Chương 2.Pdf

Chương 2 Nguyên liệu sản xuất Chương 2 Nguyên liệu sản xuất Nguyên liệu dẻo Nguyên liệu gầy Nguyên liệu phụ  Raw materials for pottery were the natural plastic clays  In modern ceramics many other r[.]

Chương 2: Nguyên liệu sản xuất

Nguyên liệu dẻo Nguyên liệu gầy Nguyên liệu phụ

 Raw materials for pottery were the natural plastic clays

materials, but clay is still a major one

 Clay is “secondary rock: formed by weathering of certain other rocks

 Clay is mixture

Nguyên liệu dẻo

 Đất sét và cao lanh

– Đất sét hay sét là một thuật ngữ được dùng để miêu tả một nhóm các khoáng vật phyllosilicate nhôm ngậm nước (xem khoáng vật sét), thông thường có đường kính hạt nhỏ hơn 2 μm (micromét) Đất sét bao gồm các loại khoáng chất phyllosilicat giàu các ôxít và hiđrôxít của silic và nhôm cũng như bao gồm một lượng lớn nước tham gia vào việc tạo cấu trúc và thay đổi theo từng loại đất sét

– Cao lanh hay đất cao lanh, kaolin là một loại đất sét màu trắng, bở, chịu lửa, với thành phần chủ yếu là khoáng vật kaolinit cùng một số khoáng vật khác như illite, montmorillonite, thạch anh v.v

– Giải thích thuật ngữ:

Phyllosilicate hay còn gọi là các silicat có cấu trúc dạng tấm với đơn vị cấu trúc là Si2O52- Trong nhóm phyllosilicat có các khoáng có mica, chlorite, talc, sepertine và khoáng sét

 The basic structure of the phyllosilicates:

 Si2O52- Si2O5OH

3- Nguồn gốc

 Đất sét nói chung được tạo ra do sự

silicat dưới tác động của axít cacbonic nhưng một số loại đất sét lại được hình thành do các hoạt động thủy nhiệt

 Cao lanh sơ cấp sinh ra từ quá trình phong hóa hóa học hay thủy nhiệt của các loại đá có chứa fenspat như rhyolit,

từ nơi nó sinh ra vì xói mòn và được vận chuyển cùng các vật liệu khác tới vị trí tái trầm lắng

2.1 NGUYÊN LIỆU DẺO: CAO LANH VÀ ĐẤT SÉT

Nguồn gốc:

-sản phẩm phong hoá tàn dư của các loại

đá gốc chứa feldspars, pegmatites, granites

Weathering includes: mechanical action of water, wind, and glacier and chemical action

of water, humic acids at high temperature

and biological

- Gồm lớp tứ diện [SiO4]4- và bát diện [AlO6]9-

- Tạo thành gói hở có chiều dày 7.1 A0 – 7.25 A0, với nhóm OH nằm về một phía, đường kính hạt kaolinite 0.1-0.4mm

Cấu trúc của caolinite

Phân tích cấu trúc caolinite

Các nhóm khoáng…

- kaolinite hầu như không trương nở trong nước,

độ dẻo kém, khả năng hấp phụ trao đổi ion yếu (thường từ 5 ÷10 mili đương lượng gam đối với

100 g cao lanh khô), khối lượng riêng của khoáng kaolinite khoảng 2.41 ÷ 2.60 g/cm3

- Các nhóm khoáng tương tự halloysite

Al2O3.2SiO2.4H2O thường đi kèm với kaolinite Nó được coi là sản phẩm hydrat hóa của kaolinite

-Thành phần đất sét, cao lanh được qui đổi theo 3 thành phần khoáng T (kaolinite), F (feldspar), Q (quartz): T + F + Q = 100%

Thành phần sử dụng…(nên)

 Đất chứa montmorilonite hay bentonite

không quá 5% với vai trò tạo tính dẻo

 Đất sét (ball clay)

Các nhóm khoáng…

 Nhóm khoáng montmorillonite (smectite)

- Al2O3.4SiO2.H2O + nH2O

- gồm 3 lớp: 2 lớp tứ diện [SiO4] 4- và 1 lớp bát diện [AlO6] 9-

- các nhóm OH - nằm bên trong 3 lớp trên tạo thành gói kiểu kín

- Do có sự thay thế đồng hình, nên montmorilonite với hàm lượng Fe 2+ , Fe 3+ , Ca 2+ , Mg 2+ khá lớn

- Độ phân tán cao, hạt mịn, kích thước cỡ 0.06 μm có thể

chiếm đến 40%, có độ dẻo rất lớn

-Do có cấu trúc 3 lớp nên các phân tử H2O có thể đi sâu vào

và phân bố giữa các lớp làm cho mạng lưới của nó trương nở rất lớn

-Có khả năng hấp phụ trao đổi ion lớn

-Khối lượng riêng từ 1.7 ÷ 2.7 g/cm 3

-bentonite, beidellite Al2O3.3SiO2.H2O

Montmorilonite

Phân tích cấu trúc montmorilonite

Các nhóm khoáng…

Các nhóm khoáng

 Nhóm khoáng chứa alkali-illite

Muscovite: K2O.3Al2O3.6SiO2 2H2O

Biotite: K2O.4MgO.2Al2O3.6SiO2.H2O

-Tương tự như khoáng 3 lớp: có tính dẻo, khả năng hấp phụ và trao đổi ion

- Vermiculite

Different important clays

độ mộc cũng như diễn biến tính chất của khoáng đó theo nhiệt độ nung

2.1.3 Các tính chất kĩ thuật

Khả năng trương nở thể tích và hấp phụ trao đổi ion

 Do cấu trúc tinh thể của các đơn khoáng của nó quyết định

 Các silicat hai lớp (kaolinite): sự hấp phụ trao đổi cation trước hết và chủ yếu xảy ra ở các mặt cơ sở chứa SiO2 bên ngoài của các cạnh tinh thể, đặc biệt là khi có sự thay thế đồng hình của Si 4+ bằng Al 3+ hay Fe 3+

 Các silicat ba lớp (montmorillonite): hấp phụ trao đổi ion lớn do

sự thay thế đồng hình xảy ra đồng thời cả trong lớp tứ diện và bát diện Khả năng trương nở thể tích lớn do có kiểu cấu trúc dạng vi vảy chồng khít lên nhau, tạo điều kiện cho các phân tử nước dễ bám chắc vào khoảng không gian giữa các gói làm trương nở thể tích cúa nó lên đến 16 lần so với thể tích lúc đầu khan nước

2.1.3 Các tính chất kĩ thuật

Đặc tính của đất sét và cao lanh khi có nước

 Độ dẻo: khả năng giữ nguyên hình dạng mới khi chịu tác dụng của lực bên ngoài mà không bị nứt

 Khả năng tạo hình: tính chất kỹ thuật quan

trọng trong công nghệ sản xuất:

– Tạo hình dẻo

– Tạo hình bán khô

– Tạo hình đổ rót

2.1.3 Các tính chất kĩ thuật

Đặc tính của đất sét và cao lanh khi có nước

 Tính dẻo phụ thuộc vào thành phần khoáng đất sét, thành phần cỡ hạt, lượng nước…

 Chỉ số dẻo: (phương pháp kim vica, hay

Perfferkorn)

 phương pháp kim vica: Wc- Wl

– Wc: lượng nước ở giới hạn chảy

– Wl: lượng nước ở giới hạn lăn vê (f =2-3mm)

 cho vật m=1200gam rơi ở độ cao H = 185 mm lên mẫu hình trụ có h0 ở trên

 Chỉ số dẻo: khi h/h0 = 3.3, xác định độ ẩm tuyệt đối của mẫu

 Độ ẩm tạo hình: khi tỷ số h/h0 = 2.5, xác định độ ẩm tuyệt đối cho mẫu

 Độ ẩm tuyệt đối tính theo khối lượng mẫu khô

 Phương pháp kim vica: Wc- Wl

– Sử dụng kim vica

– Tạo mẫu đất trong khâu hình côn với độ ẩm w

– Vạch đường khe 3-5mm trong khâu hình côn

– Cho rơi ở độ cao 185mm nếu sau ba lần khe này khít lại thì độ ẩm đạt yêu cầu Xác định Wc

– Lấy mẫu lăn vê đến khi nào đứt rời ra các đoạn hình trụ 3-5mm, xác định Wl

2.1.3 Các tính chất kĩ thuật

Đặc tính của đất sét và cao lanh khi gia nhiệt

 Biến đổi trong quá trình sấy, nung gồm:

 Mất nước lý học, Biến đổi thành phần khoáng (phase), phản ứng pha rắn, Biến đổi thành phần khoáng tạo pha lỏng; phản ứng

có mặt pha lỏng- Các cấu tử phản ứng với nhau để tạo ra pha mới

 Các hiện tượng xảy ra: Biến đổi thể tích (co, giản nỡ và hiện tượng kết khối

2.1.3 Các tính chất kĩ thuật

Đặc tính của đất sét và cao lanh khi gia nhiệt

 5000C: nước lý học, cháy tạp chất hữu cơ

 t = 500 – 6000C:

metakaolinite

 900 –10000C: spinel

 >10000C : mullite + cristobalite

2.1.3 Các tính chất kĩ thuật

Đặc tính của đất sét và cao lanh khi gia nhiệt

 Hiện tượng kết khối là quá trình sít đặc và rắn chắc lại của các phần tử khoáng vật (sản phẩm) dạng bột tơi dưới tác dụng của nhiệt độ hay áp suất, hoặc tác dụng đồng thời của cả hai yếu tố đó (mãnh liệt hơn khi có mặt pha lỏng)

 Kết quả: có cường độ cơ học cao, độ xốp và khả năng hút nước nhỏ, mật độ hay khối lượng thể tích

2.1.3 Các tính chất kĩ thuật

Đặc tính của đất sét và cao lanh khi gia nhiệt

 Khoảng kết khối:hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ kết thúc quá trình và nhiệt độ bắt đầu kết khối

 Nhiệt độ bắt đầu kết khối là nhiệt độ tương ứng khi các tính chất bắt đầu thay đổi đột ngột

 Nhiệt độ kết thúc quá trình kết khối là nhiệt độ mà ở

đó các tính chất của sản phẩm nung đạt được giá trị cực đại hay cưc tiểu (Hp, tính chất cơ lý học…)

 Yêu cầu các phối liệu có khoảng kết khối phải ≥

500C

2.2 NGUYÊN LIỆU GẦY

2.2.1 Tràng thạch

 Aluminosilicat kali (hoặc natri, canxi)

 Công thức K[AlSi3O8] hay Na[AlSi3O8], K +: thế bởi Ba 2+ , Sr 2+ *

– Orthoclase đơn tà nhiệt độ thấp K[AlSi3O8]

- Natriorthoclaze NaK[AlSi3O8] đơn tà nhiệt độ thấp

- Microline K[AlSi3O8], có thể chứa Na2O loại tam tà

- Anorthoclaze (Na, K)[AlSi3O8]: loại tam tà

2.2.1 Tràng thạch

 Tác dụng của tràng thạch: có tác dụng tạo pha lỏng trong quá trình nung, hạ nhiệt độ nung và thúc đẩy quá trình kết khối sản phẩm gốm Chúng ta thấy rõ điều đó qua nghiên cứu biểu đồ pha của hệ ortoklaz-albit (theo Bowen và Turtule 1950) trên hình 8

2.2.1 Tràng thạch

 Tràng thạch kali có tác dụng tốt trong xương sứ: hạ thấp nhiệt

độ nung- khoảng nung rộng: Tràng thạch phối liệu

 Tràng thạch natri -lại thích hợp cho men sứ: độ nhớt của men

bé, dễ chảy, men bóng láng hơn

 Trong thực tế tràng thạch tồn tại ở dạng dung dịch rắn Đối với xương sứ khi hổn hợp đó chiếm 60% tràng thạch kali và 40% tràng thạch natri vẫn dùng rất tốt Đối với men sứ tỉ lệ

K2O/Na2O ≈1/1 tính chất men vẫn tương tự như tràng thạch natri nguyên chất

 Ngoài ra khi nóng chảy có khả năng hòa tan thạch anh (SiO2) hay sản phẩm phân hủy của cao lanh, tăng cường tái kết tinh khoáng mullite

2.2.1 Tràng thạch

 Vai trò của tràng thạch trong công nghiệp gốm sứ là rất quan trọng, quyết định điều kiện công nghệ (nhiệt độ nung) và ảnh hưởng lớn đến các tính chất kĩ thuật của sứ

 Ví dụ: Sứ muốn có độ trong cao, hạn chế các oxyt gây màu (Fe2O3 + TiO2) phải đưa vào một lượng tràng thạch đủ lớn (29-30 %); hay muốn có độ bền điện cao hàm lượng tràng thạch ≥ 30 %

 - Dạng vô định hình bao gồm đá cuội (flint) và diatomite, opal, trepen Đá cuội nếu loại có độ cứng cao, độ bào mòn nhỏ và bề mặt ngoài nhẵn thì dùng làm bi nghiền để nghiền nguyên liệu, phối liệu gốm

sứ rất tốt

2.2.3 Các loại nguyên liệu khác

 Công nghiệp gốm sứ còn dùng nhiều loại nguyên liệu khác như hoạt thạch (talc) 3MgO.4SiO2.2H2O,

đá vôi CaCO3, dolomite CaCO3.MgCO3 (trong đó CaCO3: 54.27%, MgCO3: 45.73%), các hợp chất chứa BaO, TiO2, ZrO2, Al2O3 v.v

 Các ôxyt thuộc họ đất hiếm như La2O3, BeO, ThO2, hay các oxyt thuộc nhóm chuyển tiếp như CoO,

Cr2O3 v.v

 Chú ý lượng tạp chất trước hết là Fe2O3, TiO2 v.v

Talc: Mg3Si4O10(OH)2

Sử dụng talc

 Gạch ốp tường xốp và gạch lát nền:

2.2.4 Nguyên liệu làm khuôn

 Thạch cao: CaSO4.2H2O (với 21% nước kết tinh) Lúc sản xuất khuôn người ta dùng thạch cao CaSO4.0.5H2O, dạng thạnh cao này nhận được bằng cách sấy bột thạch cao nguyên liệu CaSO4.2H2O ở nhiệt độ 1700C

 Hiện nay khuôn thạch cao người ta còn dùng khuôn bằng nhựa nhân tạo polyester hay epoxy, kim loại…

Handbook

Đánh giá các tính chất nguyên liệu

Phân tích thành phần hóa học

 Phân tích theo TCVN (phương pháp trọng

lượng và chuẩn độ)

 Inductivety Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES)

Phân tích thành phần khoáng

 Nhiễu xạ tia X (XRD)

 Phân tích nhiệt