CHƯƠNG 1 NGUYÊN LIỆU sản XUẤT

SiO2 là thành phần chính trong đất sét, giúp tạo cường độ, độ bền cho sản phẩm gốm sau khi nung.. Nhưng nếu tồn tại trong đất sét ở dạng muối kiềm thì khi nung các muối này s

I NGUYÊN LIỆU DÙNG SX XƯƠNG GỐM

II NGUYÊN LIỆU DÙNG LÀM MEN VÀ MÀU

NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT VẬT LIỆU

GỐM XÂY DỰNG

Chương 1

IV TÍNH TOÁN PHỐI LIỆU XƯƠNG VÀ MEN

3.1.1 Vật liệu gốm xây dựng là gì?

GẠCH, NGÓI

GẠCH ỐP, LÁT TRÁNG MEN (CERAMIC)

GẠCH GRANITE

SỨ VỆ SINH

I NGUYÊN LIỆU DẺO

Là nguyên liệu khi nhào trộn với nước cĩ độ

dẻo và khả năng tạo hình

- Cao lanh (đất sét trắng hay đất sétnguyên sinh)

- Đất sét (đất sét thứ sinh)

Đất Cao lanh

Đất Sét

I.1 Nguờn gớc tạo thành

Từ tràng thạch và các loại đá gớc chứa tràng thạch như pecmatic, granit, gabro, bazan,…bị phong hóa tạo thành

 Trong môi trường axít yếu (pH= 4 - 5)

K2O.Al2O3.6SiO2 + 2H2O + CO2  Al2O3.2SiO2.2 H2O

+ K2CO3 + 4SiO2 Kaolinit

 Trong môi trường kiềm (pH= 8 - 9)

K2O.Al2O3.6SiO2 + nH2O + CO2  Al2O3.4SiO2.n H2O

+ K2CO3 + 2SiO2 Montmorilonit

Trong môi trường biển khống montmorilonit cĩ

Đá Tràng Thạch (Fenspat)

I.2 Thành phần khoáng trong cao lanh và đất sét

Thành phần khoáng là các alumosilicat ngậm nước (mAl2O3.nSiO2.p H2O ) hay còn gọi là khoáng sét

hoặc khoáng dẻo Có cấu trúc tấm lớp đơn giản Các lớp tứ diện [SiO4]4- liên kết với các lớp bát diện

[AlO6]9- tạo thành tinh thể.

Al2O3.2SiO2.2 H2O Kaolinit

Al2O3.4SiO2.n H2O Montmorilonit

nK2O.Al2O3.3SiO2.n H2O Illit

I.2.1 Khoáng kaolinit

Là khoáng chủ yếu trong đất sét Đất chỉ chứa khoáng kaolinit được gọi là đất cao lanh

* Công thức phân tử: Al2O3.2SiO2.2 H2O

* Thành phần hóa của khoáng kaolinit:

SiO2 = 46,54%; Al2O3 = 39,5%; H2O = 13.96%

* Khối lượng riêng: γ0k = 2,41 – 2,6 g/cm3

* Đường kính hạt kaolinit: 0,1 – 0,3 µm (kém phân

tán)

* Khả năng hấp thụ trao đổi ion yếu: 5 – 15 mili

đương lượng gam/100g cao lanh khô

* Cấu trúc mạng tinh thể: gồm 2 lớp, 1 lớp tứ diện liên kết với 1 lớp bát diện.

* Khoáng kaolinit hầu như không trương nở trong nước, độ dẻo kém

I.2.2 Khoáng Montmorilonit

* Công thức phân tử: Al2O3.4SiO2.H2O + nH2O

* Chứa các tạp chất: Fe2+, Fe3+, Ca2+, Mg2+

* Khối lượng riêng: γ0k = 1,7 – 2,7g/cm3

* Đường kính hạt: 0,06 µm chiếm 40% (đối với

* Cấu trúc mạng tinh thể: gồm 3 lớp, 2 lớp tứ diện liên kết với 1 lớp bát diện.

* Đặc điểm: Khoáng montmorilonit có độ phân tán cao, độ dẻo lớn, trương nở trong nước lớn (thể tích tăng 16 lần

 Ủ: đủ nước, đủ thời gian để phối liệu đạt độ trươngnở cực đại trước lúc tạo hình Nên dùng hơi nướcquá nhiệt để trộn ẩm phối liệu.

 Sấy: áp dụng chế độ sấy dịu (nâng nhiệt độ khí sấy

từ từ) do đất có độ co (độ nhạy) khi sấy lớn

I.2.3 Khoáng illit (khoáng sét chứa mica)

Là khoáng có mặt trong nhiều loại đất sét

* Công thức phân tử của 2 loại mica phổ biến:

- Muscovit: K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O

- Biotit: K2O.4Mg2O.Al2O3.6SiO2.H2O

* Khối lượng riêng: γ0k = 2,7 – 3,2 g/cm3

* Khả năng hấp thụ trao đổi ion lớn: khoảng 100 mili đương lượng gam/100g đất khô

* Có ion K+ với bán kính xác định liên kết các lớp bariêng biệt lại với nhau, nên độ trương nở ít hơn nhiều

so với khoáng montmorilonit

 Đặc điểm:

 Khoáng illit có cấu trúc mạng tương tự như montmorilonit nên có độ phân tán cao, độ dẻo lớn,

nhưng mức độ trương nở ít hơn nhiều.

 Khoáng illit có nhiệt độ nóng chảy (nhiệt độ xuấthiện pha lỏng khi nung) thấp

 Đất sét chứa càng nhiều khoáng illit thì nhiệt độ nóng chảy càng giảm Đối với đất sét dễ chảy, khoáng này chiếm đến 60%, đất này là nguyên liệuphổ biến trong sản xuất gốm thô

Tùy thuộc vào hàm lượng khoáng vật trong đất sét mà chúng ta có các loại đất sét khác

nhau

 Đất sét đơn khoáng: Là các loại đất sét chỉ

có đơn thuần một loại khoáng sét như đất

caolanh, đất Betonite

 Đất sét đa khoáng: là loại đất sét có từ 2

khoáng vật trở lên như đất sét chịu lửa, đất sét dễ chảy, đất sét bazan,…

SiO 2td SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO K 2 O; Na 2 O

15 - 30 40 -70 8 - 40 0,7

-12 0.5-1.5 0.5 - 3 1 - 3

I.3 Thành phần hóa học trong nguyên liệu dẻo

SiO2 là thành phần chính trong đất sét, giúp tạo cường độ, độ bền cho sản phẩm gốm sau khi nung SiO2 > 78% thì không sản xuất

gốm được SiO2 càng lớn, tính dẻo của đất càng giảm Nếu tồn tại ở trạng thái tự do nhiều sẽ gây cho đát sét kém dẻo ,khó tạo hình và xốp sản

Khi Fe2O3 tồn tại ở trong cấu trúc mạng tinhthể của khoáng sét thì rất khó tách ra khỏi khoángsét.

 TiO 2 phải khống chế ≤1,5% vì nó gây biến đổi

màu sắc trong gốm sứ nhất là cùng với sự có mặtcủa Fe O

 SiO 2td tồn tại trong đất sét ở dạng tự do giúp

cho đất chống co ngót khi sấy, nung

 K 2 O; Na 2 O có trong đất sét ở dạng khoáng

feldspar, có tác dụng hạ thấp nhiệt độ nung sản phẩm

Nhưng nếu tồn tại trong đất sét ở dạng muối kiềm thì khi nung các muối này sẽ kết tinh trên bề mặt sản phẩm tạo nên các vệt màu hay các vết loang lỗ không mong muốn

 CaO là tạp chất lẫn vào đất sét ở dạng muối

cacbonat Cần phải khống chế vì nó làm giảm

khả năng liên kết các hạt sét, làm giảm khoảng nhiệt độ nóng chảy của đất, sản phẩm dễ bị nứt khi nung

I.4 PHÂN LOẠI NGUYÊN LIỆU DẺO

I.4.1 Theo độ chịu lửa

I.4.2 Theo tính kiềm và hàm lượng các

oxit gây màu

Tính kiềm theo

(Al2O3 + TiO2)%

Lượng oxit màu

Fe2O3 (%) TiO2 (%) Loại đất sét Rất thấp < 0,5 < 1

Kiềm cao 30 – 40 Thấp < 1 < 1,5

Bán axit 15 – 30 Trung bình 1 – 3 1,5 – 2

I.4.3 Theo thành phần hạt của nguyên liệu dẻoHạt sét: d < 0.005 mm = 5µm

Hạt bùn: d = [0,005 – 0,05)mm

- Hạt bụi : d = [0.05 – 0.15)mm

- Hạt cát : d = [0.15 – 5)mm

Phân loại đất sét theo % hạt sét:

- Đất sét tinh khiết : tỉ lệ hạt sét > 60%

- Đất sét : tỉ lệ hạt sét = (45 – 60]%

- Đất: tỉ lệ hạt sét = (20 – 45]%

- Đất cát pha nhiều sét: tỉ lệ hạt sét = (15 – 20]%

- Đất cát pha ít sét : tỉ lệ hạt sét = (10 – 15]%

- Đất cát : tỉ lệ hạt sét = (5 – 10]%

Cát : tỉ lệ hạt sét  5%

I.5 Tính chất kỹ thuật của nguyên liệu dẻo

I.5.1 Tính dẻo

Là khả năng của đất sét khi nhào trộn với nước cho phép tạo ra hình dáng dưới tác dụng của ngoại lực và giữ nguyên hình dáng đó khi loại bỏ ngoại lực

Có 3 trạng thái khác nhau của đất (tùy theo lượng nước nhào trộn):

Trạng thái bán khô: độ ẩm (2 – 10)% Khi đó, đất sét rời rạc Thích hợp với pp tạo hình bằng cách sử dụng máy ép trong tạo hình sản phẩm gạch ốp, lát tráng men,…

 Trạng thái dẻo: độ ẩm (14 – 24)%, đất sét có độdẻo cao Thích hợp với pp tạo hình bằng thiết bị đùn trong tạo hình sp gạch, ngói,…

 Trạng thái huyền phù: độ ẩm (34-38)%, đất sét

ở dạng bùn lỏng Thích hợp với phương pháp

tạo hình đổ rót trong khuôn thạch cao khi sản

xuất sản phẩm sứ vệ sinh

Phương pháp xác định tính dẻo

PP1) Lượng nước yêu cầu Nyc

Đất sét rất dẻo: lượng nước yêu cầu > 28%, co ngót

Phương pháp xác định tính dẻo

PP2) Chỉ số dẻo theo Pfefferkorn

d = (h – h ’ )/ h 0

Trong đó:

d: tỉ lệ biến dạng

h = 40±0,1mm: chiều cao mẫu thí nghiệm hình trụ có đường kính 33±0,5mm ứng với đợ ẩm tạo hình w(%)

h’ (mm): chiều cao của mẫu thí nghiệm bị biến dạng sau khi thả rơi vật nặng 1200g bằng dụng cụ Pfefferkorn

h0 = 185mm: chiều cao rơiTheo Pfefferkorn chỉ sớ dẻo chính là hàm ẩm w(%) của

Phương pháp nâng cao độ dẻo của đất sét

- Loại trừ thành phần cát có trong đất sét

- Cho đất sét có độ dẻo cao vào đất sét kém dẻo

- Dùng phương pháp cơ học: ủ đất, nhào trộn đất bằng hơi nước nóng

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính dẻo của đất sét

- Hàm lượng khoáng dẻo

- Loại khoáng dẻo và mức độ phân tán

- Thành phần hạt của đất sét

- Lựơng nước nhào trộn

Xác định độ co khi sấy, khi nung

Độ co khi sấy (Yo), độ co khi nung (Y1) tính bằng % theo công thức sau:

Lo : 50mm

L1 : độ dài các đường chéo sau khi sấy

L2 : độ dài các đường chéo sau khi nung

50mm

1.5.3 Sự biến đổi của nguyên liệu dẻo khi sấy và nung

Màu sắc sản phẩm đất sau khi nung

% Fe2O3 0.7 1.3 2.7 4.2 5.5 8.5 10-12

Màu sản

phẩm gốm Trắng Trắng đục Vàng nhạt Vàng Hồng nhạt Hồng hồngNâu

Sự biến đổi hóa lý của đất sét khi nung

 100 – 200 o C: lượng nước tạo hình tự do bốc hơi, đất sét bắt đầu co ngót.

 200 – 500 o C: nước hấp phụ bay hơi, tạp chất hữu cơ cháy, đs co đáng kể

 >500 – 700 o C: lượng nước liên kết hóa học bốc hơi

Al2O3.2SiO2.2 H2O  Al2O3.2SiO2 + 2H2O

(caolinit) (meta caolinit)

 700 – 900 o C: xảy ra các phản ứng nhiệt phân

Al2O3.2SiO2  Al2O3 + 2SiO2CaCO3  CaO + CO2

 900 -1050 o C: Al2O3 + SiO2  Al2O3.SiO2 (khoáng silimanhite)

 1050–1250 o C: 3Al O + 3SiO  3Al O 2SiO + SiO

khoáng mulit hình thành khi có mặt pha lỏng (phanóng chảy), khoáng này hình thành hoàn toàn khiđất sét kết kết thúc kết khối.

Đối với sản phẩm vật liệu gốm xd, chỉ nung trongkhoảng̣ kết khối không nung đến nhiệt độ chảy

Khoảng kết khối là khoảng nhiệt độ giữa hai thời

điểm nhiệt độ bắt đầu kết khối và kết thúc kết

khối

Nhiệt độ bắt đầu kết khối là nhiệt độ mà tại đó mộtsố bộ phận của đất sét chảy ra nhét đầy các lỗ rỗng nhỏ làm sản phẩm đặc chắc, có cường độ cao, lúc này đất sét đang kết khối

Nhiệt độ kết thúc kết khối là nhiệt độ cao nhất mà sản phẩm vẫn còn giữ nguyên hình dáng Tại nhiệt độ này vật liệu có độ hút nước thấp nhất (< 1%).

Nhiệt độ chảy là nhiệt độ quá nhiệt độ kết khối,

ở đó toàn bộ đất sét bị chảy, sản phẩm

không còn giữ được hình dáng ban đầu.

Mất khi nung là phần khối lượng giảm đi sau

khi nung, tính bằng %.

MKN = [(msau sấy – msau nung)/msau sấy].100 (%)

II NGUYÊN LIỆU GẦY

II.1 Khái niệm:

Là vật liệu không có tính dẻo được sử dụnglàm nguyên liệu trong sản xuất vật liệu gốm nhằm:

- Giảm nhiệt độ kết khối và nhiệt độ nung của hhphối liệu (nguyên liệu trợ dung)

- Cung cấp thành phần SiO2 và điều chỉnh độ dẻocủa đất sét (nguyên liệu đầy)

- Giúp tăng độ xốp, tăng tính cách nhiệt cho sảnphẩm (nguyên liệu làm nhẹ)

II.2 Nguyên liệu trợ dung

Dùng để tạo pha lỏng, làm giảm nhiệt độ kết khối và nhiệt độ nung trên cơ sở hàm lượng các oxit kiềm (K2O, Na2O).

Nguyên liệu trợ dung có 2 dạng:

- Nguyên liệu trợ dung cơ bản ( tràng thạch );

- Nguyên liệu trợ dung Eutecti.

Tràng Thạch là nguyên liệu trợ dung được sử

dụng phổ biến nhất trong sản xuất gốm tinh.

Đặc điểm của nó là trên 10000C sẽ diễn

ra sự chuyển hóa từ trạng thái tinh thể sang trạng thái dẻo nhiệt cho đến khi nóng chảy

 Tràng Thạch Natri (Na2O.Al2O3.6SiO2) bắt đầunóng chảy tại 11200C và nóng chảy hoàn toàn ở

12100C Độ nhớt pha nóng chảy nhỏ, khoảngchảy hẹp (khoảng 50 – dưới 1000C), tốt trongsản xuất men sứ Hàm lượng Na+ càng tăng thìđộ nhớt pha nóng chảy càng giảm

 Tràng Thạch Kali (K2O.Al2O3.6SiO2) bắt đầunóng chảy tại 11700C và nóng chảy hoàn toàn ở

15400C Độ nhớt pha nóng chảy cao Khoảngchảy rất rộng, trên 3000C, tốt trong sx xươnggốm

 Tràng Thạch Canxi (CaO.Al2O3.2SiO2) có nhiệtđộ bắt đầu nóng chảy nóng chảy cao nên không

 Thực tế tràng thạch ít khi tồn tại ở dạng đơn

khoáng riêng biệt mà phổ biến là các hỗn hợp đồng hình

 Hỗn hợp đồng hình của tràng thạch natri và can xi (nhóm Plagiolas)

 Hỗn hợp đồng hình của tràng thạch natri và kali (nhóm orthoclas)

 Tràng Thạch là nguyên liệu gầy quan trọng trongsản xuất gốm tinh vì:

 TT quyết định điều kiện công nghệ (nhiệt độ

nung)

 TT giúp tạo độ trong cao cho sản phẩm sứ nếu

sử dụng với hàm lượng đủ lớn (29 – 30)%

 Đối với sứ điện cao thế, để có độ bền điện cao, hàm lượng TT sử dụng không được < 30%

Nguyên liệu trợ dung Eutecti là nguyênliệu chứa các oxit Cao, MgO, K2O, Na2O,

FeO,…(đá vôi, đôlômit, manhezit) cùng với SiO2 (trong nguyên liệu dẻo) tạo thành các hỗn hợpeutecti có t0 nóng chảy thấp

II.3 Nguyên liệu đầy

- Nguyên liệu đầy được sử dụng nhằm giúp giảmđộ dẻo của đất sét, tăng quá trình dẫn ẩm, giảm

co ngót khi sấy, nung

- Là thành phần hầu như trơ về mặt hóa học khinung hoặc có khả năng phản ứng rất kém

- Các loại nguyên liệu đầy thường dùng như:thạch anh (cát, quăczit), samôt,…

 Nguyên liệu đầy thạch anh chứa hơn 92% là SiO2thường sử dụng dưới dạng cát hoặc quăczit với hàm lượng oxit gây màu nhỏ (TiO2 + Fe2O3≈ 0,01%).

Khi nhiệt độ thay đổi (khoảng 573 0 C) thạch anh dễ bị biến đổi thù hình từ β-quăczit sang α-quăczit kèm theo biến đổi về thể tích tạo ra ứng suất không mong muốn có thể gây ra các vết nứt trong xương.

 Cát là nguyên liệu chính trong sản xuất men sứ

và thủy tinh.

 Quăczit cũng là nguyên liệu cơ bản để sản xuất gạch chịu lửa dinat.

 Quăczit gồm quăczit tinh thể (kích thước hạt từ

(0,05 – 0,4)mm) và quăczit xi măng gồm các hạt

β-quăc mịn phân tán trong môi trường xi măngsilic

 Nguyên liệu đầy loại samôt là đất sét nung ở nhiệt

độ (1000 -1400)0C đem nghiền mịn, đó là3SiO2.2Al2O3 (khóang Mulit)

II.4 Nguyên liệu làm nhẹ

Dùng để tăng độ xốp và giảm độ truyền nhiệtcủa sản phẩm Có 2 dạng:

Nguyên liệu làm nhẹ gián tiếp: bản thân nó có khối lượng thể tích nhỏ (xốp, rỗng) như xỉ,

perlit dãn nở,…

Nguyên liệu làm nhẹ trực tiếp: khi nung sẽ cháy, để lại các lỗ rỗng làm sản phẩm xốp, nhẹ như mùn cưa, than nghiền, tro xỉ,…

III NGUYÊN LIỆU LÀM KHUÔN TẠO HÌNH

Dùng để tạo hình dạng sản phẩm theo nhu cầu sử

dụng Có 3 loại khuôn chính:

- Khuôn bằng kim loại (ép đùn, ép bán khô)

- Khuôn bằng vật liệu đàn hồi (ép đẳng tĩnh)

- Khuôn bằng vật liệu xốp hút nước dùng trong trường hợp tạo hình theo pp hồ đổ rót đối với các sản phẩm sứ.

Khuôn này được chế tạo bằng cách lấy thạch cao xây dựng (CaSO4.0,5H2O) trộn với nước từ (50 - 55)% khối lượng.

Nhược điểm: khuôn có độ bền không cao, thời gian

sử dụng ngắn (hơn 50 lần), chu kỳ tạo hình một sản

phẩm lớn, chu kỳ tái sử dụng khuôn chậm.

Hiện nay khuôn nhựa (polyester, epoxit) được sử dụng rộng rãi vì nó khắc phục được các nhược điểm của khuôn thạch cao