Nghiên Cứu Vật Liệu Kết Dính Vô Cơ Chịu Nhiệt Từ Polyme Photphat Nhôm

Hợp chất polyme được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một hay nhiều loại nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử (được gọi là monome) liên kết với nhau thành phần tử lớn có cấu trúc đại phân tử. Các phần tử nhỏ liên kết với nhau có thể tạo thành mạch thẳng, mạch nhánh, mạch vòng hay dạng mạch không gian. Liên kết cộng hóa trị đóng vai trò quan trọng. Các polyme có cấu trúc không gian, nhất là các polyme không đồng nhất, có năng lượng liên kết hình thành cao, nên có độ bền nhiệt thường cao hơn các loại polyme khác. Khi liên kết trong polyme bằng các nhóm mắt xích mạch vòng thì polyme có cấu trúc sít đặc giữa các nguyên tử , tăng độ cứng của polyme.

So với polyme vô cơ thì polyme hữu cơ được phát triển từ rất sớm. Với các đặc điểm dẻo, dễ gia công tạo sản phẩm… các loại polyme hữu cơ được phát triển rất rộng rãi. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là không chịu được nhiệt độ cao và môi trường xâm thực. Vì vậy, cần có những nghiên cứu và ứng dụng của các vật liệu mới để cải thiện được những nhược điểm trên. Nghiên cứu tổng hợp polyme vô cơ bắt đầu từ những năm 1950, bao gồm polyphotphat, polysilicon, polysilicat, polyborat. Các vật liệu này đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp. Ngày nay, việc nghiên cứu và tổng hợp được mở rộng, đạt được thành tựu trong việc tìm kiếm và ứng dụng các loại polyme có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn mạnh. Với các phương pháp trùng hợp, trùng ngưng, phương pháp đa tụ, phối trí và sự thay đổi của các nguyên tố vô cơ, các nhóm gốc đã tạo ra mảng vật liệu đa dạng, có tính năng thay đổi phù hợp với yêu cầu công nghệ.

Các chất kết dính hữu cơ như nhựa epoxy, polyurethane có khả năng kết dính và đóng rắn tốt ở nhiệt độ thường, nhưng khi gặp nhiệt độ cao, các chất này lại không đảm bảo được sự bền vững. Do vậy, khi cần chất kết dính để gắn kết các chi tiết, dụng cụ làm việc ở điều kiện nhiệt độ cao (trong các lò nung, tủ sấy, lò nấu kim loại,...) người ta thường sử dụng các chất kết dính vô cơ. Bên cạnh khả năng kết dính trong các điều kiện nhiệt độ cao, polyme vô cơ cũng hoàn toàn phù hợp với vai trò làm chất kết dính dẫn điện khi bổ sung thêm các hạt kim loại, cải thiện được rất nhiều hạn chế của các loại chất kết dính hữu cơ dẫn điện, đặc biệt là ở độ ổn định và khả năng chịu nhiệt.

Việc sản xuất các vật liệu kết dính vô cơ chịu nhiệt thường đòi hỏi quy trình phức tạp và sử dụng các nguyên liệu đặc biệt, dẫn đến chi phí sản xuất cao. Điều này gây khó khăn cho việc ứng dụng rộng rãi các vật liệu này trong thực tế. Cần có các nghiên cứu và phát triển để tìm ra các phương pháp sản xuất hiệu quả hơn, giảm chi phí sản xuất, và làm cho vật liệu kết dính vô cơ trở nên cạnh tranh hơn so với các vật liệu khác.

Polyme vô cơ hệ photphat nhôm tổng hợp từ axit photphoric (H 3 PO4 ) và nhôm hydroxit (Al(OH) 3), đất đồi Phú Thọ, thử nghiệm kết dính trên nguyên liệu samot. Tỉ lệ giữa axit photphoric và nhôm hydroxit là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của polyme. Việc lựa chọn tỉ lệ phù hợp sẽ đảm bảo quá trình phản ứng diễn ra hoàn toàn và tạo ra polyme với cấu trúc và tính chất mong muốn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỉ lệ P:Al ảnh hưởng đến độ bền nhiệt, khả năng kết dính, và các tính chất khác của vật liệu.

Các yếu tố như nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, và phương pháp khuấy trộn ảnh hưởng đến chất lượng của polyme photphat nhôm. Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và cấu trúc của polyme. Thời gian phản ứng cần đủ để các chất phản ứng hoàn toàn với nhau. Phương pháp khuấy trộn cũng quan trọng để đảm bảo sự đồng nhất của hỗn hợp phản ứng và tạo ra polyme có tính chất đồng đều.

Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại IR được sử dụng để xác định các nhóm chức có trong polyme photphat nhôm, từ đó suy ra cấu trúc của polyme. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể của polyme. Kết quả phân tích XRD cho phép xác định các pha tinh thể có trong polyme và đánh giá mức độ kết tinh của vật liệu. Cả hai phương pháp này đều quan trọng để kiểm tra và đánh giá chất lượng của polyme photphat nhôm.

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, với điều kiện về thời gian và kinh phí còn hạn chế, việc thử nghiệm mới chỉ được thực hiện theo một hướng cụ thể, đó là thử nghiệm khả năng kết dính và chịu nhiệt của hệ polyme cho sản xuất gạch samot, với mục tiêu tạo ra gạch samot không nung, giảm tiêu hao năng lượng cho quá trình nung, đồng thời đơn giản hóa quy trình sản xuất loại vật liệu này. Các kết quả thực nghiệm thu được cho thấy một hướng đi khả quan trong kỹ thuật sản xuất vật liệu kết dính chịu nhiệt.

Polyme photphat nhôm đã và đang được ứng dụng ngày một rộng rãi trong ngành khoa học vật liệu, như sản xuất sơn chịu nhiệt có khả năng chịu nhiệt độ cao, làm chất kết dính chế tạo gạch không nung từ nguyên liệu đất đồi… Xuất phát từ các kết quả đó, có thể thấy rằng, việc sử dụng polyme photphat nhôm, kết hợp với đất đồi để tạo ra một loại vật liệu kết dính có độ bền cơ cao và khả năng chịu nhiệt đáp ứng được các yêu cầu của vật liệu chịu nhiệt là hoàn toàn có cơ sở.

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cường độ của vật liệu. Các kết quả thực nghiệm cho thấy sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cường độ của vật liệu kết dính vô cơ. Nhiệt độ nung quá cao có thể làm giảm cường độ của vật liệu do sự phân hủy hoặc biến đổi cấu trúc. Ngược lại, nhiệt độ nung phù hợp có thể làm tăng cường độ của vật liệu do sự kết tinh hoặc tạo liên kết mạnh hơn giữa các thành phần.

Khảo sát cường độ và thành phần pha của vật liệu khi nung. Sự thay đổi thành phần pha của vật liệu sau khi nung cũng ảnh hưởng đến cường độ của vật liệu. Các pha tinh thể có thể tăng cường độ của vật liệu, trong khi các pha vô định hình có thể làm giảm cường độ. Việc kiểm soát thành phần pha của vật liệu trong quá trình sản xuất là rất quan trọng để đạt được độ bền mong muốn.

Các kết quả thu được là cơ sở cho việc xây dựng và hoàn thiện các quy trình công nghệ khả thi sử dụng vật liệu kết dính mới cho việc sản xuất các vật liệu chịu nhiệt.

Định hướng nghiên cứu sử dụng polyme photphat nhôm làm chất kết dính cho vật liệu chịu nhiệt. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất và cải thiện tính chất của vật liệu. Đồng thời, cần khám phá các ứng dụng mới của vật liệu này trong các lĩnh vực khác nhau.