Chương 3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN
3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần vật liệu và nhiệt độ nung đến cấu trúc vật liệu
Vật liệu không nung đã có cường độ lớn hơn 200kg/cm2, khi sử dụng trong lò nung sẽ diễn ra sự chuyển pha làm cho vật liệu liên kết bền chắc hơn, cường độ tăng lên. Phổ hồng ngoại của nguyên liệu samôt không nung được cho ở hình 6-1:
Kết quả phổ hồng ngoại trên hình 6-1 cho thấy trong Samốt tồn tại các liên kết O-H ứng với số sóng 3600-3700 cm-1, liên kết Si-O-Si ứng với số sóng 1093,9 cm-1 và 459,7 cm-1, liên kết Al-OH ứng với số sóng 833,9 cm-1 và liên kết Si-O-Al ứng với số sóng 567,7 cm-1.Khi phối liệu với keo phốt phát nhôm, phổ hồng ngoại mẫu vật liệu tạo thành vẫn tồn tại các dao động đặc trưng của các thành phần trong samốt, tuy nhiên số sóng của các dao động bị lệch đi so với mẫu samốt, điều này là do đã xuất hiện những tương tác của các thành phần trong smốt với keo (hình 6-2).Khi nung mẫu đến 1300oC nhận thấy ngoài các dao động đặc trưng của nhóm O-H ở số sóng trong khoảng 1500-3700 cm-1 như mẫu vật liệu khi chưa nung
Hình 6- 1 IR của nguyên liệu samốt
459.7
567.7
833.9
1093.9
S2
30 40 50 60 70 80 90
%Transmittance
500 1000
1500 2000
2500 3000
3500
Wavenumbers (cm-1)
Si-O-Si
Al-OH Si-O-Al
Si-O-Si O-H
Cũng như trong mẫu samốt còn có các píc dao động ở số sóng 1123 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm Al-O-P, tại số sóng 951,7 cm-1 có píc với cường độ yếu đặc trưng cho nhóm Si-OH, Píc ở số sóng 898,6 đặc trưng cho dao động nhóm Al-OH, píc ở số sóng 722,9 cm-1 ứng với dao động nhóm Si-O-Al, píc tại số sóng 461,2cm-1 ứng với dao động của nhóm P-O. Như vậy khi nung vật liệu đã hình thành một số liên kết mới. Những liên kết mới này đóng góp vào việc làm tăng cơ tính cho vật liệu. Khi nung mẫu ở 900oC (hình 6-4), phổ dao động của các nhóm chức cũng
466.3
555.3
792.3
906.7
1093.3
2851.8
2929.42953.9
3397.9
M5
10 20 30 40 50 60 70 80 90
%Transmittance
500 1000
1500 2000
2500 3000
3500 4000
Wavenumbers (cm-1)
Hình 6- 2 IR của vật liệu không nung mẫu nghiên cứu M1
O-H
O-H
H-O-H
Si-O-Si
Al-O-H
Si-O-Si Si-O-Al
461.4
722.9
898.6951.7
1123.3
NM5
76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98
%Transmittance
500 1000
1500 2000
2500 3000
3500
Wavenumbers (cm-1)
N b f l 64
Hình 6- 3 IR của vật liệu nung ở nhiệt độ 13000C mẫu nghiên cứu M1
Al-O-P Si-OH
Al-OH
Si-O-Al P-O
tương tự như khi nung ở 1300oC. Như vậy có thể thấy các liên kết mới hình thành như Al-O-P và Si-O-Al là bền vững và chịu nhiệt độ cao.
Phổ nhiễu xạ tia X mẫu samốt (hình 6-5) cho thấy trong thành phần smốt chủ yếu chứa pha tinh thể Mullite (3Al2O3.2SiO2), Cristobalite và Corundon.
Lin (Cps)
100 200 300 400
d=5.400 d=4.101 d=3.769 d=3.490d=3.435d=3.394 d=3.257 d=2.892 d=2.696 d=2.550 d=2.510 d=2.381 d=2.295 d=2.209 d=2.123 d=2.088 d=1.881 d=1.740 d=1.694 d=1.603 d=1.525 d=1.444 d=1.406 d=1.376
3Al2O3.2SiO2
cristobalite
corundon
466.2
563.6
731.1800.6
1121.0
T5
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
%Transmittance
500 1000
1500 2000
2500 3000
3500
Wavenumbers (cm-1)
Hình 6-4 IR của vật liệu được nung ở nhiệt độ 9000C mẫu nghiên cứu M1
Al-O-P
P-O Si-O-Al
Với mẫu vật liệu M1, khi nghiên cứu phổ XRD chúng tôi cũng nhận được các thành phần tương tự mẫu smốt (hình 6-6).
Với mẫu vật liệu M1 nung ở 900oC (hình 6-7) và 1300oC (hình 6-8) cũng cho kết quả tương tự mẫu smốt (hình 6-6), điều này có thể nhật thấy là các thành phần pha của nguyên liệu và sản phẩm là khá ổn định, ở nhiệt độ thường hay ở nhiệt độ cao đều tồn tại các pha Mullite, Cristobalite và Corundon. Do hàm lượng phụ gia lỏng (polyme phốt phát nhôm)sử dụng tương đối ít, vì vậy khi bổ sung phụ gia và chế tạo vật liệu thì cũng không làm xuất hiện pha tinh thể mới mà chỉ phát hiện những liên kết mới hình thành nhờ phổ hấp thụ hồng ngoại (hình 6-2, 6-3, 6-4).
3Al2O3.2SiO2
cristobalite
corundon
Hình 6-6 XRD của vật liệu không nung mẫu nghiên cứu M1
Lin (Cps)
0 10 0 20 0 30 0
1 5 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
d=5.389 d=4.096 d=3.482d=3.429d=3.387d=3.341 d=2.888 d=2.691 d=2.547 d=2.498 d=2.457 d=2.384 d=2.292 d=2.208 d=2.121 d=2.086 d=1.785 d=1.743 d=1.602 d=1.525 d=1.441 d=1.404
Phổ hồng ngoại mẫu vật liệu M2 trường hợp chưa nung (hình 6-9) với lượng keo Hình 6-8 XRD của vật liệu nung ở 13000C mẫu nghiên cứu M1
Lin (Cps)
0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0
1 5 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
d=5.404 d=4.103 d=3.483d=3.433d=3.393d=3.351 d=3.259 d=2.888 d=2.801 d=2.696 d=2.547d=2.512 d=2.431 d=2.383 d=2.294 d=2.210 d=2.121 d=2.088 d=1.840 d=1.742 d=1.714 d=1.695 d=1.630 d=1.602 d=1.580 d=1.526 d=1.483 d=1.443 d=1.406 d=1.375
3Al2O3.2SiO2
cristobalite
corundon
Hình 6-7 XRD của vật liệu nung ở 9000C mẫu nghiên cứu M1
Lin (Cps)
0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0
2 Th t S l
1 5 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
d=5.388 d=4.251 d=4.098 d=3.478d=3.430d=3.385 d=3.342 d=2.883 d=2.694 d=2.549 d=2.427 d=2.382 d=2.294 d=2.206 d=2.121 d=2.085 d=1.739 d=1.692 d=1.602 d=1.524 d=1.374 d=1.350
3Al2O3.2SiO2
cristobalite
corundon
liên kết O-H không rõ ràng, nhưng khi nung ở 900oC (hình 6-10) và nung ở 1300oC (hình 6-11) hoàn toàn tương tự với mẫu M1.
40824213455.3
567.8
910.0
1100.3
1336.61360.0
M8
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
%Transmittance
500 1000
1500 2000
2500 3000
3500
Wavenumbers (cm-1)
Hình 6- 9 IR của vật liệu không nung mẫu nghiên cứu M2
449.2
588.1
731.1
804.6
890.4
1123.8
T8
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
%Transmittance
500 1000
1500 2000
2500 3000
3500
Wavenumbers (cm-1)
Hình 6-10 IR của vật liệu được nung ở nhiệt độ 9000C mẫu nghiên cứu M2
Phổ XRD mẫu vật liệu M2 không nung (hình 6-12) và khi nung ở 900oC (hình 6-13) và 1300oC (hình 6-14) cũng tương tự như phổ XRD của mẫu M1.
477.8
563.6
739.3
903.6
1129.1
NM8
30 40 50 60 70 80 90
%Transmittance
500 1000
1500 2000
2500 3000
3500
Wavenumbers (cm-1)
Hình 6-11 IR của vật liệu được nung ở nhiệt độ 13000C mẫu nghiên cứu M2
Lin (Cps)
0 100 200 300
15 20 30 40 50 60
d=5.401 d=4.261 d=4.099 d=3.675 d=3.481d=3.430d=3.391d=3.343 d=3.252 d=2.885 d=2.696 d=2.551 d=2.384 d=2.293 d=2.210 d=2.123 d=2.088 d=1.921 d=1.840 d=1.741 d=1.710 d=1.692 d=1.673 d=1.603 d=1.525 d=1.476 d=1.463 d=1.443 d=1.382d=1.375d=3.777
Hình 6-12 XRD của vật liệu được không nung 3Al2O3.2SiO2
cristobalite
corundon
Nghiên cứu trạng thái bề mặt vật liệu qua ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) đối với mẫu M1 nung ở 1300oC nhận thấy ở điều kiện nhiệt độ cao, các thành phần trong
Hình 6-14 XRD của vật liệu được nung ở nhiệt độ 13000C mẫu nghiên cứu M2
Lin (Cps)
0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0
1 5 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
d=5.396 d=4.101 d=3.486d=3.429d=3.389d=3.346 d=3.164 d=2.886 d=2.826 d=2.696 d=2.544d=2.512 d=2.432 d=2.381 d=2.294 d=2.208 d=2.123 d=2.087 d=1.889 d=1.843 d=1.742 d=1.695 d=1.654 d=1.602 d=1.526 d=1.461 d=1.376 d=1.354
3Al2O3.2SiO2
cristobalite
corundon
Hình 6-13 XRD của vật liệu được nung ở nhiệt độ 9000C mẫu nghiên cứu M2
Lin (Cps)
0 100 200 300 400 500
15 20 30 40 50 60
d=5.404 d=4.102 d=3.486d=3.430d=3.390 d=2.884 d=2.697 d=2.549 d=2.429 d=2.381 d=2.293 d=2.207 d=2.123 d=2.087 d=1.896 d=1.794 d=1.741 d=1.603 d=1.526 d=1.463 d=1.443 d=1.406 d=1.375
3Al2O3.2SiO2
cristobalite
corundon
phối liệu liên kết chặt với nhau thông qua chất kết dính là hệ keo phốt phát nhôm (hình 6-15).
Ảnh SEM trên hình 6-15 cho thấy rõ các hạt phối liệu và biên giới giữa các hạt.
Thông thường nếu không có chất kết dính thì để tạo vật liệu cần phải có lực ép lớn, sau khi ép tạo vật liệu phải sấy khô và nung thiêu kết thì các hạt phối liệu mới có khả năng dính kết và tạo cơ tính tốt cho vật liệu. Trong nghiên cứu này chúng tôi đã thành công khi chế tạo vật liệu từ các hạt phối liệu samốt, cao lanh hoặc đất sét và keo phốt phát nhôm. Quá trình ép tạo vật liệu không cần lực ép lớn, vật liệu tạo thành sau khi để khô đạt cơ tính cho xây dựng. Trong quá trình sử dụng, do tác dụng của nhiệt độ môi trường làm việc vật liệu sẽ được thiêu kết và trở nên rắn chắc. Chất kết dính vô cơ chịu nhiệt trên cơ sở polyme phốt phát nhôm làm cầu nối liên kết giữa các hạt phối liệu trong vật liệu.
.
Hình 6-15. Ảnh SEM bề mặt mẫu vật liệu M1 sau khi nung ở 1300oC
Như vậy với thành phần phối liệu đã chọn và keo phốt phát nhôm ta có thể tạo được vật liệu với cơ tính khoảng 200 kg/cm2, chịu nhiệt tốt, đáp ứng các yêu cầu làm vật liệu cho xây dựng các lò nung nhiệt độ cao. Quá trình nung ở nhiệt độ cao trong điều kiện làm việc thực tế sẽ tạo cho vật liệu có một số liên kết mới, bền hơn khi chưa nung,