ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------

VÕ THỊ THU HIỀN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO GỐM ALUMINA
BỀN NHIỆT ĐỘ CAO
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC
MÃ SỐ: 8520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN VĂN DŨNG

Đà Nẵng, 08/2019


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi dưới sự
hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Văn Dũng. Các số liệu, kết quả nêu trong luận
văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Học viên thực hiện

Võ Thị Thu Hiền


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.

Q 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 khơng có mặt pha lỏng .................................................................... 20

1.6.2.

Kết khối có mặt pha lỏng................................................................................ 21

1.6.3.

Q trình nung gốm alumina .......................................................................... 21

1.7.


Ảnh hƣởng của một số yếu tố cơng nghệ đến q 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. Ngun 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 mịn 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 khn 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 khống 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 trị 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 trị 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 nhơm, 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 khn, 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 nhơm

7

1.2

pH tại điểm đẳng điện của một số vật liệu vơ 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 nhơm


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 mịn 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 nhơm Kaifeng

39

3.2

Ảnh SEM thể hiện hình thái học của các hạt oxit nhơm 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 nhơm

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 nhơm

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 nhơm

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
nhơm 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 nhơm nóng chảy tác

dụng)

51


1

MỞ ĐẦU
I-

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Gốm sứ thuộc loại vật liệu vơ cơ khơng 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 mơi 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 cơng 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 mơ phịng thí nghiệm về tính
chất ngun liệu oxit nhơm, phụ gia, nghiên cứu q trình tạo hình cũng nhƣ tính chất
cơ, lý, hóa, thành phần khống và vi cấu trúc của sản phẩm.
IV- PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phân tích thành phần hạt oxit nhơm 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 khống 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 ngun liệu oxit nhơm 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 vơ cơ khơng 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
khơng 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 (nhơm, 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), vịng đệm, ổ bi, dụng cụ cắt gọt, khn kéo sợi kim loại. Ngồi ra
cịn 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 mịn 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 nhơm và oxi với cơng thức hóa học
Al2O3. Nó cịn 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, khơng tan và
khơng 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 nhơm khơng ngun chất.
Oxit nhơm 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 nhơm kim loại, 10% cịn lại đƣợc sử dụng trong cơng nghiệp hố chất và các
ngành cơng nghiệp khác.
Oxit nhơm 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 nhơm cho ở bảng 1.1.
Bảng 1.1: Tính chất của các dạng thù hình oxit nhơm
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 khống corundum, mullite (khi có mặt SiO2). Vì vậy muốn tạo ra các
khống có độ chịu lửa, độ bền nhiệt cao thì phải nung ở nhiệt độ 1450 ÷ 1600oC. [2]
Oxit nhơm 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, khơng bị biến đổi
thù hình, những biến đổi thể tích khơng xảy ra khi ở nhiệt độ cao, nhờ đó q trình
nung thuận lợi hơn rất nhiều. Về mặt cơng 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
mịn và là thành phần quan trọng khi sản xuất các thiết bị cắt, gọt.
Vai trị của oxit nhơm trong cơng nghệ sản xuất gốm sứ. Do oxit nhơm 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 mịn 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 nhơm 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. Ngồi ra nó cịn 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
mịn hóa học. Thêm oxit nhơm nói chung làm tăng nhiệt độ nóng chảy của men, ngăn
chặn sự kết tinh và hóa mờ của men trong q trình làm nguội.
Oxit nhơm 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 cịn có ảnh hƣởng quan trọng trong q trình tạo
thành hồ.
Oxit nhơm là yếu tố khống chế độ nhớt của men khi nung (vì oxit nhơm giúp
hình thành những mối liên kết chặt giữa oxit trợ chảy và silica), giữ khơng cho men
chảy lỗng và chảy khỏi bề mặt phủ men.
Tỉ số silica trên oxit nhơm là chỉ số chính cho biết độ bóng mặt men. Khi
khơng có bo, tỉ số silica trên oxit nhơm nhỏ hơn 5:1 thƣờng cho mặt men khá mờ xỉn.
Tỉ số lớn hơn 8:1 thƣờng cho mặt men bóng nếu khơng có sự hiện diện của các oxit
titan, kẽm, manhê hay canxi. Oxit nhơm ngậm nƣớc có thể tạo bọt và làm đục men [3].
Các phƣơng pháp tổng hợp oxit nhơm. Oxit nhơm 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 nhơm. Các phƣơng pháp tổng hợp khác nhau tạo ra các oxit
nhơm có cấu trúc xốp khác nhau.
Trong nghiên cứu có 3 phƣơng pháp tổng hợp oxit nhơm chính:


9
+ Phƣơng pháp kết tủa [2,5]: Nguồn nhơm đƣợc hịa 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 nhơm alkoxide đƣợc hịa 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 mơi 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 nhơm 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 mơi,
sấy, nung ở nhiệt độ thích hợp thu đƣợc oxit nhơm.
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 cơng 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 khơng 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 khơng 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 cơng 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 cơng 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
khơng 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 cơng 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 thơng qua một loạt các q trình hóa học, trong đó cellulose polymer tự nhiên đƣợc
làm ngun liệu thơ. Sản phẩm là một ether cellulose có hình dạng bột màu trắng,
khơng mùi và khơng 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 khơng kiểm sốt 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 khơ 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 cơng thức hóa học C12H20O10 và cơng thức cấu tạo nhƣ trong hình
1.5.

Hình 1.5: Cấu trúc và công thức cấu tạo của HPMC [13]


12
Nhìn vào hình 1.5 ta thấy cấu trúc của HPMC là mạch polymer thẳng nên khi
tiếp xúc với nƣớc sẽ trƣơng nở nhanh và triệt để hơn vật liệu polymer có cấu trúc cuộn
trịn.
Một số thơng số kỹ thuật của HPMC: trọng lƣợng riêng: 1,26 - 1,31 g/cm3; kích
cỡ hạt: Mesh 100; nhiệt độ nóng chảy: 190 - 200oC; độ ẩm: < 5%.
+ Cacboxymethyl cellulose (CMC): là chế phẩm dạng bột trắng hoặc hơi vàng,
không mùi, tạo dung dịch dạng keo với nƣớc, đƣợc sử dụng với chức năng là chất làm
đặc, chất ổn định nhũ tƣơng, chất kết dính…
CMC một dẫn xuất của cellulose với acid chloracetic với các nhóm
cacboxymethyl (CH2COOH) liên kết với một số nhóm hydroxyl của các glucopyranose
monomer tạo nên khung sƣờn cellulose, thƣờng đƣợc sử dụng dƣới dạng muối natri
cacboxymethyl cellulose với cơng thức hóa học là [C6H7O2(OH)x(OCH2COONa)y]n
(trong đó y là mức độ thay thế, y = 0.2-1.5).

Trong đó R là H hoặc CH2COONa.
1.4.4. Chất hóa dẻo

Chất hóa dẻo đƣợc sử dụng nhằm tăng khả năng chảy trƣợt của hồ khi đổ rót
và tăng tính dẻo của mộc khi tháo khn. Nhƣ vậy mục đích khi thêm chất hóa dẻo vào
là để tăng khả năng tạo ra các sản phẩm mộc có hình dạng và kích thƣớc nhƣ mong
muốn mà khơng bị nứt, mộc có đủ độ bền dẻo để tiếp tục gia công trong các cơng đoạn
cơng nghệ sau.
Chất hóa dẻo đƣợc sử dụng trong đề tài là glycerin, cơng thức hóa học
C3H8O3, là thành phần quan trọng tạo nên chất béo, đƣợc tạo ra từ phản ứng xà phịng
hóa các chất béo. Glycerin có khả năng giữ ẩm tốt nhờ tạo liên kết hydro với các phân
tử nƣớc, đƣợc dùng trong mỹ phẩm, làm chất giữ ẩm, chất hóa dẻo, xà bơng lỏng, nƣớc
hoa…


13
1.5.

Q trình tạo hình gốm alumina
Có nhiều phƣơng pháp tạo hình các sản phẩm gốm sứ nhƣ sau:
+ Tạo hình đổ rót: đối với sản phẩm có hình dạng phức tạp, độ ẩm hồ từ

28÷40%.
+ Tạo hình dẻo: độ ẩm phối liệu dẻo 15÷25%, dùng để tạo hình sẩn phẩm gạch
xây, ngói nung, bát đĩa sứ…
+ Tạo hình màng gốm: dùng trong sản xuất gốm điện tử. [1]
+ Tạo hình ép khô, bán khô hay ép ẩm. Độ ẩm đến 12% gồm các phƣơng pháp
nhƣ: Ép khơ, độ ẩm 3÷6%, dùng tạo hình cho tấm ốp lát; Ép ẩm, độ ẩm ≤ 12%, dùng
tạo hình gạch chịu lửa.
+ Tạo hình ép đẳng tĩnh: là phƣơng pháp tạo hình hiện đại dùng trong kỹ thuật
tạo hình sứ điện, sứ dân dụng v.v...
+ Tạo hình ép nóng ở nhiệt độ cao: dùng tạo hình các gốm đặc biệt nhƣ nitrua,
cacbua…

Trong đề tài này chúng tơi sử dụng phƣơng pháp tạo hình truyền thống là đổ rót
trong khn thạch cao để chế tạo mộc gốm alumina. Đây là phƣơng pháp tạo hình rất
phổ biến trong sản xuất gốm sứ, sản phẩm có hình dáng đa dạng, phong phú đáp ứng
hầu hết các tính năng, yêu cầu kỹ thuật không những về công nghệ mà cịn về kinh tế.
1.5.1. Tạo hình bằng phương pháp đổ rót
Có 2 phƣơng pháp đổ rót chính: phƣơng pháp rót hồ đầy và phƣơng pháp rót hồ
thừa. Việc lựa chọn phƣơng pháp nào là do hình dáng sản phẩm quyết định. Phƣơng
pháp rót hồ đầy địi hỏi phải có 2 khuôn và do khả năng hút nƣớc trong hồ theo 2 phía
nên năng suất cao, hình dáng sản phẩm đơn giản. Phƣơng pháp rót hồ thừa dùng cho
các loại sản phẩm có hình dáng phức tạp vì vậy khn đƣợc chia thành nhiều mảng để
tháo khuôn đƣợc dễ dàng, đơi khi tạo hình các chi tiết riêng biệt rồi mới gắn lại thành
sản phẩm hoàn chỉnh.
Một số yếu tố cần quan tâm trong phƣơng pháp đổ rót:
- Độ nhớt của hồ (huyền phù)
- Tốc độ tạo mộc
- Độ ổn định của hồ
- Hàm lƣợng pha rắn trong hồ


14
- Khả năng điền đầy khuôn của hồ
- Khả năng thốt khn và các khuyết tật khi tháo khn
- Hệ số khuếch tán của nƣớc trong khuôn, trong mộc, trong hồ
Khi đổ rót hồ vào khn thạch cao, do thạch cao có khả năng hút nƣớc nên hồ
chuyển động theo hƣớng vng góc với bề mặt khn bám vào khn thành lớp mỏng
đều đặn và sít đặc, theo thời gian chiều dày lớp mộc sẽ tăng dần.
Ta có quan hệ giữa chiều dày lớp mộc và thời gian là: [1]
dx= dt hay dt= dx
Suy ra:
t=


hay x=

Trong đó:
x: chiều dày lớp mộc bám vào khn, cm.
t: thời gian hình thành lớp mộc, phút
a: hệ số đặc trƣng cho khả năng hút nƣớc của thạch cao.
Đối với hồ gốm alumina thì tính ổn định và độ linh động kém hơn so với hồ đổ
rót gốm sứ truyền thống do khơng có thành phần đất sét hay cao lanh. Hiệu quả ổn
định của hồ phụ thuộc thế Zeta. Độ dày lớp điện tích kép trên bề mặt hạt oxit nhôm
đƣợc quyết định bởi độ pH của môi trƣờng phân tán, điểm đẳng điện của dung dịch.
Tƣơng tác bề mặt rắn trong pha lỏng. Khi đƣa hạt rắn vào trong pha lỏng sẽ
xuất hiện các lực tƣơng tác bề mặt giữa các hạt rắn với hạt rắn, hạt rắn với dung môi
lỏng. Tùy theo độ lớn của những lực tƣơng tác này mà tạo nên hiện tƣợng phân tán hay
keo tụ các hạt rắn trong pha lỏng. Có nhiều loại lực tƣơng tác bề mặt đƣợc trình bày
nhƣ sau:
- Tƣơng tác Van der Waals: tƣơng tác này xuất hiện do sự phân cực của các phân
tử thành các lƣỡng cực điện, bao gồm các tƣơng tác:
+ Tƣơng tác giữa các phân tử phân cực.
+ Tƣơng tác giữa phân tử phân cực và phân tử không phân cực: một phân
tử không phân cực nhƣng gây ra một momen lƣỡng cực khi một phân tử phân cực tiếp
cận với nó.
- Tƣơng tác điện do lớp điện tích kép xung quanh hạt