÊu tróc hÖ Polyme.................................................... 48 1.3.6 §Þnh híng sö dông Polyme v« c¬ vµ mét sè kho¸ng chÊt cho tæng hîp vËt liÖu v« c¬ ...................................................................................... 50 PhÇn II: C¸c ph¬ng ph¸p nghiªn cøu vµthùc nghiÖm 53 2.1. ph¬ng ph¸p ph©n tÝch phæ hång ngo¹i (IR) 53 2.1.1. C¬ së cña ph¬ng ph¸p ................................................................... 53 2.1.2. §iÒu kiÖn hÊp thô bøc x¹ hång ngo¹i ........................................... 53 2.2. Ph¬ng ph¸p ph©n tÝch thÓ tÝch 54 2.2.1. Ph©n tÝch AL2 O3 trong kho¸ng ................................................... 54 2.2.2. Ph©n tÝch Na2O.............................................................................. 55 2.2.3. Ph©n tÝch CaO ............................................................................... 56 2.2.4. Ph©n tÝch Fe2O3 ............................................................................. 57 2.2.5. X¸c ®Þnh hµm lîng Ti4+................................................................. 58 2.2.6. Ph©n tÝch CaO trong muèi CaCl2 .................................................. 58 2.3. Ph¬ng ph¸p ph©n tÝch khèi lîng x¸c ®Þnh SiO2 58 2.3.1. Nguyªn t¾c .................................................................................... 58 2.3.2. Dung dÞch chuÈn bÞ ....................................................................... 59 2.3.3. Ph¬ng ph¸p tiÕn hµnh.................................................................... 59 2.4. Ph¬ng ph¸p nhiÔu x¹ tia X 59 2.5. Qu¸ tr×nh t¹o mÉu 60 2.5.1. ChuÈn bÞ nguyªn liÖu .................................................................... 60 2.5.2. Ph©n tÝch nguyªn liÖu ................................................................... 61 2.5.3. KiÓm tra kh¶ n¨ng kÕt dÝnh t¹o h×nh vµ ®ãng r¾n......................... 61 2.5.4. Kh¶o s¸t ¶nh hëng cña mét sè phô gia tíi thêi gian ®ãng r¾n vµ ®é cøng. ...................................................................................................... 61 2.5.5. KiÓm tra ¶nh hëng cña chÊt ®én c¸t th¹ch anh ............................. 61 2.5.6. T¹o mÉu kiÓm tra lo¹i kh«ng nung ............................................... 61 2.5.7. T¹o mÉu kiÓm tra lo¹i nung .......................................................... 62 2.5.8. Kh¶o s¸t kh¶ n¨ng chÞu níc, chÞu mÆn, chÞu axit ......................... 62 1.4 Ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh cêng ®é nÐn cña c¸c mÉu62 PhÇn III: KÕt qu¶ nghiªn cøu vµ th¶o luËn 64 3.1. KÕt qu¶ ph©n tÝch mÉu nguyªn liÖu 64 3.1.1. KÕt qu¶ ph©n tÝch mÉu M1 vµ M2 theo ph¬ng ph¸p nhiÔu x¹ tia X . 64 3.1.2. KÕt qu¶ ph©n tÝch thµnh phÇn ho¸ häc.......................................... 65 3.2. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm kiÓm tra 65 3.2.1. KÕt qu¶ kiÓm tra kh¶ n¨ng kÕt dÝnh vµ ®ãng r¾n mÉu .................. 65 3.2.2. KÕt qu¶ kh¶o s¸t sù cã mÆt cña mét sè phô gia ............................ 65 3.2.3. ¶nh hëng cña chÊt ®én c¸t th¹ch anh ........................................... 66 3.2.4. KÕt qu¶ t¹o mÉu kiÓm tra lo¹i kh«ng nung .................................. 66 3.2.5. KÕt qu¶ kiÓm tra t¹o mÉu lo¹i nung.............................................. 66 3.2.6. KÕt qu¶ ®o cêng ®é chÞu nÐn ........................................................ 67 3.2.7. KÕt qu¶ ph©n tÝch XRD mét sè mÉu s¶n phÈm ............................ 76 3.2.8. KÕt qu¶ ph©n tÝch hång ngo¹i (IR) ............................................... 79 PhÇn iV KÕt luËn 82 PhÇn V kiÕn nghÞ 83 C¸c tµi liÖu tham kh¶o 84 Danh môc c¸c b¶ng trong luËn v¨n STT Bảng Nội dung 1 B¶ng 1.1 Nh÷ng nguyªn tè t¹o Polyme ®ång nhÊt 14 2 B¶ng 1.2 Nh÷ng nguyªn tè t¹o Polyme kh«ng ®ång nhÊt 14 3 B¶ng 1.3 N¨ng l­îng liªn kÕt cña mét sè Polyme ®ång nhÊt 15 4 B¶ng 1.4 N¨ng l­îng liªn kÕt cña mét sè Polyme kh«ng ®ång nhÊt 15 5 B¶ng 1.5 C¸c ®¬n vÞ lÆp l¹i trong m¹ch Polyme photphat nh«m 37 6 B¶ng 3.1 KÕt qu¶ ®o bé mÉu 1 65 7 B¶ng 3.2 KÕt qu¶ ®o bé mÉu 2 67 8 B¶ng 3.3 KÕt qu¶ ®o bé mÉu 3 68 9 B¶ng 3.4 KÕt qu¶ ®o bé mÉu 4 69 10 B¶ng 3.5 KÕt qu¶ ®o bé mÉu 5 70 11 B¶ng 3.6 KÕt qu¶ ®o bé mÉu 6 71 12 B¶ng 3.7 KÕt qu¶ ®o bé mÉu 7 72 13 B¶ng 3.8 KÕt qu¶ ®o bé mÉu 8 73 Trang Danh môc c¸c h×nh trong luËn v¨n Nội dung STT Hình Trang 1 H×nh 1.1 CÊu tróc Polyme photphat nh«m 27 2 H×nh 1.2 Sù biÕn ®æi m¹ch c¬ së khi thuû ph©n 31 3 H×nh 1.3 ­íc tiÕp theo trong qu¸ tr×nh thuû ph©n vµ biÕn ®æi m¹ch c¬ së 33 4 H×nh 1.4 C¸c kiÓu më réng cña m¹ch Polyme tõ h×nh 1.2 34 5 H×nh 1.5 C¸c d¹ng kh¸c nhau cña sù ph¸t triÓn m¹ch 35 6 H×nh 1.6 C¸c d¹ng kh¸c nhau cña sù ph¸t triÓn m¹ch 36 7 H×nh 1.7 Sù biÕn ®æi cÊu tróc tõ AlPO4-5 (a) sang AlPO4-8 (b) 39 8 H×nh 1.8 Sù biÕn ®æi cÊu tróc tõ AlPO4-C (a) sang AlPO4-D (b) 39 9 H×nh 1.9 Qu¸ tr×nh t¹o cÊu tróc mµng AlPO4 -5 41 10 H×nh 1.10 CÊu tróc cña [Al3P4O16]3- tõ c¸c vßng 6 c¹nh. 43 11 H×nh 1.11 Qu¸ tr×nh ng­ng tô m¾t xÝch ®Ó t¹o cÊu tróc d¹ng khung 44 12 H×nh 1.12 Qu¸ tr×nh h×nh thµnh cÊu tróc d¹ng khung víi c¸c vßng 8 c¹nh bÞ xo¾n (bªn ph¶i) tõ c¸c d¹ng m¹ch hë. 45 13 H×nh 1.13 CÊu tróc cña AlPO4 46 14 H×nh 1.14 Gi¶n ®å phæ hång ngo¹i cña mÉu Polyme photphat nh«m 46 15 H×nh 1.15 XRD cña mét sè mÉu Polyme photphat nhom víi tû lÖ P:Al kh¸c nhau. 47 16 H×nh 3.1 Phæ XRD mÉu M1 62 17 H×nh 3.2 KÕt qu¶ X-ray mÉu M2 62 18 H×nh 3.3 Quan hÖ c­êng ®é nÐn vµ tuæi cña mÉu M1 víi keo 21 66 19 H×nh 3.4 Quan hÖ c­êng ®é nÐn vµ tuæi cña mÉu M1 víi keo 11 67 20 H×nh 3.5 Quan hÖ c­êng ®é nÐn vµ tuæi cña mÉu cã c¸t th¹ch anh víi Keo 2-1 68 21 H×nh 3.6 Quan hÖ c­êng ®é nÐn vµ tuæi cña mÉu cã c¸t th¹ch anh víi Keo 1-1 69 22 H×nh 3.7 Quan hÖ c­êng ®é nÐn vµ thêi gian nung cña M1 víi keo 2-1 70 23 H×nh 3.8 Quan hÖ c­êng ®é nÐn vµ thêi gian nung cña M1 víi keo 1-1 71 24 H×nh 3.9 Quan hÖ c­êng ®é nÐn vµ nhiÖt ®é nung cña M1 víi keo 2-1 72 25 H×nh 3.10 Quan hÖ c­êng ®é nÐn vµ nhiÖt ®é nung cña M1 víi keo 2-1 73 26 H×nh 3.11 Gi¶n ®å chôp phæ XRD mÉu 9 74 27 H×nh 3.12 Gi¶n ®é chôp phæ XRD mÉu N2-6 75 28 H×nh 3.13 Gi¶n ®é chôp phæ XRD mÉu N2-7 75 29 H×nh 3.14 Gi¶n ®é chôp phæ XRD cña 3 mÉu xÕp chång 76 30 H×nh 3.15 Gi¶n ®å phæ hång ngo¹i cña mÉu 9 77 31 H×nh 3.16 Gi¶n ®å phæ hång ngo¹i cña mÉu N2-7 77 31 H×nh 3.17 Gi¶n ®å phæ hång ngo¹i cña Polyme photphat - nh«m 78 Më ®Çu Ngµy nay, cïng víi sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña khoa häc, khoa häc vËt liÖu ®· lµm thay ®æi c¸ch nhËn thøc vµ ®êi sèng con ng­êi. ThËt vËy, mçi b­íc tiÕn cña c«ng nghÖ vËt liÖu lu«n lµ ®éng lùc cho sù ph¸t triÓn chung cña khoa häc kü thuËt. Sù ra ®êi cña lo¹i vËt liÖu lu«n t¹o ®éng lùc cho c¸c h­íng nghiªn cøu khoa häc. ChÝnh v× vËy con ng­êi kh«ng ngõng hoµn thiÖn, c¶i tiÕn vËt liÖu vµ t×m kiÕm vËt liÖu míi. Trong ®ã viÖc nghiªn cøu t×m ra c¸c lo¹i vËt liÖu míi lu«n lµ môc tiªu mòi nhän cña nhµ khoa häc vµ c«ng nghÖ vËt liÖu. C¸c lo¹i nguyªn liÖu míi, hay c¸c ph­¬ng thøc s¶n xuÊt míi ra ®êi cã ý nghÜa rÊt lín, bëi c¸c ph­¬ng thøc truyÒn thèng trë lªn h¹n chÕ. Tµi nguyªn trªn tr¸i ®Êt chØ cã giíi h¹n, mét khi ®Êt n­íc ph¸t triÓn viÖc sö dông nguån tµi nguyªn sÏ nhiÒu h¬n, khi ®ã dÉn ®Õn viÖc khan hiÕm vÒ tµi nguyªn nãi chung vµ vÒ vËt liÖu sö dông trong x©y dùng nãi riªng ®· trë thµnh mét vÊn ®Ò rÊt ®¸ng quan t©m. ViÖc “Nghiªn cøu øng dông polyme phèt ph¸t nh«m trong chÕ t¹o vËt liÖu dïng cho x©y dùng” nh»m t×m ra c¸c ph­¬ng ph¸p chÕ t¹o vËt liÖu míi vµ cã nh÷ng nguyªn liÖu míi cho vËt liÖu x©y dùng sÏ lµ nhiÖm vô hÕt søc cÇn thiÕt. Víi nhiÖm vô cña b¶n ®å ¸n nµy sÏ tËp trung vµo viÖc nghiªn cøu sö dông nguån nguyªn liÖu kho¸ng cã trong ®Êt ®åi, vµ c¸c tÝnh chÊt Polyme photphat nh«m, kh¶o s¸t vµ t×m ra c¸ch tæng hîp lo¹i vËt liÖu v« c¬ sö dông cho x©y dùng. PhÇn I Tæng quan 1.1 Vai trß vµ sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ vËt liÖu 1.1.1 Vai trß cña c«ng nghÖ vËt liÖu Cã thÓ nãi, vËt liÖu ®ãng mét vai trß quan träng trong sù ph¸t triÓn cña nh©n lo¹i. N¬i nµo xuÊt hiÖn sù sèng con ng­êi, th× kÌm theo ®ã lµ sù xuÊt hiÖn cña vËt liÖu. VËt liÖu cã mÆt trong hÇu hÕt nh÷ng n¬i cã con ngõ¬i sinh sèng vµ lµm viÖc, tøc lµ trong c¶ sinh ho¹t hµng ngµy, trong s¶n xuÊt, c«ng nghiÖp vµ khoa häc kü thuËt Trong ®êi sèng, gÇn gòi nhÊt bªn c¹nh ta ®ã lµ c¸c vËt liÖu t¹o ra vËt dông sinh ho¹t hµng ngµy, c«ng cô lao ®éng hay vËt liÖu ®Ó lµm nhµ ë, lµm c¸c c«ng tr×nh giao th«ng, thuû lîi.... Trong c«ng nghiÖp, khoa häc kü thuËt kh¸c th× vËt liÖu còng ®­îc sö dông ®Ó t¹o ra c¸c thiÕt bÞ s¶n xuÊt c«ng nghiÖp, c¸c chi tiÕt m¸y mãc, hay vËt liÖu ®Ó x©y dùng nhµ x­ëng. C¸c lo¹i vËt liÖu b¶o vÖ chi tiÕt m¸y mãc, ®å vËt... Cßn rÊt nhiÒu øng dông kh¸c cña vËt liÖu nh­ c¸c vËt liÖu sö dông trong y häc, c¸c vËt liÖu tÝnh n¨ng cao sö dông lµm c¸c cÊu kiÖn ®iÖn tö... Víi nh÷ng øng dông réng r·i nh­ vËy, th× ngµnh khoa häc c«ng nghÖ vËt liÖu thùc sù ®· n¾m gi÷ mét vÞ trÝ quan träng trong ®êi sèng, cã ¶nh h­ëng m¹nh mÏ ®Õn c¸c ngµnh khoa häc kü thuËt kh¸c còng nh­ ®Õn c¸c qu¸ tr×nh s¶n xuÊt c«ng nghiÖp. 1.1.2 Sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ vËt liÖu Ngµy nay, ®êi sèng vµ nhu cÇu cña con ng­êi ngµy mét cao h¬n. Vµ c¸c ngµnh khoa häc c«ng nghÖ còng ph¸t triÓn m¹nh mÏ h¬n. §iÒu nµy còng dÉn ®Õn nh÷ng ®ßi hái vÒ nh÷ng lo¹i vËt liÖu ph¶i cã ®­îc nh÷ng tÝnh n¨ng ®¸p øng ®­îc yªu cÇu c«ng nghÖ ®Æt ra, hay nh÷ng nhu cÇu thÞ hiÕu cña ®êi sèng con ng­êi. ChÝnh v× vËy, c¸c nhµ khoa häc vÒ vËt liÖu ®· kh«ng ngõng nghiªn cøu, t×m ra c¸c lo¹i vËt liÖu ®Ó ®­a cuéc sèng con ng­êi vµ c¸c ngµnh khoa häc kü thuËt kh¸c ngµy mét ph¸t triÓn h¬n. C¸c s¶n phÈm míi, ®¸p øng yªu cÇu cña cuéc sèng, cña khoa häc kü thuËt ngµy cµng xuÊt hiÖn nhiÒu h¬n. Cô thÓ nh­ sù cã mÆt cña c¸c s¶n phÈm mü nghÖ cao cÊp, vËt liÖu x©y dùng cã c¸c tÝnh chÊt ®Æc biÖt nh­ c¸ch ©m, c¸ch nhiÖt, chÞu ¸p, chÞu löa, chÞu axit, chÞu mÆn... hay c¸c vËt liÖu cã tÝnh th©n thiÖn víi m«i tr­êng, vËt liÖu siªu dÉn, siªu nhÑ, c¸ch ®iÖn... Trªn nhiÒu trang b¸o hay t¹p chÝ ®· thÊy xuÊt hiÖn nh÷ng th«ng tin vÒ c¸c s¶n phÈm khoa häc cña ngµnh khoa häc vËt liÖu ®­îc øng dông trong nhiÒu ngµnh, vÝ dô nh­ vËt liÖu cacbon dïng ®Ó thay x­¬ng trong y häc, lo¹i x­¬ng nh©n t¹o nµy cã thÓ cÊy ghÐp vµo c¬ thÓ ng­êi thay thÕ nh÷ng phÇn bÞ g·y, mÊt, viÖc nµy cã ý nghÜa v« cïng quan träng bëi gióp cho c¸c bÖnh nh©n tr¸nh ®­îc viÖc lÊy x­¬ng ë nh÷ng phÇn kh¸c trªn c¬ thÓ thay thÕ võa g©y ®au ®ín, l¹i ®Ó l¹i khuyÕt tËt. Hay s¶n phÈm Polyme blend, ®­îc sö dông trong ngµnh ®­êng s¾t, thay thÕ cho c¸c chi tiÕt lµm b»ng kim lo¹i dÔ bÞ rØ sÐt, khã kh¨n cho viÖc söa ch÷a vµ b¶o d­ìng. HoÆc s¶n phÈm d¹ng gel cã t¸c dông nh­ mét mµng läc ph©n tö, chØ cÇn vµi cm khèi vËt liÖu nµy, cã thÓ tr¶i ra trªn bÒ mÆt n­íc réng b»ng c¶ mét s©n bãng ®¸, vËt liÖu läc nµy cã thÓ hót ®­îc c¸c kim lo¹i nÆng nh­ ch×, thuû ng©n....trªn ®©y chØ lµ mét sè vÝ dô, trong sè rÊt nhiÒu c¸c thµnh tùu cña khoa häc vËt liÖu. Nh­ vËy, song song víi sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña khoa häc kü thuËt nãi chung, trªn ®µ ph¸t triÓn chung cña nh©n lo¹i, ngµnh khoa häc c«ng nghÖ vËt liÖu còng cã nh÷ng b­íc tiÕn m¹nh mÏ, ®¹t ®­îc thµnh tùu quan träng, gãp phÇn thóc ®Èy sù ph¸t triÓn cña c¸c ngµnh kh¸c.Víi ®µ ph¸t triÓn kh«ng ngõng cña khoa häc kü thuËt, nhu cÇu ngµy mét t¨ng cao cña ®êi sèng, th× nhiÖm vô ®Æt ra ®èi víi ngµnh khoa häc c«ng nghÖ v¹t liÖu ngµy cµng cÊp thiÕt h¬n. 1.2 VËt liÖu x©y dùng. VÊn ®Ò vÒ vËt liÖu míi 1.2.1 VËt liÖu vµ ho¸ phÈm x©y dùng VÊn ®Ò vÒ vËt liÖu vµ ho¸ phÈm x©y dùng lµ mét vÊn ®Ò quan träng ®i víi ngµnh kiÕn tróc vµ x©y dùng. Yªu cÇu ®èi víi vËt liÖu x©y dùng tr­íc hÕt lµ ph¶i cã ®é bÒn c¬ häc, cã kh¶ n¨ng chèng chÞu tèt tr­íc nh÷ng ®iÒu kiÖn kh¾c nghiÖt cña m«i tr­êng. §ång thêi, vËt liÖu x©y dùng ph¶i t¹o nªn m«i tr­êng v× khÝ hËu thÝch hîp cho con ng­êi, ®ã lµ kh¶ n¨ng c¸ch nhiÖt, c¸ch ©m, chèng nãng, l¹nh, chèng nÊm mèc rªu... ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn sèng tèt, h¹n chÕ tèi ®a viÖc sö dông c¸c n¨ng l­îng nh©n t¹o (®iÒu hoµ nhiÑt ®é, qu¹t m¸y, lß s­ëi.. VËt liÖu x©y dùng, theo thêi gian ngµy cµng ®­îc c¶i thiÖn vµ ph¸t triÓn ®¸ng kÓ, nh»m phï hîp víi kiÕn tróc hiÖn ®¹i. Tõ nh÷ng vËt liÖu d©n gian tr­íc ®©y nh­ r¬m trén bïn ®Êt, t­êng tr×nh dÇn ®­îc thay thÕ b»ng g¹ch xØ v«i, v÷a toocxi, råi ®Õn g¹ch ®Æc, ngãi mòi hµi s¶n xuÊt thñ c«ng, thay thÕ bëi g¹ch lç, tÊm lîp ngãi t©y. C¸c vËt liÖu kÕt cÊu hiÖn ®¹i ngµy nay nh­ bª t«ng cèt thÐp, thÐp x©y dùng ®· thay thÕ dÇn cho c¸c vËt liÖu tù nhiªn hoÆc nh©n t¹o hoÆc ®¬n gi¶n trong kÕt cÊu chÞu lùc chÝnh, còng nh­ c¸c cÊu kiÖn bao che. Tuy nhiªn, c¸c vËt liÖu nµy còng cßn cÇn ph¶i c¶i tiÕn rÊt nhiÒu, ®Ó ®¸p øng nh÷ng yªu cÇu ®Æc biÖt cña kiÕn tróc. Víi c¸c vËt liÖu dïng trong x©y dùng c¸c c«ng tr×nh giao th«ng, cÇn ph¶i cã kh¶ n¨ng chÞu lùc nÐn ¸p cao, vµ tÝnh bÒn trong c¸c ®iÒu kiÖn thêi tiÕt nh­ n¾ng, m­a, nãng l¹nh... Nh»m gi¶i quyÕt vÊn ®Ò n©ng cao tÝnh n¨ng cho vËt liÖu, c¸c nghiªn cøu vÒ vËt liÖu tËp trung cho c¸c h­íng sau: 1.2.1.1 VËt liÖu c¸ch nhiÖt: Toµn bé bøc x¹ mÆt trêi, khi chiÕu xuèng c«ng tr×nh x©y dùng, phÇn ®i qua t­êng chiÕm tØ lÖ lín nhÊt (kho¶ng 34%), tiÕp ®ã lµ phÇn qua m¸i nhµ (kho¶ng 27%). L­îng nhiÖt nµy sÏ lµm nãng kh«ng khÝ bªn trong nhµ. Cßn vµo mïa l¹nh, nhiÖt tõ trong nhµ sÏ bÞ thÊt tho¸t ra bªn ngoµi. Do ®Æc ®iÓm trªn, vËt liÖu ®Ó lµm t­êng bao , m¸i che nªn sö dông c¸c lo¹i vËt liÖu c¸ch nhiÖt tèt. NÕu sö dông c¸c lo¹i vËt liÖu ®Æc nh­ bª t«ng nÆng (cèt thÐp), g¹ch, ®¸...sÏ dÔ g©y hiÖu øng khèi nhiÖt, lµm kh«ng khÝ trong nhµ oi bøc, ngét ng¹t, v× vËy, nÕu dïng t­êng bao 2 líp, th× nªn dïng mét líp vËt liÖu c¸ch nhiÖt ë gi÷a. HoÆc cã thÓ lµm t­êng bao b»ng bª t«ng c¸ch nhiÖt, hay g¹ch c¸ch nhiÖt thaythÕ cho g¹ch nung... hiÖn nay, ë c¸c n­íc ph¸t triÓn s¶n xuÊt ®­îc nh÷ng s¶n phÈm nh­ vËy. Tuy nhiªn, viÖc sö dông ®¹i trµ ë n­íc ta cßn gÆp nhiÒu khã kh¨n, nhÊt lµ vÊn ®Ò kinh tÕ. Ngoµi g¹ch vµ bª t«ng nhÑ cßn cã c¸c chÕ phÈm hiÖn ®¹i, cã nhiÖt trë lín, träng l­îng nhÑ cña n­íc ngoµi còng ®­îc ®­a ®Õn ViÖt Nam ®Ó giíi thiÖu, ®a phÇn c¸c nguyªn liÖu cã nguån gèc v« c¬ nh­ sîi b«ng kho¸ng, b«ng v¶i thuû tinh, sîi gèm... ®­îc qu¶ng c¸o lµ kh¶ n¨ng c¸ch nhiÖt, c¸ch ©m tèt, ®é chÞu kÐo nÐn cao, bÒn víi ho¸ chÊt, bÒn nhiÖt... tuy nhiªn thùc tÕ c¸c s¶n phÈm nµy ch­a ®­îc c¬ quan cã thÈm quyÒn quyÕt ®Þnh, còng ch­a cã ph¶n håi tõ ng­êi sö dông. C¸c s¶n phÈm kÓ trªn th­êng ®­îc chÕ t¹o d­íi d¹ng tÊm èp. Cã thÓ kÓ ra mét sè s¶n phÈm ®­îc ®­a vµo thÞ tr­êng n­íc ta: − TÊm KCC len thuû tinh (Hµn quèc): lµ sîi v« c¬, kh«ng ch¸y, kh«ng bÞ x©m thùc vµ tho¸i ho¸ bëi nhiÖt ®é, ®é Èm, ho¸ chÊt. Lo¹i sîi nµy rÊt nhá, cã nhiÒu ®Öm kh«ng khÝ nen cã kh¶ n¨ng ng¨n bøc x¹, hÊp thô sãng ©m. Cã träng l­îng nhÑ, mÒm, dÔ gia c«ng l¾p ®Æt. − TÊm Lexan thermopanel (Hoa kú): Gåm nhiÒu chñng lo¹i chÕ phÈm, trªn nÒn polycarbonate, víi nhiÒu v¸ch ng¨n t¹o ra s¶n phÈm cã nhiÒu « rçng vµ nhÑ, cã ®é cøng c¬ häc cao, cã tÝnh c¶n quang vµ c¶n bøc x¹ nhiÖt. − TÊm Ketelong (§øc -NhËt): chÕ xuÊt tõ polycarbonate, cã ®é bÒn va ®Ëp tèt, c¸ch ©m tèt. 1.2.1.2 VËt liÖu chèng thÊm: VËt liÖu chèng thÊm cã htÓ lµ c¸c lo¹i mµng ng¨n, mµng phñ, sîn chèng thÊm. Ngoµi c¸c vËt liÖu kÓ trªn cßn cã mét sè biÖn ph¸p chèng thÊm b»ng c¸c phô gia v« c¬ hoÆc c¸c dung dÞch phun thÊm s©u vµo kÕt cÊu. Phô gia chèng thÊm cã nguån gèc lµ c¸c h¹t mÞn h¬n xi m¨ng nh­ muéi khãi silic (silica fume), tro bay nhiÖt ®iÖn (fly ash) hoÆc xØ lß cao nghiÒn mÞn, cã t¸c dông chÌn thªm vµo nh÷ng kÏ hë vèn ®· rÊt nhá gi÷a c¸c h¹t xi m¨ng trong hçn hîp bª t«ng. Dung dÞch phun th­êng cã vËt liÖu nÒn, gèc silicat, cã kh¶ n¨ng lÊp c¸c lç rçng trong bª t«ng, t¨ng c­êng lùc liªn kÕt, tr¸m c¸c vÕt nøt ch©n chim do co ngãt. 1.2.1.3 VÊn ®Ò vËt liÖu míi: Ngµy nay, c¸c lo¹i vËt liÖu truyÒn thèng, bao gåm vËt liÖu khai th¸c tù nhiªn, d©n d· nh­ ®¸ ong, ®¸ sß, t­êng tr×nh, ®¸ xÎ... hay c¸c vËt liÖu chÕ t¹o thñ c«ng, ®· kh«ng cßn phï hîp trong x©y dùng. C¸c lo¹i vËt liÖu ®­¬ng ®¹i nh­ bª t«ng, s¾t thÐp còng cÇn nghiªn cøu, hoµn thiÖn bæ sung nh÷ng tÝnh n¨ng phï hîp víi yªu cÇu. Song song víi nã lµ viÖc tiÕn hµnh nghiªn cøu vµ ®­a vµo sö dông c¸c lo¹i vËt liÖu vµ ho¸ ph¶m x©u dùng míi, hiÖn ®¹i. VËt liÖu x©y dùng míi ®Ò cËp ë ®©y lµ nh÷ng vËt liÖu ®­îc nghiªn cøu vµ s¶n xuÊt t¹i ViÖt Nam, theo nguyªn liÖu míi, trªn d©y chuyÒn vµ c«ng nghÖ míi, vµ c¶ nh÷ng vËt liÖu cã kh¶ n¨ng du nhËp hoÆc chuyÓn giao trong t­¬ng lai. Mét sè lo¹i vËt liÖu míi cã triÓn väng: − ChÊt dÎo sîi v« c¬ − Sö dông chÊt dÎo hoÆc Polyme lµm nÒn cho c¸c lo¹i cèt sîi nh­ sîi thuû tinh, sîi cacbon, t¹o nªn vËt liÖu thay thÕ cho s¾t thÐp, bª t«ng. Víi c¸c ­u ®iÓm nh­ träng l­îng nhÑ, chÞu nÐn Ðp tèt, cã ®é bÒn ho¸ cao, chÞu ®­îc m«i tr­êng x©m thùc m¹nh. Lo¹i vËt liÖu nµy ®· ®­îc nghiªn cøu vµ sö dông ë nhiÒu n­íc ph¸t triÓn (Anh, Hoa Kú, NhËt..), nã cã thÓ sö dông ®Ó chÕ t¹o c¸c tÊm máng dïng ®Ó t¨ng c­êng, gia cè c¸c chi tiÕt kÕt cÊu bÞ thÊm dét, hoÆc dïng lµm c¸c chi tiÕt trong m«i tr­êng x©m thùc, hoÆc cã thÓ thay thÕ cho cèt thÐp th­êng vµ cèt thÐp øng lùc tr­íc trong bª t«ng cèt thÐp. − ChÕ t¹o bª t«ng tÝnh n¨ng cao, nhÑ, thay thÕ bª t«ng cèt thÐp nÆng vµ cã tÝnh c¶n nhiÖt, ®é bÒn ho¸ kÐm. − ChÕ t¹o c¸c lo¹i g¹ch nhÑ cã tÝnh chÊt c¸ch nhiÖt c¸ch ©m tèt. − Bªn c¹nh c¸c nghiªn cøu vÒ vËt liÖu dïng trong x©y dùng nhµ ë, th× viÖc t×m ra vËt liÖu øng dông trong x©y dùng c¸c c«ng tr×nh ®­êng giao th«ng còng lµ vÊn ®Ò cÇn ®­îc chó träng. ViÖc nghiªn cøu sö dông nguån nguyªn liÖu s½n cã lµ ®Êt sÐt, ®Êt t¹p kÕt hîp víi phô gia hãa häc, t¹o nªn mét lo¹i vËt liÖu cã thÓ øng dông lµm nÒn ®­êng, víi kh¶ n¨ng chÞu nÐn cao, thay thÕ cho ®­êng bª t«ng hay ®­êng nhùa, sÏ cã mét ý nghÜa rÊt lín, ®Æc biÖt lµ víi vÊn ®Ò giao th«ng n«ng th«n. 1.3 Polyme v« c¬. §Þnh h­íng sö dông Polyme v« c¬ vµ mét sè kho¸ng chÊt cho tæng hîp vËt liÖu 1.3.1 Giíi thiÖu vÒ Polyme v« c¬ 1.3.1.1 Xu thÕ ph¸t triÓn cña Polyme v« c¬ Kh¸i niÖm: Hîp chÊt Polyme lµ hîp chÊt ®­îc h×nh thµnh do sù lÆp l¹i nhiÒu lÇn cña mét hay nhiÒu lo¹i nguyªn tö hoÆc nhãm nguyªn tö (®­îc gäi lµ monome) liªn kÕt víi nhau thµnh phÇn tö lín cã cÊu tróc ®¹i ph©n tö. C¸c phÇn tö nhá liªn kÕt víi nhau cã thÓ t¹o thµnh m¹ch th¼ng, m¹ch nh¸nh, m¹ch vßng hay d¹ng m¹ch kh«ng gian. So víi Polyme v« c¬ th× Polyme h÷u c¬ ®­îc ph¸t triÓn tõ rÊt sím. Víi c¸c ®Æc ®iÓm dÎo, dÔ gia c«ng t¹o s¶n phÈm... c¸c lo¹i Polyme h÷u c¬ ®­îc ph¸t triÓn réng r·i. Tuy nhiªn, chóng cã c¸c nh­îc ®iÓm lµ kh«ng chÞu ®­îc nhiÖt ®é cao vµ m«i tr­êng x©m thùc. V× vËy, trong nhiÒu n¨m gÇn ®©y, ®· xuÊt hiÖn nh÷ng nghiªn cøu vµ øng dông c¸c vËt liÖu míi. C¸c c«ng tr×nh nghiªu cøu tæng hîp Polyme v« c¬ ®· cã tõ nh÷ng n¨m 1950, bao gåm: polyphotphat, polysilicon, polisilicat, polyborat. C¸c lo¹i vËt liÖu nµy ®ãng vai trß quan träng trong c«ng nghiÖp. Ngµy nay, viÖc nghiªn cøu vµ tæng hîp ngµy cµng ®­îc më réng vµ ®· ®¹t ®­îc nh÷ng thµnh tùu trong viÖc t×m kiÕm vµ øng dông c¸c lo¹i Polyme cã kh¶ n¨ng lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao vµ m«i tr­êng ¨n mßn m¹nh. Víi c¸c ph­¬ng ph¸p trïng hîp, trïng ng­ng, ph­¬ng ph¸p ®a tô, phèi trÝ vµ sù thay ®æi phï hîp víi yªu cÇu c«ng nghÖ. Thªm vµo ®ã, sù ph¸t triÓn cña ho¸ häc hiÖn ®¹i gióp cho viÖc t×m ra c¸c ®iÒu kiÖn ®Ó cã thÓ tæng hîp vµ ®¹t ®­îc cÊu tróc còng nh­ tÝnh n¨ng toµn vÑn cña vËt liÖu ®©y chÝnh lµ môc tiªu cña khoa häc c«ng nghÖ vËt liÖu. 1.3.1.2 Ph©n lo¹i Polyme v« c¬ Theo ph­¬ng ph¸p ph©n lo¹i do Korshak vµ Mozgova, Polyme ®­îc chia lµm hai lo¹i: − Polyme ®ång nhÊt: ®­îc t¹o ra tõ c¸c nguyªn tè cïng lo¹i. C¸c nguyªn tö liªn kÕt víi nhau bëi liªn kÕt céng ho¸ trÞ ë c¸c m¾t xÝch cña cïng nguyªn tè. − Polyme kh«ng ®ång nhÊt: ®­îc t¹o thµnh khi thay thÕ c¸c nguyªn tö trong m¾t xÝch ë c¸c kho¶ng c¸ch x¸c ®Þnh b»ng c¸c nguyªn tö phi kim nh­ N, O, S, P... hoÆc c¸c nguyªn tö kim lo¹i nh­ Al, Fe, Zn, Cr, Ti... TÝnh chÊt cña c¸c Polyme kh«ng ®ång nhÊt rÊt kh¸c so víi c¸c Polyme ®ång nhÊt. C¸c nguyªn tè t¹o Polyme ®ång nhÊt vµ t¹o Polyme kh«ng ®ång nhÊt ®­îc cho bëi c¸c b¶ng sau: B¶ng 1.1: Nh÷ng nguyªn tè t¹o Polyme ®ång nhÊt (®­îc b«i ®en) Nhãm Chu kú I 1 (H) 2 Li Be B C N O F Ne 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Cu Zn Ga Ge As Se Br Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ag Cd In Sn Sb Te I Cs Ba La Hf Ta W Re Au Hg Tl Pb Bi Po Al Fr Ra Ac 4 5 6 7 II III IV V VI VII VIII O He (Th) (Pa) Fe Co Ni Kr Ru Rh Pd Xe Os Ir Pt Rn (U) B¶ng 1.2: Nh÷ng nguyªn tè t¹o Polyme kh«ng ®ång nhÊt (®­îc b«i ®en) Chu kú Nhãm I II III IV V VI VII VIII O 1 (H) 2 Li Be B C N O F Ne 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Cu Zn Ga Ge As Se Br Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ag Cd In Sn Sb Te I Cs Ba La Hf Ta W Re Au Hg Tl Pb Bi Po Al Fr Ra Ac 4 5 6 7 He (Th) (Pa) Fe Co Ni Kr Ru Rh Pd Xe Os Ir Pt Rn (U) Kh¶ n¨ng t¹o Polyme ®ång nhÊt vµ kh«ng ®ång nhÊt phô thuéc vµo n¨ng l­îng liªn kÕt cña m¾t xÝch. Dùa vµo thùc nghiÖm ng­êi ta ®· x¸c ®Þnh ®­îc gi¸ trÞ n¨ng l­îng liªn kÕt cña mét sè lo¹i Polyme nh­ sau: B¶ng 1.3: N¨ng l­îng liªn kÕt cña mét sè Polyme ®ång nhÊt Liªn kÕt N¨ng lîng Kcal/mol Liªn kÕt N¨ng lîng kcal/mol C-C 80,0 Sb-Sb 42,0 S-S 63,0 Ge-Ge 39,2 P-P 53,0 As-As 39,0 Se-Se 50,0 N-N 37,0 Si-Si 45,0 O-O 34,0 B¶ng 1.4: N¨ng l­îng liªn kÕt cña mét sè Polyme kh«ng ®ång nhÊt Liªn kÕt N¨ng lîng Kcal/mol Liªn kÕt N¨ng lîng kcal/mol B-N 104.3 C-N 66.0 Si-O 89.3 Al-C 61.6 B-C 89.0 C-S 61.5 P-O 81.7 Si-S 60.9 C-O 79.0 C-Si 57.6 Víi c¸c Polyme ®ång nhÊt, n¨ng l­îng liªn kÕt cña m¾t xÝch nhá h¬n n¨ng l­îng cña 80Kcal/mol, lµ n¨ng l­îng liªn kÕt C-C. Nh­ vËy, c¸c Polyme ®ång nhÊt kÐm bÒn h¬n so víi Polyme h÷u c¬. Trong khi n¨ng l­îng liªn kÕt cña m¾t xÝch trong Polyme kh«ng ®ång nhÊt hÇu hÕt ®Òu cao h¬n nhiÒu so víi Polyme ®ång nhÊt vµ nhiÒu tr­êng hîp cao h¬n n¨ng l­îng liªn kÕt C-C. §iÒu nµy gi¶i thÝch cho kh¶ n¨ng æn ®Þnh nhiÖt cao trong c¸c Polyme t¹o thµnh. Mét c¸ch ph©n lo¹i kh¸c dùa vµo ph­¬ng ph¸p ®iÒu chÕ, Sowerby vµ Audrieth chia Polyme v« c¬ thµnh 3 lo¹i: − Polyme trïng ng­ng: t¹o thµnh Polyme nhê c¸c ph¶n øng trïng ng­ng − Polyme ®a tô: t¹o thµnh Polyme khi céng m¹ch c¸c monome ch­a b·o hoµ. − Polyme phèi trÝ: ®­îc t¹o ra b»ng liªn kÕt gi÷a kim lo¹i víi ligan h÷u c¬ hoÆc v« c¬ phï hîp. Ngoµi ra, ngµy nay ng­êi ta cßn ph©n lo¹i Polyme v« c¬ dùa vµo c¸c nguyªn tè ®Æc tr­ng, nh­: − Polyme chøa Si − Polyme chøa P − Polysunfat − Polyme kim lo¹i − OxoPolyme 1.3.1.3 CÊu tróc cña Polyme v« c¬ ViÖc t×m hiÓu CÊu tróc cña Polyme v« c¬ lµ rÊt khã kh¨n. Mét c¸ch ®¬n gi¶n lµ chia nhá thµnh tõng d¹ng kh¸c nhau lµ d¹ng r¾n, láng, thuû tinh vµ trong dung dÞch. a. Polyme v« c¬ ë d¹ng r¾n [6] §©y lµ d¹ng tån t¹i phæ biÕn nhÊt. Trong d¹ng nµy, Polyme cã thÓ cã cÊu tróc m¹ch th¼ng, m¹ch nh¸nh, cÊu tróc líp hoÆc cÊu tróc kh«ng gian. C¸c nguyªn tè trong Polyme cã cÊu tróc nµy th­êng ë nhãm IIIB ®Õn IVB trong b¶ng hÖ thèng tuÇn hoµn: B, C, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te. C¸c nguyªn tè nhãm IV tån t¹i ë m¹ng kh«ng gian, c¸c nguyªn tè nhãm V cã cÊu tróc m¾t xÝch hay cÊu tróc líp, c¸c nguyªn tè nhãm IV cã xu h­íng cÊu tróc vßng hay m¾t xÝch.