Bài giảng Chương 6: Hóa học Vật liệu | Cơ sở hóa học vật liệu | Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

lOMoAR cPSD| 40342981
CHƯƠNG 6: HÓA HỌC VẬT LIỆU
A. CÁC LOẠI VẬT LIỆU CỦA HỢP CHẤT SILICATE
Sinh viên tự ọc tài liệu tham khảo ở nhà và tìm thông tin trên mạng internet trả lời những câu hỏi sau:
1. Tìm hiểu các loại vật liệu ược sử dụng ể xây nhà?
2. Thành phần hóa học chủ yếu trong xi măng? Mô tả công oạn chính của quá trình sản
xuất xi măng? Tại sao sau khi ổ bê tông, ổ trần nhà người ta lại phải tưới nước? 3.
Thành phần hóa học chủ yếu trong thủy tinh, nguyên liệu ể sản xuất thủy tinh? Người
ta có thể khắc chữ lên thủy tinh bằng cách nào?
4. Thành phần hóa học chủ yếu trong ồ gốm? Kể tên các nguyên liệu, công oạn sản xuất ồ gốm.
5. Phân biệt Silic, Silicon và Silicone? Silicon có những ứng dụng gì trong ời sống?
1. Phần mở ầu
Vật liệu theo cách hiểu phổ biến nhất là những vật rắn mà con người dùng ể chế tạo
ra các máy móc, thiết bị, dụng cụ, v.v… trong các ngành công nghiệp, giao thông vận tải,
trong xây dựng công trình, nhà cửa hay thay thế các bộ phận cơ thể con người ể thể hiện các ý ồ nghệ thuật, v.v…
Hóa vật liệu nghiên cứu các tính chất vật lý như mật ộ, ộ dẫn iện, ộ dẫn nhiệt, v.v…
hay cơ tính như ộ bền, ộ dẻo, ộ cứng, ộ àn hồi,… hoặc tính công nghệ như ộ chảy loãng,
khả năng gia công cắt gọt… và các tính năng làm việc như tính chống ăn mòn, tính chống
mài mòn, tính giòn lạnh, tính bền nhiệt… của vật liệu sẽ cho phép xác ịnh lĩnh vực ứng
dụng hợp lý các vật liệu khác nhau, tuy nhiên có kể ến các òi hỏi của tính kinh tế.
Tóm lại, vật liệu là môn khoa học phục vụ cho sự phát triển và sử dụng vật liệu, trên
cơ sở ó ề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử dụng thích hợp ngày
một tốt hơn. Nó liên quan trực tiếp ến tất cả những người làm việc trong lĩnh vực chế tạo,
gia công và sử dụng vật liệu.
2. Các vật liệu của hợp chất silicate
2.1. Xi măng
Xi măng là loại vật liệu xây dựng cơ bản và thông dụng nhất ược sử dụng rộng rãi trong
xây dựng cơ sở hạ tầng, phát triển kinh tế, văn hóa xã hội, giáo dục, quốc phòng, ... lOMoAR cPSD| 40342981
Trên thế giới hiện nay có khoảng hơn 160 nước sản xuất xi măng. Các nước tiêu thụ lượng
xi măng lớn trong những năm qua phải kể ến: Trung Quốc, Ấn Độ, Mỹ, Nhật bản, Hàn Quốc,
Nga, Tây Ban Nha, Italya, Brazil, Iran, Mexico, Thổ Nhĩ Kỳ, Việt Nam, Ai Cập, Pháp, Đức...
Ở Việt Nam, xi măng là ngành công nghiệp phát triển sớm nhất ( ể phục vụ cho công cuộc
khai thác thuộc ịa của người Pháp). Hải Phòng là cái nôi của ngành xi măng Việt Nam hiện nay.
Các nhà máy xi măng ở nước ta hàng năm sản xuất khoảng trên 60 triệu tấn xi măng. Một
số nhà máy xi măng lớn ở nước ta: Các nhà máy xi măng Hải Phòng, Hoàng Thạch, Chinfon,
Bỉm Sơn, Hà Tiên, Hoàng Mai, …
Hình 6.1: Nhà máy xi măng Hải Phòng
Hiện nay các nhà máy xi măng phân bố không ồng ều giữa các khu vực. Hầu hết các nhà
máy xi măng tập trung ở miền Bắc nơi gần vùng nguyên liệu ầu vào (mỏ á vôi), trong khi ó
các nhà máy phía Nam còn rất hạn chế.
Hiện nay trên sản phẩm xi măng trên thị trường có nhiều loại, tuy nhiên thông dụng
trên thị trường Việt Nam gồm hai loại sản phẩm chính:
- Xi măng Portland. Ví dụ: PC 30, PC 40, PC 50.
- Xi măng Portland hỗn hợp. Ví dụ: PCB 30, PCB 40.
2.1.1. Thành phần hoá học
Xi măng thuộc loại vật liệu kết dính. Nó là một chất bột mịn màu lục xám, thành
phần chính gồm calcium silicate 3CaO.SiO2, 2CaO.SiO2 và calcium aluminate 3CaO.Al2O3.
Xi măng Portland có thành phần chủ yếu là clinker Portland chiếm tỉ lệ 95 – 96% và
thạch cao chiếm tỉ lệ 4 – 5%.
Thành phần khoáng vật của clinker Portland:
Alit: 3CaO.SiO2 (C3S) chiếm 60 – 65%
Belit: 2CaO.SiO2 (C2S) chiếm 20 – 25%
Celit: 3CaO.Al2O3 (C3A) chiếm 4 – 12% 2 lOMoAR cPSD| 40342981
Alumino – Ferit: 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF) chiếm 1 – 5%
Các khoáng vật này khi gặp nước xảy ra phản ứng giải phóng ra Ca(OH)2 – một chất kiềm
ăn mòn da rất mạnh, cùng với các oxide acid khác óng vai trò là dị nguyên của căn bệnh dị
ứng xi măng ối với những người có cơ ịa dị ứng hoặc có thời gian tiếp xúc thường xuyên và ủ lâu với xi măng.
2.1.2. Phương pháp sản xuất
Quy trình sản xuất xi măng trải qua 5 giai oạn:
Giai oạn 1: Chuẩn bị nguyên liệu
Nguyên liệu chính ể sản xuất xi măng bao gồm: á vôi, ất sét có nhiều SiO2 và một
ít quặng sắt. Nguyên liệu sau ó ược em i nghiền nhỏ. Giai oạn 2: Phối hợp nguyên liệu
Sau khi ược nghiền, nguyên liệu sẽ ược phân chia tỷ lệ, tỉ lệ thông thường 80 : 20.
Trong ó á vôi chiếm 80%, còn lại là ất sét.
Giai oạn 3: Nung tạo clinker
Hỗn hợp nguyên liệu ược nung trong lò quay (hoặc lò ứng) ở 1400oC – 1600oC.
Sau khi nung thu ược một hỗn hợp chất rắn màu xám, gọi là clinker.
Giai oạn 4: Nghiền clinker với các phụ gia khác
Nghiền clinker với thạch cao (khoảng 5%) và một số chất phụ gia khác (xỉ lò cao, tro than,
pozzolan tự nhiên v.v…) sẽ ược bột mịn gọi là xi măng. Giai oạn 5: Đóng bao và vận chuyển
Sau khi bột ược nghiền mịn thành xi măng, chúng ược óng bao với trọng lượng từ 20 – 50
kg/ bao và ược ưa ến kho. Sau ó mới ược ưa ến các cửa hàng vật liệu, ại lý vật liệu xây dựng.
Hình 6. 2: Sơ ồ lò quay sản xuất clinker
2.1.3. Quá trình ông cứng xi măng
Trong xây dựng, xi măng ược trộn với nước thành khối nhão, sau vài giờ sẽ bắt ầu
ông cứng lại. Quá trình ông cứng xi măng chủ yếu do sự kết hợp của các hợp chất của xi lOMoAR cPSD| 40342981
măng với nước, tạo nên những tinh thể hydrate an xen với nhau thành khối cứng và bền.
3CaO.SiO2 + 5H2O → Ca2SiO4.4H2O + Ca(OH)2
2CaO.SiO2 + 4H2O → Ca2SiO4.4H2O
3CaO.Al2O3 + 6H2O → Ca3(AlO3)2 + 6H2O
Do ó, trong quá trình xi măng ông cứng người ta phải tưới nước. 2.1.4. Mác xi măng
Mác xi măng là cường ộ chịu nén của xi măng khi em vữa xi măng, cát, nước trộn
theo tỷ lệ tiêu chuẩn; Cho biết giới hạn tải trọng tính bằng N/mm2 (daN/cm2) mà mẫu xi
măng ã hóa rắn có thể chịu ược không bị biến dạng sau 28 ngày bảo dưỡng từ khi trộn xi măng với nước.
Tiến hành úc một mẫu tiêu chuẩn có kích thước 40×40×160 (cm). dưỡng ẩm trong
vòng 28 ngày, em thử trong thiết bị o cường ộ chịu nén, cường ộ của mẫu o chính là mác xi măng.
Ví dụ: PCB 30, PCB 40 hay PCW 30, PCW 40, …
2.1.5. Công dụng của xi măng trong xây dựng
Trong các công trình xây dựng, xi măng óng vai trò là một sản phẩm tạo nên bê tông
tươi, giúp làm nền móng hoặc làm hỗn hợp trát tường. Với tính kết dính cao, ộ mịn tốt ảm
bảo ộ bền theo thời gian nên xi măng có thể ược ùng ể bao phủ bề mặt và làm mịn bề mặt.
Hiện nay, trong công nghiệp còn sản suất các loại xi măng có tính năng khác nhau:
xi măng chịu acid, xi măng chịu nước biển…
2.1.6. Sản xuất xi măng và vấn ề bảo vệ môi trường
Hình 6.3: Bụi từ quá trình sản xuất xi măng
Các nhà máy xi măng sử dụng một khối lượng lượng nguyên liệu và phụ gia. Nguồn
gây ô nhiễm không khí chủ yếu của nhà máy xi măng là do khói của lò hơi, các buồng ốt 4 lOMoAR cPSD| 40342981
phụ, bụi trong quá trình nghiền ập, vận chuyển nguyên liệu, nhiên liệu, xi măng và các chất
khí ộc hại, bụi từ quá trình nung và nghiền clinker.
Ảnh hưởng của các chất ô nhiễm ặc trưng từ công nghệ sản xuất xi măng: -
Tác ộng ến môi trường không khí là: bụi (bụi than, á sét, á vôi, thạch cao, xỉ
pyrite, clinker, xi măng và bụi của quá trình ốt dầu FO) và khí thải (CO2, CO, NO, SO2…).
Bên cạnh ó, quá trình sản xuất xi măng còn kèm theo tiếng ồn làm ảnh hưởng ến công nhân và dân cư xung quanh. -
Tác ộng ến môi trường ất và nước là các chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, dầu
mỡ, hợp chất fluorine, bùn hoạt tính, bụi,.. làm ảnh hưởng tới chất lượng nước và mất cảnh quan khu vực. -
Tác ộng ến giao thông vận tải: quá trình vận chuyển xi măng tạo ra khí thải
và gây ồn. Ngoài ra, khi sản xuất xi măng nhà máy sẽ thải ra môi trường một lượng lớn bụi
và khí thải gây giảm tầm nhìn và khó khăn cho người tham gia giao thông. -
Tác ộng ảnh hưởng tới sức khỏe con người: các loại bụi, khí trong quá trình
sản xuất xi măng sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe con người: mệt mỏi, chóng mặt, buồn
nôn, suy nhược ường hô hấp, bệnh về phổi, các bệnh về da, gây thiếu hụt vitamin B, C,…
Biện pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường:
Giảm sự phát thải bụi từ nguồn gây ra bụi:
+ Thay thế quy trình công nghệ, thay ổi công nghệ khô bằng công nghệ ướt, cơ giới
hóa, tự ộng hóa các khâu sản xuất phát thải nhiều bụi.
+ Thực hiện úng chế ộ vận hành, bảo dưỡng thiết bị.
+ Dùng các phương pháp xử lý bụi, lọc bụi, che chắn nguồn phát sinh ra bụi.
Giảm sự tác ộng của bụi ến người lao ộng:
+ Làm ẩm ướt hoặc che kín nguồn phát sinh ra bụi.
+ Giảm thời gian làm việc tiếp xúc với bụi.
+ Tổ chức tập huấn cho người làm việc có tiếp xúc với bụi biết tác hại của bụi và
các biện pháp làm việc an toàn.
Trồng nhiều cây xanh quanh khu nhà máy sản xuất xi măng nhằm giảm ô nhiễm tiếng ồn,
ô nhiễm môi trường. 2.2. Thủy tinh 2.2.1. Khái quát
Thủy tinh là vật thể vô ịnh hình, ồng nhất, ẳng hướng; có ược khi làm lạnh chất nóng
chảy của oxide silicon với các oxide khác. lOMoAR cPSD| 40342981
Thủy tinh loại thông thường là hỗn hợp của sodium silicate, calcium silicate và
silicon dioxide, có thành phần gần úng viết dưới dạng Na2O.CaO.6SiO2, ược tạo thành khi
nung hỗn hợp SiO2, CaCO3, Na2CO3 ở 1400oC:
6SiO2 + CaCO3+ Na2CO3 ⎯⎯→to Na2O.CaO.6SiO2 + 2CO2
Dựa vào công dụng và một số tính chất cơ bản, thủy tinh ược phân chia thành các loại:
- Thủy tinh dùng trong xây dựng: kính, thủy tinh bọt, gạch thủy tinh, thủy tinh cốt thép.
Hình 6.4: Cửa làm từ thủy tinh
- Thủy tinh dân dụng: chai lọ, bao bì, cốc, bát, ĩa…
Hình 6.5: Bát, ĩa làm từ thủy tinh -
Thủy tinh quang học: dùng trong dụng cụ quang học, có thể trong suốt hoặc có màu. -
Thủy tinh an toàn: làm kính ô tô, máy bay (tác ộng lực lớn không bị vỡ, hoặc
khi bị vỡ không tạo thành mảnh sắc). -
Thủy tinh bền hóa nhiệt: dụng cụ thí nghiệm, thủy tinh thạch anh, thủy tinh
hàm lượng SiO2 cao, thủy tinh làm bóng èn, phích nước. 6 lOMoAR cPSD| 40342981
Hình 6.6: Dụng cụ trong phòng thí nghiệm làm từ thủy tinh 2.2.2.
Sản xuất thủy tinh a. Nguyên liệu
Nguyên liệu chính: Cát (SiO2) chiếm 60 – 70% phối liệu, felspat, á vôi, dolomite, borax,
sodium carbonate, sodium sulfate, potassium carbonate, mảnh thủy tinh vỡ.
Nguyên liệu phụ: Chất khử bọt, chất khử màu, chất nhuộm màu, chất làm gợn ục. b.
Quá trình sản xuất thủy tinh
Sản xuất thủy tinh ược thực hiện theo sơ ồ sau:
Hình 6.7: Sơ ồ quá trình sản xuất thủy tinh
Giai oạn 1: Chuẩn bị nguyên liệu
Các vụn thủy tinh ược nghiền nhỏ, mục ích ể làm mồi cho quá trình nấu. Nguyên liệu sau
khi sơ chế ược trộn theo úng tỉ lệ cho phép. Lò nấu nguyên liệu sau khi trộn xong vận chuyển
ổ vào thùng chứa ể ròng rọc kéo ưa lên vào lò nấu ở nhiệt ộ 1500 oC.
Giai oạn 2: Giai oạn tạo thủy tinh
Từ 900 – 1200 oC các muối silicate chảy lỏng thành một khối trong suốt nhưng còn nhiều
bọt, thành phần thủy tinh chưa thống nhất. Sau khi quá trình khử bọt kết thúc (1400 – 1500
oC), người ta vẫn phải giữ thủy tinh trong một thời gian nhất ịnh ở nhiệt ộ cao. Do ở nhiệt
ộ như vậy ộ nhớt của thủy tinh rất thấp tạo iều kiện khuếch tán các thành phần của nguyên
liệu ồng ều ở các hướng. lOMoAR cPSD| 40342981
Giai oạn 3: Giai oạn làm lạnh
Ở trạng thái quá lỏng không thể gia công sản phẩm thủy tinh, phải hạ thấp nhiệt ộ xuống
1100 – 1300 oC ể có ộ nhớt ảm bảo cho quá trình tạo hình.
Giai oạn 4: Tạo hình sản phẩm
Được tiến hành bằng các phương pháp: Phương pháp kéo, phương pháp rót, phương pháp
cán, phương pháp ép, phương pháp li tâm, phương pháp thổi. Để ảm bảo ộ vững chắc của
sản phẩm thủy tinh chúng cần ược ủ và xử lý nhiệt. Quá trình này mất từ 30 phút ến 2 giờ.
Sản phẩm cuối cùng ược kiểm tra chất lượng bằng các thiết bị chuyên dụng. Các sản phẩm
không ạt yêu cầu quay trở lại tái chế, các sản phẩm ạt yêu cầu sẽ ược óng gói và vận chuyển.
c. Các yếu tố ảnh hưởng ến quá trình nấu thủy tinh -
Nhiệt ộ cao thì thời gian nấu ngắn i. Ví dụ: nấu một loại thủy tinh thường, ở
1300 oC mất 15 giờ. Nhưng nấu ở 1400 oC chỉ mất 5 giờ. Tuy nhiên nhiệt ộ ảnh hưởng ến ộ
bền vật liệu lót lò và nồi nấu. Loại thủy tinh thông thường nấu ở 1400 – 1500 oC. -
Thành phần hóa học: tăng oxide kim loại kiềm và kiềm thổ dễ nấu, nhưng chất
lượng ( ộ bền hóa nhiệt) thủy tinh kém; còn B2O3, Al2O3, Si2O3 tăng làm nhiệt ộ nấu thủy
tinh phải cao song chất lượng thủy tinh cao.
d. Lò nấu thủy tinh
Trong thực tế người ta dùng hai loại lò nấu thủy tinh: lò gián oạn và lò liên tục. -
Lò gián oạn: phối liệu cho vào lấy ra từng mẻ một. Lò gián oạn gồm lò nồi và lò bể. -
Lò liên tục: lò liên tục có năng suất rất cao. Phối liệu và thủy tinh cho vào và
lấy ra liên tục. Kích thước lò rộng 2 – 5 m, dài 20 – 30 m. Năng suất từ 5 – 100 tấn/24 giờ.
2.2.3. Khắc chữ lên thủy tinh
a. Khắc chữ lên thủy tinh bằng HF
Thủy tinh vốn rất cứng, lại trơn nên việc chạm khắc lên nó là việc rất khó. Muốn
chạm khắc hoa văn lên bề mặt thủy tinh, trước tiên người ta quét lên mặt thủy tinh một lớp
paraffin. Sau ó người ta chạm trổ hoa văn lên lớp paraffin ó, làm cho phần thủy tinh khắc sẽ
lộ ra. Sau khi khắc, trổ xong tạo thành các rãnh, người ta nhỏ một lượng hydrofluoric acid
(HF) hoặc hỗn hợp CaF2 và H2SO4 ặc lên, chất này gặp phần thủy tinh lộ ra do chạm khắc,
xảy ra sự ăn mòn thủy tinh. Các quá trình xảy ra:
CaF2 + H2SO4ặc → 2HF + CaSO4
4HF + SiO2 → SiF4 + 2H2O SiF4 + 2HF → H2SiF6(tan) 8 lOMoAR cPSD| 40342981
Hình 6.8: Sản phẩm thủy tinh ược khắc bằng HF
b. Khắc chữ lên thủy tinh bằng laser
Để khắc tạo hình lên thủy tinh người ta hay dùng máy khắc laser CO2, các mẫu khắc
có thể là logo, chữ hay ký tự thể hiện thông tin muốn truyền tải. Thông thường máy khắc
laser chỉ có thể xử lý các vật mẫu dạng phẳng hoặc hơi gồ ghề bằng cách ặt chúng lên vùng
làm việc của máy và khắc. Tuy nhiên với vật mẫu có hình trụ, tròn, các nhà sản xuất máy
laser ã thiết kế ra công cụ quay thích hợp với từng loại máy. Chỉ cần cho dụng cụ giữ chặt
mẫu thủy tinh khi khắc chúng sẽ tự ộng xoay tròn ể máy laser có thể khắc lên từng vị trí mà
người dùng mong muốn.
Hình 6.9: Sản phẩm thủy tinh ược khắc bằng máy khắc laser
Ưu iểm khi sử dụng máy khắc laser: tạo lớp khắc rất mỏng, cách làm nhanh gọn và
ơn giản, nét khắc ẹp, mịn, bền. 2.3. Gốm, sứ 2.3.1. Khái quát
Từ trước công nguyên, con người ã biết nhào nặn ất sét thành hình rồi em nung, nhiều
sản phẩm ồ gốm ã ược biết ến từ rất xa xưa như bình, chum, vại chứa nước, thực phẩm hay
gạch nung, … Gốm ược chia làm 2 loại: Gốm thô và gốm mịn (sứ).
Ở Việt Nam gốm, sứ ã có cách ây sáu, bảy ngàn năm, thời cực thịnh của gốm, sứ là
thời kỳ Lý – Trần (thế kỷ XI – XIV). Gốm là một trong những phát minh quan trọng của tổ lOMoAR cPSD| 40342981
tiên ta từ ngàn ời nay, với trí sáng tạo và ôi bàn tay khéo léo của người thợ gốm, ồ gốm ã
trở thành một loại hình nghệ thuật mang tính dân gian sâu sắc.
Hình 6.10: Làng gốm Bát Tràng
Làng gốm Bát Tràng (Hà Nội), Thổ Hà, Phù Lãng (Bắc Ninh), các nhà máy sứ Hải
Dương, Đồng Nai,… là những cơ sở sản xuất gốm, sứ nổi tiếng ở nước ta. 2.3.2. Gốm a. Khái niệm
Gốm thô: là vật liệu vô cơ phi kim, ược tạo nên do khối vật chất gồm các hạt nhỏ,
mịn của các chất rắn ược nung tới nhiệt ộ thiêu kết ể kết dính vào nhau; sau khi ể nguội cả
khối sẽ ông cứng lại. Hình dạng của ồ gốm ược giữ nguyên như khi chúng ược tạo thành hình trước khi nung.
Hình 6.11: Một số sản phẩm làm từ gốm b. Tính chất
Tính chất của gốm: Bề nhiệt, cách nhiệt, cách iện tốt; Không tan trong nước cũng như các
dung dịch acid, base, muối; Chịu áp lực tốt.
Nhược iểm: Gốm khó gia công thành dạng sợi hay những hình dạng phức tạp. c. Phân loại gốm -
Gốm xây dựng: gồm các loại gạch, ngói, ống dẫn nước, gạch clinker, tấm ốp
tường, lát nền, tấm ốp lát granite, sứ vệ sinh… -
Gốm dân dụng và mỹ nghệ: ồ ất nung như chậu cảnh, lu chậu sành, sứ bàn ăn và sứ mỹ nghệ,… 10 lOMoAR cPSD| 40342981 -
Gốm kỹ thuật: dùng trong chi tiết máy mài, máy cắt trong ngành chế tạo máy:
bình nghiền, ống dẫn, các chi tiết bền acid, bền hóa cho bơm và thiết bị ngành hóa; các vật
liệu cách iện, các chi tiết trong thiết bị iện, iện tử,… d. Sản xuất gốm
Nguyên liệu sản xuất gốm
Nguyên liệu sản xuất chủ yếu gồm: Đất sét, cao lanh, chất phụ gia.
Phương pháp sản xuất gốm
Để sản xuất gốm thường phải trải qua những công oạn sau: Khai thác các loại nguyên
liệu, chuẩn bị phối liệu, tạo hình sản phẩm, sấy và nung sản phẩm, trang hoàng sản phẩm.
Nung sản phẩm gốm thô
Quá trình nung gốm thô ược tiến hành qua 4 giai oạn: -
Giai oạn sấy khô ở 100 – 200 oC: nước bốc hơi và thoát ra hoàn toàn. -
Giai oạn ốt nóng ở 200 – 900 oC: chất hữu cơ cháy, nước hóa học tách ra, các carbonate phân hủy. -
Giai oạn nung cao lửa ở 900 – 1500 oC: mạng lưới tinh thể của ất sét ược hình
thành, khoáng tridimit, cristohalit xuất hiện. -
Giai oạn làm nguội: nhiệt ộ từ 1050 oC hạ xuống còn 40 – 50 oC. 2.3.3. Gốm mịn (sứ) a. Khái niệm
Gốm mịn (gốm tinh vi, gốm tinh hay sứ): bao gồm sản phẩm có ộ kết khối cao, mặt
gãy ồng nhất, cỡ hạt mịn, ộ xốp và ộ hút nước bé. Vết mảnh vỡ mịn và sáng. Sản phẩm ược
bọc một lớp men mỏng. Đa số gốm mịn có màu trắng, một số khác có màu giống gốm thô.
Hình 6.12: Một số sản phẩm từ sứ b. Phân loại Sứ có nhiều loại
- Sứ dân dụng: sản xuất các ồ dùng, ồ trang trí: bát, chén, ĩa, chậu,…
- Sứ kỹ thuật: ược dùng ể tạo các vật cách iện, bugi ánh lửa, chén chịu nhiệt, dụng cụ thí nghiệm,… lOMoAR cPSD| 40342981 c. Sản xuất sứ Nguyên liệu
Trong sản xuất sứ, nguyên liệu cũng như trong sản xuất gốm nói chung, tuy nhiên là
vì gốm mịn nên ngoài nguyên liệu dùng cho mộc còn có dùng cho men nên người ta còn
dùng thạch anh, cao lanh, tràng thạch. Ngoài ra ể tăng cường một số tính chất của men sứ,
người ta còn dùng á “tan” (tale) Mg3[Si4O10](OH)2, á phấn (CaCO3), dolomite MgCa(CO3)2
và một số oxide riêng biệt ể tạo màu cần thiết. Nung sứ
Sản phẩm sứ trước khi ưa vào lò nung phải ược sấy trong các lò sấy (sấy phòng, sấy
xích, lò sấy tuynen hoặc lò sấy èn chiếu…). Nhiệt ộ sấy vào khoảng 110 – 130oC, ộ ẩm cuối cùng 1 – 2%.
Tráng men trang hoàng sản phẩm
Men là lớp thủy tinh mỏng 0,1 – 0,3 mm có tác dụng bảo vệ bề mặt, tránh tác dụng
của các hóa chất và làm tăng vẻ ẹp của sản phẩm. Có 2 loại men: men dễ chảy và men khó chảy.
Tráng men: người ta tráng men lên sản phẩm bằng nhiều phương pháp: nhúng, dội,
phun và lăn men. Có thể tráng men sản phẩm sau giai oạn sấy rồi em nung một lần. Nếu sản
phẩm ã tráng men rồi thì nung lại (nung 2 lần).
Trang trí sản phẩm bằng các chất màu: các oxide kim loại màu khi ở nhiệt ộ cao tác
dụng với SiO2, Al2O3,… tạo thành hợp chất nhuộm màu. Có hai loại: màu trên men và màu dưới men. 2.4. Silicon
2.4.1. Khái quát về silicon Số
hiệu nguyên tử: 14 Kí hiệu nguyên tử: Si
Trọng lượng nguyên tử: 28,0855 Điểm nóng chảy: 1414 oC Điểm sôi: 3265 oC
2.4.2. Tính chất
- Silicon là một á kim, có tính chất của kim loại lẫn phi kim.
- Silicon tương ối trơ, hầu như không bị ảnh hưởng bởi các acid.
- Silicon kết tinh và có màu hơi xám.
- Silicon cho truyền qua 95% bước sóng hồng ngoại. 12 lOMoAR cPSD| 40342981
2.4.3. Các nguồn silicon
- Silicon là nguyên tố dồi dào thứ 2 trong lớp vỏ trái ất sau oxygen.
- Silicon chiếm 25,7% trọng lượng lớp vỏ trái ất.
- Silicon không ược tìm thấy tự do trong thiên nhiên, xuất hiện dưới dạng oxide và
silicate trong một số khoáng chất.
2.4.4. Vật liệu silicon (silicone)
Silicone là các polymer bao gồm bất kỳ hợp chất tổng hợp, trơ ược tạo thành từ các
ơn vị lặp lại của siloxan, gồm một nhóm chức của hai nguyên tử silicon và một nguyên tử
oxyen thường xuyên kết hợp với carbon hoặc hydrogen.
Silicone thường chịu nhiệt và àn hồi cao su, ược sử dụng trong chất bít kín, chất kết
dính, chất bôi trơn, thuốc men, dụng cụ nấu ăn và dùng trong cách nhiệt và cách iện. Một
số hình thức phổ biến bao gồm: dầu silicone, mỡ silicone, cao su silicone, nhựa silicone.
Silicone có nhiều dạng và ược sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng riêng biệt. -
Ở dạng cát và ất sét ược dùng nung thành gạch, là thành phần chính của thủy tinh. -
Ở dạng silicate có thể ược dùng ể sản xuất men, gốm và chất chịu nhiệt, hay
có thể ược dùng trong các thiết bị nhiệt ộ cao. -
Silicon siêu tinh khiết có thể kết hợp với gallium, phosphorus và arsenic ể tạo
ra silicone bán dẫn dùng trong pin mặt trời, máy chỉnh lưu và những dụng cụ khác ược sử
dụng rộng rãi trong iện tử và công nghiệp hàng không vũ trụ. -
Silicon vô ịnh hình ã hydrat hóa có triển vọng trong xu hướng chế tạo pin kinh
tế dùng biến ổi năng lượng mặt trời thành iện năng. -
Silicon còn ược dùng trong thẩm mỹ ể nâng mũi, nâng ngực và ộn mông. Tuy
nhiên việc lạm dụng silicone có thể gây ra nhiều tác hại cũng như di chứng áng tiếc.
Câu hỏi tự kiểm tra ánh giá
1. Tính chất nào dưới ây không phải tính chất của xi măng? A. Tan trong nước.
B. Không hòa tan trong nước. C. Dẻo.
D. Chóng bị khô, kết thành tảng, cứng như á.
2. Một loại thủy tinh chứa 13% Na2O, 11,7% CaO và 75,3% SiO2 về khối lượng. Thành
phần của loại thủy tinh này biểu diễn dưới dạng oxide là? A. 2Na2O.CaO.6H2O. B. 2Na2O.6CaO.H2O. lOMoAR cPSD| 40342981 C. Na2O.CaO.6H2O. D. Na2O.6CaO.6H2O.
3. Trộn ều một phần vôi với bốn phần cát và lượng nước vừa ủ ta thu ược một khối nhão gọi
là vữa vôi dùng ể kết dính các viên gạch, á với nhau trong các công trình xây dựng. Sau
một thời gian, vữa vôi ông cứng dần và gắn chặt với gạch, á.
a) Có phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình trộn vữa không? Viết phương trình phản ứng nếu có.
b) Vì sao vữa vôi lại ông cứng dần và gắn chặt vào gạch, á? 4.
Hiện tượng ăn mòn xi măng và biện pháp ề phòng? Tạo sao lại xảy ra hiện tượng dị ứng xi măng? 5.
Tại sao dụng cụ trong phòng thí nghiệm thường làm bằng thủy tinh, sứ mà không
phải là sắt, thép? Tại sao không dùng lọ thủy tinh ựng dung dịch HF?
Một số câu hỏi sinh viên tự nghiên cứu 1.
Nguyên nhân của hiện tượng vón cục xi măng là gì và có ảnh hưởng ến chất lượng
xi măng không? Các lưu ý trong quá trình sử dụng xi măng? Cách thức bảo quản xi măng? 2.
Tìm hiểu về hiện trạng môi trường tại làng nghề gốm – sứ Bát Tràng hiện nay. Những
nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường từ quá trình sản xuất gốm – sứ? Anh (chị) hãy ề xuất
một số biện pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ quá trình sản xuất gốm sứ. 3.
Trong quá trình tìm tòi và thử nghiệm nhiều loại chất ể bơm cấy, ộn ghép vào cơ thể
như xương sụn, ngà voi, một số kim loại, chất dẻo, một số chất tổng hợp và hợp chất polymer
như silicone. Tại sao silicone lại tương thích ược với cơ thể con người?
B. CÁC LOẠI VẬT LIỆU KHÁC
Sinh viên tự ọc tài liệu tham khảo ở nhà và thông tin trên mạng internet trả lời các câu hỏi sau: 14 lOMoAR cPSD| 40342981
1. Thành phần hóa học chủ yếu trong vôi sống là gì? Lò nung vôi có những loại nào?
Nêu những ứng dụng của vôi?
2. Vật liệu polymer có những loại nào? Lấy ví dụ mỗi loại. Kể tên một số ứng dụng vật liệu polymer?
3. Trình bày những hiểu biết chung về vật liệu composite (khái niệm, ặc iểm, ứng dụng)?
1. Vật liệu từ á vôi
Đá vôi ược dùng rộng rãi, thường ược dùng làm cốt liệu cho bê tông, rải mặt ường ô tô,
ường xe lửa, dùng trong các công trình thuỷ lợi, chế tạo tấm ốp, tấm lát và các cấu kiện kiến
trúc khác. Đá vôi là nguyên liệu ể sản xuất xi măng, bột nhẹ, calcium oxide (CaO) hay vôi sống.
Việt Nam có khoảng 190 mỏ á vôi phân bố khắc cả nước. Song nguồn á vôi ở Việt Nam
song tập trung chủ yếu ở các tỉnh thuộc vùng Đông Bắc, Đồng bằng Sông Hồng và Bắc Trung Bộ.
Một trong những vật liệu quan trọng từ á vôi ó là calcium oxide. Calcium oxide
(CaO) (các tên gọi thông thường khác là vôi sống, vôi nung) là một oxide của calcium và
ược sử dụng rộng rãi.
a. Thành phần và tính chất của vôi
Hình 6.13: Vôi sống (CaO)
Calcium oxide (CaO) là chất rắn có dạng tinh thể màu trắng và là một chất ăn da có
tính kiềm. Vôi sống có chứa lẫn cả magnesium oxide (MgO), silicon oxide (SiO2) và một
lượng nhỏ nhôm oxide Al2O3 và các Iron (II) oxide (FeO). b. Sản xuất vôi
Nguyên liệu
Nguyên liệu chủ yếu là các nham thạch thiên nhiên có chứa CaCO3, gọi là á vôi. Nung vôi
Khi nung, á vôi bị phân hủy ể tạo thành CaO và CO2, phản ứng thuận nghịch và thu
nhiệt: CaCO 3 CaO + CO – 180 kJ2 lOMoAR cPSD| 40342981
Các yếu tố ảnh hưởng ến quá trình nung vôi -
Nhiệt ộ: trên 600oC á vôi bắt ầu bị phân hủy, ở nhiệt ộ trên 900 oC á vôi bắt ầu phân hủy mạnh.
Trong thực tế người ta thường nung ở 1000 – 1100 oC. Nếu trên 1200 oC thì các oxide
trong tạp chất như SiO2, Fe2O3, Al2O3 sẽ tác dụng với CaO tạo thành các khoáng siliconate
(CaO.SiO2), calciumluminat (CaO.2Al2O3; 5CaO.3Al2O3) và calciumferit (2CaO.Fe2O3). -
Áp suất: Để phản ứng chuyển dịch về phía tạo CaO thì CO2 phải ược tách ra
khỏi vùng phản ứng. Ở nhiệt ộ 900oC áp suất phân hủy CaCO3 bằng áo suất khí quyển bên
ngoài và ở ây CaCO3 phân hủy mạnh nhất. Vì vậy iều kiện trong lò vôi phải thoáng khí. -
Kích thước nguyên liệu: Nguyên liệu cho vào có kích thước to nhỏ khác nhau
dẫn ến hiện tượng có chỗ vôi sống, có chỗ vôi quá lửa. Kích thước nguyên liệu bé, thời gian
nung ược rút ngắn, nhưng quá bé dễ bị vỡ vụn, CO2 tạo thành khó thoát ra. Ngoài ra, kích
thước còn phụ thuộc cấu tạo của lò nung. -
Thành phần của á vôi: Vôi ít tạp chất dễ nung, dễ tôi. Nếu lẫn nhiều tạp chất
sét, tạo thành vôi khó tôi. Nếu lẫn nhiều MgCO3 khi phân hủy tạo MgO. Oxide này hydrat
hóa chậm và không có tính ổn ịnh. Đá vôi chứa trên 90% CaCO3, thấp hơn 2,5% MgCO3
dùng nung vôi là tốt nhất. Lò nung vôi
Có nhiều loại lò nung vôi: lò ầy, lò ứng, lò quay, lò vòng, lò tầng sôi. Phổ biến hiện
nay người ta dùng lò ứng kiểu liên tục; ở Việt Nam người ta còn dùng phổ biến loại lò ầy
sản xuất vôi gián oạn. Hiện nay, một số cơ sở sản xuất vôi dùng lò ứng nửa liên tục và liên tục. 16 lOMoAR cPSD| 40342981
Hình 6.14: Sơ ồ lò nung vôi công nghiệp -
Lò ầy: là loại lò thủ công, dung tích lò có thể ến 150 m3, kích thước nguyên
liệu xếp vào lò từ 150 – 300 mm. Lò làm việc gián oạn từng mẻ theo chu kỳ 12 – 20 ngày,
trong ó thời gian nung 5 – 9 ngày. Nhiên liệu là các loại than, củi. Lò ầy xây dựng ơn giản,
vốn ít, dùng ược các loại nhiên liệu khác nhau nhưng năng lượng tiêu tốn lớn khoảng 30 –
50% theo sản phẩm, chừng 16,800 kJ/kg CaO, chất lượng kém, làm việc nặng nhọc. -
Lò ứng: làm việc nửa liên tục hoặc liên tục, thủ công hoặc cơ khí hóa. Có thể
dùng nhiên liệu rắn, khí hoặc bán khí. Kích thước lò: ường kính 1 – 4 m, cao 8 – 20 m,
nguyên liệu vào lò cỡ 60 – 80 mm ối với lò thông gió cưỡng bức tự nhiên. Tiêu tốn tùy dạng
nhiên liệu từ 4180 – 6400 kJ/kg CaO.
c. Ứng dụng của vôi
- Làm vật liệu xây dựng.
- Vôi sử dụng trong công nghiệp hóa chất: sản xuất gạch siliconate, iều chế
CaCO3 tinh khiết làm phụ gia cho công nghiệp xà phòng, thuốc ánh răng, cao su.
- Vôi còn ược dùng trong công nghiệp tinh chế ường, tẩy vải sợi, khử chua ất
nông nghiệp, chống ẩm cho kho tàng.
- Sản xuất ồ gốm, xi măng, sơn lOMoAR cPSD| 40342981
Hình 6.15: Một số ứng dụng của vôi
2. Vật liệu polymer
Một trong những thành tựu quan trọng của thế kỷ XX là sự phát triển và ứng dụng
của vật liệu polymer tổng hợp, một loại vật liệu có nhiều tính năng quý mà không loại vật
liệu nào có ược. Chúng có thể mềm dẻo, àn hồi như một số nhựa nhiệt dẻo và cao su, song
cũng có thể cứng hơn cả sắt, thép và có thể làm việc tới hàng ngàn ộ như các loại composite
carbon – carbon ược chế tạo từ polymer. Chúng có thể là vật liệu cách iện song cũng có thể
là vật liệu dẫn iện,… Bên cạnh ó vật liệu polymer thường có tỷ trọng nhỏ, dễ gia công và
tạo màu theo ý muốn. Chính vì vậy khả năng ứng dụng của chúng rất a dạng, từ làm các sản
phẩm thông dụng như các ồ dùng sinh hoạt tới các lĩnh vực kỹ thuật cao như kỹ thuật iện,
iện tử và ặc biệt là kỹ thuật hàng không vũ trụ.
2.1. Khái niệm
Hợp chất cao phân tử ( ại phân tử) là những chất có phân tử ược tạo thành bởi nhiều
nguyên tử và có khối lượng phân tử ủ lớn từ vài trăm ến hàng triệu, một số ại phân tử sinh
học có thể tới hàng tỷ. Các hợp chất cao phân tử ược tạo thành từ những monomer như
polyvinylcloride tạo thành từ các phân tử vinylcloride (CH2=CHCl) hay polystyrene tạo
thành từ các phân tử styrene (CH2=CHC6H5),…thì mỗi phân tử này người ta gọi là monomer
và các hợp chất cao phân tử này người ta gọi là polymer.
Polymer là những chất cao phân tử mà ại phân tử của nó ược tạo bởi những nguyên
tử hay nhóm nguyên tử ( ơn vị cấu trúc) giống nhau liên kết với nhau lặp i lặp lại với số
lượng ủ lớn ể thể hiện những thuộc tính nhất ịnh và thuộc tính này không thay ổi khi lấy i
hoặc thêm vào một vài ơn vị cấu trúc ó.
2.2. Ứng dụng vật liệu polymer
Do những tính năng ặc biệt của vật liệu polymer nên chúng ược ứng dụng trong khắp
lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật. Từ việc sản xuất bao bì, vật liệu xây dựng ến các chi tiết quan
trọng trong công nghiệp iện, hàng không, vũ trụ,… 18 lOMoAR cPSD| 40342981
Bảng 6.1: Ứng dụng của vật liệu polymer trong một số lĩnh vực Lĩnh vực ứng dụng Tỷ lệ Xây dựng 25,0% Bao bì 21,0% Đồ gia dụng 2,5% Đồ gỗ 5,0%
Công nghiệp iện, iện tử 15,0% Đóng tàu xe 7,0% Sơn, keo,… 10,0% Nông nghiệp 4,0% Các lĩnh vực khác 10,5%
2.3. Một số vật liệu polymer 2.3.1. Chất dẻo
Chất dẻo là những vật liệu polymer có tính dẻo. Tính dẻo của vật liệu là tính bị biến dạng
khi chịu tác dụng của nhiệt, của áp lực bên ngoài mà vẫn giữ ươc sự biến dạng ó khi thôi tác dụng. a. Polyethylene (PE)
PE là chất dẻo mềm, nóng chảy ở trên 110 oC, có tính trơ tương ối của alkanes mạnh không
nhánh, ươc dùng nhiều làm màng mỏng, vật liệu cách iện, bình chứa... Phương trình iều chế:
Hình 6.16: M ộ t s ố s ả n ph ẩ m làm t ừ PE
b. Poly(vinyl chloride) (PVC)
PVC là chất rắn vô ịnh hình, cách iện tốt, bền với acid, ược dùng làm ống dẫn nước, vật
liệu cách iện, vải che mưa,... Phương trình iều chế: lOMoAR cPSD| 40342981
Hình 6.17: M ộ t s ố s ả n ph ẩ m làm t ừ PVC
c. Poly(methyl methacrylate)
Poly(methyl methacrylate) là chất rắn trong suốt, có khả năng cho ánh sáng truyền qua tốt
(gần 90%) nên ược dùng làm thủy tinh hữu cơ plexiglas. Plexiglas rất cứng và bền với nhiệt.
Nó cũng bền với nước, acid, base, alcohol, esters, ketones, khi va chạm mạnh không bị vỡ
thành các mảnh sắc, chính vì vậy nó ược ứng dụng làm kính máy bay, ô tô, kính trong máy
móc nghiên cứu, kính xây dựng, răng giả, xương giả, kính bảo hiểm,... Phương trình iều chế:
Hình 6.18: Kính ô tô, máy bay ược làm từ poly(methyl methacrylate) d. Nhựa novolac
Nhựa novolac là chất rắn, dễ nóng chảy, dễ tan trong một số dung môi hữu cơ, dùng ược sản xuất bột ép, sơn. Phương trình iều chế: 20