Tiểu luận nghiên cứu chất điện giải dùng trong gốm sứ

Hiện nay, gốm sứ rất phong phú và đa dạng nhiều mẫu mã đòi hỏi các nghànhsản xuất gốm sứ phải cạnh tranh về số lượng, chất lượng, mẫu mã và giá cả thị trườngnhư vậy đòi hỏi nghành sản xu

LỜI MỞ ĐẦU

Trong đời sống con người gốm sứ là một loại đồ dùng rất phổ biến ở mọi thời đạiluôn luôn có mặt và đáp ứng được nhu cầu thẩm mỹ trong đời sống lẫn nhu cầu trongsinh hoạt đời thường, không những thế gốm sứ còn là vật liệu quan trong các nghànhcông nghiệp khác Vì vậy, gốm sứ là một trong những vật liệu quan trọng trong đờisống con người

Hiện nay, gốm sứ rất phong phú và đa dạng nhiều mẫu mã đòi hỏi các nghànhsản xuất gốm sứ phải cạnh tranh về số lượng, chất lượng, mẫu mã và giá cả thị trườngnhư vậy đòi hỏi nghành sản xuất gốm sứ phải đưa ra các giải pháp tối ưu để giúp nângcao chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nguyên vật liệu và thời gian sản xuất để có thể

cạnh tranh trong thị trường, vì vậy ở đề tài tiểu luận nghiên cứu chất điện giải dùng

trong gốm sứ này nhằm vào các vật liệu sản xuất từ gốm sứ dùng cho đời sống sinh

hoạt tiết kiệm được thời gian sản xuất cũng như nguyên vâật liệu sử dụng trong quátrình phối trộn hồ gốm sứ, vì thế chất điện giải dùng để cắt giảm thời gian pha trộn vàbớt đi lượng nước sử dụng rất quan trọng trong khâu gia công phối liệu gốm sứ

Chất điện giải sử dụng trong đề tài nghiên cứu này là natri silicat (Na2SiO3) haycòn gọi là thuỷ tinh lỏng và natri hidroxit (NaOH) với mục đích để chọn ra chất nào tối

ưu nhất trong quá trình pha loãng hồ gốm sứ, bớt đi lượng nước nhiều nhất và thờigian pha loãng tối ưu nhất

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GỐM SỨ 1.1 Gốm sứ

1.1.1 Khái niệm

Gốm sứ (Ceramic) là các vật liệu vô cơ không kim loại có cấu trúc dị thể, thànhphần khoáng và hoá khác nhau, được sản xuất trên cơ sở nguyên liệu dạng bột mịn, tạohình, sấy rồi đem nung đến kết khối ở nhiệt độ cao tạo thành các vật liệu đồ gia dụng,

đồ mỹ nghệ hay trong xây dựng

Khái niệm gốm sứ cần được hiểu theo nghĩa rộng,bao gồm một lớp rất lớn cácsản phẩm công nghệ được ứng dụng trong các lĩnh vực hết sức khác nhau Đặc trưng

cơ bản của quá trình công nghệ ceramic là quá trình nhiệt độ cao Nhờ nhiệt độ cao,các quá trình phản ứng pha rắn và kết khối (có thể có pha lỏng với độ nhớt cao) xảy ratrong phối liệu, tạo nên sản phẩm độ bền cơ và các tính chất cần thiết khác

Hình 1-1 Một số sản phẩm làm từ gốm sứ

1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển

Gốm sứ là một trong những nghành công nghiệp có từ rất lâu đời Tính từ 24.000năm trước công nguyên, các đồ vật được làm từ đất sét và các chất liệu khác với hìnhthù khác nhau, sau đó chúng được nung với nhiệt độ cao để tạo thành vật dụng trongđời sống

Thời xưa, người ta dùng các loại giỏ đan để đựng nước, nước dưới sông có lẫnsét, khi nước được đổ ra ngoài thì còn lại các lớp đất sét bám vào giỏ đan, khi để giỏdưới ánh nắng lâu ngày, lớp đất sét khô lại Khi bóc lớp đất sét khô ra người ta thấy códạng hình như chiếc giỏ Từ đó, người ta phát hiện ra công dụng của sét

Các lò nung đồ gốm được làm từ gạch cách nhiệt, hỗn hợp rơm và đất sét bởingười Ai Cập cổ Sau đó họ dùng đất sét mịn và hàm lượng thạch anh cao để làm chosản phẩm đẹp và tinh tế hơn Để tạo bề mặt ngoài nhẵn bóng họ dùng một hòn đá nhãnsát lên bề mặt sản phẩm gốm và đồng thời phủ lên các sản phẩm gốm màu khác nhau.Tiếp đó, để sản phẩm không bị rổ bề mặt thì họ phủ một loại chất liệu lên bề mặtgốm đó chính là men tráng ngày nay gồm thạch anh, soda và một loại khoáng chấtchưa đồng Sau khi phủ lớp men lên sản phẩm họ có độ sáng bóng như gương

Tại Hy Lạp thì phát triển mạnh các sản phẩm gốm mỹ thuật với nghệ thuật trangtrí bằng những hoa văn tinh xảo và đồng thời được trang trí bằng những hình ảnh mô

tả cuộc sống đời thường và các câu chuyện về các vị thần, anh hùng của họ

Khoảng 10.000 năm sau, tại Ấn Độ và Mesopotamia xuất hiện những viên gạchđầu tiên và cùng thời điểm này con người biết sử dụng gốm sứ cho việc trữ nước vàthực thẩm Vào khoảng 8000 năm trước công nguyên người Ai Cập phát hiện ra thuỷtinh, khi đó người ta nung đồ gốm ở một nhiệt độ cao, tạo nên lớp men màu trên đồgốm đến những năm 1500 trước công nguyên, thuỷ được sản xuất độc lập khỏi gốm.Tại Trung Quốc sản xuất gốm sứ sáng màu được làm từ một loại sét dẻo và tinhkhiết được gọi là cao lanh Quá trình nung từng màu riêng biệt khi vẽ chúng tạo ra cácmàu sắc trang trí trên đồ gốm Các vật dụng làm từ gốm tại Trung Quốc được ưachuộng tại Châu Âu

Cuối thế kỉ 16, đồ gốm sứ trở nên phổ biến do việc thông thương qua lại giữa cácnước trở nên dễ dàng với các tuyến đường thương mại qua Manila, đưa gốm sứ từTrung Quốc sang Mexico và Châu Âu.

Nữa đầu thế kỷ 19, các vật liệu gốm sứ cách điện trở nên phổ biến trong các lĩnhvực di động, radio, truyền hình, máy tính và vật liệu thuỷ tinh,…Từ đó gốm sứ là trởnên phổ biến và tiện dụng với đời sống con người

1.1.2 Phân loại

Vật liệu gốm có nhiều cách phân loại khác nhau tuỳ theo các mục đích sử dụng

và quan điểm Dưới đây là một số cách phân loại chủ yếu:

- Theo thành phần hoá học và pha: vật liệu hệ Al2O3 – SiO3, hệ MgO – SiO2, hệAl2O3 – SiO2 – CaO, thuỷ tinh…

- Theo độ xốp của vật liệu: vật liệu xốp, sít đặc, kết khối,…

- Theo cấu trúc hạt vật liệu: gốm thô, gốm mịn

- Theo công dụng của vật liệu: gốm xây dựng, gốm mỹ thuật, gốm kỹ thuật,…

- Theo truyền thống hình thành: đất nung, sành sứ, bán sứ, fajans…

- Theo thành phần khoáng chính trong dản phẩm: gốm mulit, gốm corund,…

Để hiểu rõ bản chất vật liệu và những biến đổi trong đó, xem xét các vật liệuceramic theo thành phần hoá học và thành phần pha của chúng là thuận lợi nhất

1.1.3 Quy trình sản xuất gốm sứ

Hình 1-2 Sơ đồ quy trình sản xuất gốm sứ

Nguyên liệu dạng tự nhiên hoặc kỹ thuật được phối liệu theo những tỷ lệ thànhphần và cỡ hạt cần thiết theo đơn phối liệu, nghiền đủ mịn, tạo hình bằng nhữngphương pháp khác nhau rồi đem nung

Tùy thuộc vào chủng loại sản phẩm, có thể có công nghệ nung sản phẩm một lầnhoặc hai lần Nếu kể tới nung màu trang trí trên men, sản phẩm có thể phải qua lửa lầnthứ ba

Với các sản phẩm gốm thô thông thường như gốm thô, gốm mỹ nghệ, phổ biến làphương pháp nung một lần Sản phẩm được tạo hình, trang trí và nung hoàn thiệntrong một lần nung duy nhất

Với phương pháp nung hai lần, sản phẩm được tạo hình thành mộc Mộc đượcnung trước một lần (khoảng 800 – 900 oC), đem tráng men, sau đó nung lần thứ hai,gọi là nung hoàn thiện (thường từ 1200 oC trở lên) Khái niệm nhiệt độ nung sản phẩmthường chỉ nhiệt độ nung lần này (trong một số ít trường hợp, nhiệt độ nung lần thứhai không phải là nhiệt độ nung cao nhất) Để tăng hiệu quả thẩm mỹ, người ta trangtrí lên men, rồi nung lần thứ ba ở nhiệt độ thấp hơn (thường khoảng 720 – 800 oC,hoặc thấp hơn), để màu bám chặt vào men.

1.1.3.1 Các nguyên liệu

Nguyên liệu chính để sản xuất gốm sứ gồm 2 loại phổ biến đó là nguyên liệu dẻogồm cao lanh, đất sét; và nguyên liệu gầy gồm thạch anh (quartz), tràng thạch(fenspat), hoạt thạch (talc),… Ngoài ra, nguyên liệu khác là hợp chất của CaO, BaO,MgO,… Các nguyên liệu kỹ thuật: B2O3 , TiO2 , Al2O3 … Nguyên liệu được phối liệutheo những tỷ lệ thành phần có trong nguyên liệu dẻo và gầy cần thiết theo đơn phốiliệu, được nghiền mịn, tạo hình, trang trí bằng những phương pháp khác nhau rồi đemnung

Tùy thuộc vào loại sản phẩm, có thể có công nghệ nung sản phẩm một lần hoặchai lần Với phương pháp nung một lần, sản phẩm được tạo hình, trang trí và nunghoàn toàn trong một lần nung duy nhất Với phương pháp nung hai lần, sản phẩm đượctạo thành mộc Mộc được nung trước một lần (khoảng 800 – 900 oC), đem tráng men,sau đó nung lần thứ hai (thường từ 1200 oC trở lên)

Để tăng hiệu quả thẩm mỹ, người ta dùng màu để trang trí trên men rồi nung lầnthứ ba với nhiệt độ thấp hơn (khoảng 720 – 800 oC) để màu bám chặt vào lớp men.Khi sản xuất chất màu và men màu, thường dùng các oxit mang màu như: Cr2O3, CoO,MnO2, PbO, K2O, Na2O, Al2O3 , B2O3 , SnO2, Li2O, CaO, MgO, ZnO

1.1.3.2 Gia công và chuẩn bị phối liệu

- Nghiền: là quá trình nghiền có tác dụng trộn, làm tăng diện tích bề mặt hạt vật

liệu tránh sự kết tụ lại, ngoài ra nó còn tăng mức hoạt hóa bề mặt vật liệu và làm đồngnhất phối liệu do kết hợp trộn nguyên liệu đồng thời trong máy nghiền

Trong tự nhiên đất sét có độ mịn cao hơn các loại nguyên liệu khác, còn tràngthạch nói chung có thể có cỡ hạt thô hơn cát do đóng vai trò là chất chảy Thường phảitiến hành nghiền theo nhiều giai đoạn: nghiền thô, nghiền nhỏ và nghiền mịn Độ mịncần thiết cho nguyên liệu sau khi nghiền thường được xác định bằng cách cho qua hếtsang 1000 lỗ/cm2

- Chuẩn bị phối liệu: để chuẩn bị phối liệu tốt đòi hỏi hai yêu cầu cơ bản thứ

nhất, đạt độ chính xác cao nhất về thành phần hóa học và tỉ lệ các cỡ hạt, thành phầnphối liệu và các tính chất kỹ thuật của nó để sản phẩm sau nung đảm bảo đúng tínhchất mong muốn Thứ hai, đạt độ đồng nhất cao về thành phần hóa, thành phần hạt,lượng nước tạo hình thích hợp, chất điện giải, phụ gia…

Muốn đạt tới yêu cầu đó cần tìm hiểu thật kỹ về các đặc tính của các loại nguyênliệu Căn cứ vào chỉ tiêu chất lượng từng loại sản phẩm cần sản xuất để tính phối liệu

từ nguyên liệu, lựa chọn dây chuyền và công nghệ tối ưu

- Kiểm tra kỹ thuật: mỗi giai đoạn trong quá trình gia công chuẩn bị phối liệu đều

phải qua kiểm tra kỹ thuật một số chỉ tiêu cơ bản như: độ chính xác và đồng nhất vềthành phần hóa, thành phần hạt, độ ẩm, độ dẻo, cường độ mộc, độ co sấy, màu sắc đấtmộc sau nung, tính chất phối liệu sau nung, đối với hồ đổ rót cần kiểm tra them độ lưuđộng và tỉ trọng của hồ…

1.1.3.3 Tạo hình

Với các sản phẩm dùng nguyên liệu đất sét như gốm sứ ta có thể phân loại cácphương pháp tạo hình sau:

- Tạo hình từ huyền phù đổ rót: các sản phẩm ceramic thường được tạo hình

bằng phương pháp đổ rót hỗn hợp phối liệu dạng huyền phù vào khuôn thạch cao,hoặc các khuôn chất dẻo Huyền phù đổ rót chứa một lượng nước rất lớn khoảng 40 –50% trong đó có hoặc không có đất sét

- Tạo hình dẻo: phương pháp tạo hình dẻo bao gồm vuốt bộ trên bệ quay, gắn ráp

trong khuôn thạch cao, xoay trên máy bàn tua dao bản, ép dẻo bằng các loại máy ép…với độ ẩm của phối liệu từ 22 – 26%

- Ép: từ hỗn hợp bột khô (≤ 3%) hoặc hơi ẩm (4 – 9% nước) cho vào khuôn kim

loại, ép nóng với áp suất cao vừa đủ sẽ tạo một khối sít đặc và rắn chắc Sau đó cắt gọtbán sản phẩm (mài, phay, tiện), do các ceramic rất dòn và cứng nên các phương phápnày ít dùng Chỉ áp dụng với một số quá trình đặc biệt, hoặc với những vật liệu mớiđòi hỏi mức chính xác cao về kích thước sản phẩm Phương pháp này phổ biến với cácsản phẩm gốm sứ hiện đại

- Phun men: huyền phù men được phun thành lớp bụi rất đều và độ dày vừa phảibám lên bề mặt xương mộc Phun men cho năng suất và chất lượng cao, tiết kiệmnguyên liệu

Huyền phù men thường có các cấu tử giống như các cấu tử của xương gốm sứ,nhưng mịn hơn và có chứa nhiều thành phần dễ chảy hơn Sau khi đưa men lên bề mặtđem nung tới nhiệt độ xác định, men sẽ chảy tạo thành một lớp thủy tinh mỏng chảyláng trên bề mặt thành phẩm.

1.1.3.6 Nung

- Vai trò của quá trình nung: là khâu rất quan trọng trong kỹ thuật sản xuất gốm

sứ vì nó ảnh hưởng đến chất lượng và giá thành sản phẩm

- Cơ sở lý thuyết của quá trình nung: sản phẩm gốm sứ chỉ nung đến kết khối,quá trình nung là không thuận nghịch và hầu như không đạt cân bằng pha Quá trìnhnung kéo theo những biến đổi vật lí và phản ứng hóa học

- Hiện tượng kết khối: là quá trình làm giảm bề mặt của các phân tử vật chất doxuất hiện mối liên kết giữa các hạt, do sự biến mất lỗ xốp trong vật liệu để hình thànhkhối vật thể có thể tích bé nhất

Các dấu hiệu đánh giá kết khối là sự co rút, giảm thể tích, thay đổi độ hút nước,tăng trọng lượng riêng và tăng độ bền cơ… của vật liệu sau khi gia nhiệt

Dưới tác dụng nhiệt độ tăng dần, trong phối liệu dạng bột sẽ xảy ra một loạt quátrình hóa lý phức tạp như: tách ẩm, biến đổi thù hình, phản ứng hóa học ở pha rắn, phalỏng xuất hiện và tham gia quá trình biến đổi hóa học hoặc lý học… Các quá trình nàyxảy ra phức tạp và khó tách biệt Động lực của quá trình kết khối là sự giảm nănglượng tự do bề mặt giữa các hạt tiếp xúc với nhau Giai đoạn đầu của kết khối gắn liềnvới sai sót dạng lỗ trống trong cấu trúc tinh thể

Nếu kết khối có mặt pha lỏng có thể sẽ chảy tràn vào lấp kín các lỗ xốp hoặc baoquanh hạt rắn, làm tăng quá trình khuếch tán ở vị trí tiếp xúc

Điển hình cho quá trình kết khối có mặt pha lỏng và những biến đổi hóa lý phứctạp trong vật liệu ceramic là quá trình kết khối các sản phẩm gốm sứ Còn điển hìnhcho quá trình kết khối không có mặt pha lỏng và các sản phẩm từ oxit tinh khiết như:Al2O3 kết khối, ZrO2 kết khối…

1.3 Vai trò của chất điện giải

Chất điện giải có vai trò quan trọng ảnh hưởng lớn đến việc hình thành trạng tháidẻo của phối liệu

Trong thực tế khi tìm thấy những tinh thể lý thuyết ở sét, mà thường chỉ là những

“tinh thể thực tế” với những khuyết tật tinh thể khác nhau Dạng thông thường nhất ởkhoảng sét là một số cation hoá trị lớn (Al3+, Si+, ) trong mạng tinh thể được thay thếbởi những cation kiềm hoặc thổ hoá trị nhỏ hơn Kết quả của quá trình này là cân bằngđiện tích bị phá vỡ, khoáng sét biểu hiện ra bên ngoài như một điện tích âm Trongmột môi trường có điện tích, các cation sẽ bị kéo vào bề mặt hạt sét Người ta đã lợidụng đặc tính này trong quá trình tuyển lọc hạt sét bằng phương pháp điện phân: nếucho huyền phù sét vào một điện trường mạnh, các hạt sét mang điện tích âm sẽ bị hút

về dương cực và được lấy ra khỏi thiết bị ở trạng thái có hàm lượng nước nhỏ tương tự

ép lọc khung bản

Như đã trình bày ở trên, việc hình thành những màng nước xung quanh các hạtsét có vai trò thiết yếu đối với độ dẻo, nước là một chất lưỡng cực Các hạt khoáng séttrong nước tích điện âm do giữ lại gốc OH– Ion H+ bao xung quanh tạo lớp điện tíchkép Trong điện trường keo sét chuyển dịch về anod (+) Chiều dày lớp điện tích kép

do bản chất của ion trung tâm và các cation hay anion hấp thụ quyết định, tức là do cấutrúc khoáng sét và loại cation dùng làm chất điện giải quyết định

Hình 1-3 Mô hình cấu trúc mixen hạt sét

Hồ gốm sứ khi không pha chất điện giải muốn đổ rót được thường cần một lượngnước rất lớn (40 – 50%) Để hồ đổ rót cho mộc cũng như sản phẩm tốt nhất cần giảmlượng nước đến mức thấp nhất, mà vẫn đổ rót tốt Muốn vậy phải pha thêm chất điệngiải.

Quá trình pha loãng hồ dựa trên cơ sở làm thay đổi điện thế của mixen keo, tức làđiện thế của lớp điện tích kép Các ion của chất điện giải làm thay đổi lực hút và đẩygiữa mixen tích điện âm (lực đẩy tăng):

Chương 2 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 Phương tiện

2.1.1 Nguyên liệu

Cát, cao lanh, đất sét, tràng thạch, natri hidroxit (NaOH) 40% (d = 1,43 g/cm3),natri silicat (Na2SiO3) 40% (d = 1,445 g/cm3)

2.1.2 Thiết bị và dụng cụ

- Máy nghiền bi siêu tốc: dùng để nghiền phối liệu hỗn hợp gồm cát, cao lanh,

đất sét, tràng thạch để tiến hành đo độ nhớt của hồ gốm sứ

- Cốc đo độ nhớt vicozimet: dùng để xác định độ lưu động của hồ đổ rót

- Cân: dùng để cân phối liệu và nguyên liệu

- Các dụng cụ khác: thau nhựa, cối nghiền, cốc thuỷ tinh, giá đỡ, đồng hoog bấm

giây…

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp đo độ nhớt huyền phù bằng nhớt kế ống chảy, cơ sỡ của phươngpháp này là định luật Poiseulle, khi chất lỏng chảy tầng ổn định qua ống có chiều dài l,bán kính r, dưới áp suất p, trong thời gian t thì lượng chất lỏng chảy qua là