Nghiên cứu sản xuất gốm sạch bền nhiệt bền hóa phục vụ đời sống

Nhận xét: Qua dây chuyền công nghệ sản xuất sứ gia dụng như trên, để nâng cao được độ bền nhiệt và cho sản phẩm sứ gia dụng ta có thể tác động đến các công đoạn chủ yếu như sau: + Tác đ

VIỆN NGHIÊN CỨU SÀNH SỨ THỦY TINH CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT GỐM SẠCH BỀN NHIỆT

BỀN HÓA PHỤC VỤ ĐỜI SỐNG

CNĐT: NGUYỄN TIẾN ĐIỆP

8329

HÀ NỘI – 2010

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 3 

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 

1.1 Giới thiệu công nghệ sản xuất sứ gia dụng 8 

1.2 Độ bền nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng 10 

1.2.1 Khái niệm 10 

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng 10 

1.3 Độ bền cơ học và các yếu tố ảnh hưởng 11 

1.3.1 Biến dạng đàn hồi của vật liệu gốm 11 

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cơ của vật liệu gốm 12 

1.4 Các phương pháp làm tăng độ bền cơ, bền nhiệt 14 

1.4.1 Tăng độ bền cơ 14 

1.4.2 Tăng độ bền nhiệt 14 

1.5 Men và tính chất của men 15 

1.5.1 Khái niệm 15 

1.5.2 Tính chất của men 16 

1.6 Đặc điểm của một số hệ vật liệu gốm bền nhiệt, bền cơ 18 

1.6.1 Hệ vật liệu bền nhiệt cordierite Mg2Al4Si5O18(2MgO.2Al2O3.5SiO2) 18  1.6.2 Hệ Mullit (3Al2O3.2SiO2) 18 

1.6.3 Hệ Corindon, corindon-Mulit 19 

1.6.4 Hệ vật liệu zirconia ổn định ZrO2 19 

PHẦN II THỰC NGHIỆM 22 

2.1 Trình tự thực nghiệm: 22 

2.2 Lựa chọn nguyên liệu 22 

2.2.1 Các nguyên liệu dẻo 22 

2.2.2 Các nguyên liệu gầy 23 

2.2.3 Các nguyên liệu khác 23 

2.3 Các thiết bị dùng để thí nghiệm 24 

2.4 Xây dựng các bài phối liệu nghiên cứu 24 

2.4.1 Bài phối liệu thăm dò 24 

2.4.2 Các bài phối liệu nghiên cứu 26 

2.4.2.1 Khảo sát phối liệu lần 1 26 

2.4.2.2 Khảo sát phối liệu lần 2 30 

2.4.2.3 Khảo sát phối liệu lần 3 32 

PHẦN III CHẾ THỬ SẢN PHẨM 37 

PHẦN IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39 

1.  Kết luận 39 

2.  Kiến Nghị: 40 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 

PHẦN MỞ ĐẦU

Ngành sản xuất gốm sứ gia dụng đã ra đời từ rất lâu, cách đây hàng nghìn năm Theo lịch sử phát triển của ngành sản xuất gốm sứ thì ngành sản xuất gốm gia dụng nói riêng cũng ngày càng được phát triển mạnh mẽ và nâng cao về chất lượng và số lượng Các sản phẩm gốm sứ gia dụng trước đây như: bát, đĩa, chén, ấm…, với quy trình công nghệ sản xuất, quá trình nung luyện tạo nên các sản phẩm có khả năng làm việc ở nhiệt độ thường không cao và có độ bền cơ không cao Các sản phẩm này dễ bị sứt vỡ và không chịu được sự biến đổi nhiệt độ lớn Do đó, không đạt được nhiều yêu cầu kỹ thuật mới đặt ra

Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật các công nghệ sản xuất mới ra đời bên cạnh việc phát triển các sản phẩm sứ gia dụng dùng ở nhiệt độ thường với điều kiện sinh hoạt thường ngày của người dân Chúng ta còn đang mở rộng phát triển sứ gia dụng trong một số lĩnh vực khác như: Các sản phẩm làm nồi đun nấu trực tiếp trên ngọn lửa bếp ga, điện, than…, có thể sử dụng được trong lò vi sóng sử dụng để nấu chín thức ăn,… nhưng vẫn đảm bảo sản phẩm không bị nứt vỡ hay biến dạng, đồng thời đảm bảo các quy định

về an toàn vệ sinh thực phẩm, môi trường không gây độc hại, nguy hiểm đến sức khỏe của người sử dụng

Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài:

Vật liệu gốm bền sốc nhiệt chất lượng cao dùng làm đồ đun nấu đã được sản xuất ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Nhật, Đức, Hàn Quốc, Vào thập niên cuối thế kỷ 20, song hành với việc phát triển sản phẩm lò vi sóng, nồi cơm điện và các sản phẩm đun nấu giá trị cao, các nước này đã có

sự tập trung đầu tư nghiên cứu dòng vật liệu gốm sạch, độ bền nhiệt cao So với gốm truyền thống chúng có những đặc tính kỹ thuật tốt hơn rất nhiều đặc biệt là độ sạch và tính bền sốc nhiệt do được đi từ nguyên liệu có độ sạch cao

và quá trình tổng hợp có xử lý tạo các khoáng bền nhiệt cao như mullit, cordierite, coridon – periclaz, zirconia - tinh thể dạng monoclinic Các khoáng này có khả năng chịu bền sốc nhiệt cao, chịu tác động trực tiếp ngọn lửa cao nhiệt tốt Một số loại còn có khả năng chịu bền xung nhiệt cao như

gốm tổng hợp có bổ xung bột ZrO2, bột thủy tinh thạch anh Hiện nay, Trung Quốc là nước sản xuất và sử dụng nhiều nhất loại sản phẩm này do tính chất của vật liệu gốm rất được ưa chuộng cho đun nấu những món ăn Á Đông

Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Dòng sản phẩm gốm chất lượng cao, có xử lý nhiệt tạo các khoáng với tính bền sốc nhiệt và bền cơ cao, giúp cho số lần sử dụng không bị hạn chế Ngoài ra sản phẩm này có thể được tráng một lớp men với các tính chất nhiệt, hóa tốt cho phép tăng tính thẩm mỹ và vệ sinh khi sử dụng Loại sản phẩm này ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là nhấp khẩu ở các nước như Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc…

Nhu cầu về dòng sản phẩm gốm chất lượng cao dùng làm dụng cụ đun nấu như nồi đun, nồi om, nồi hấp, nồi sắc thuốc trên thị trường Việt Nam và các nước Á Đông ngày càng gia tăng Trong khi đó, số lượng sản phẩm trên thị trường hiện không đủ cung cấp chưa đáp ứng được nhu cầu của thị trường Hiện nay, Việt Nam chưa có đơn vị nào nghiên cứu theo hướng ứng dụng vật liệu gốm và men bền sốc nhiệt vào làm dụng cụ đun nấu cao cấp

Trước tình hình phát triển của công nghệ sản xuất gốm sứ gia dụng trong nước và nước ngoài ngày càng mạnh mẽ Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng cho gốm gia dụng, đặc biệt là độ bền cơ, bền nhiệt là rất cần thiết

và có tính thực tiễn cao Vì vậy, Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp – Bộ Công Thương đã đăng ký và được Bộ Công Thương giao thực

hiện đề tài khoa học công nghệ : “Nghiên cứu sản xuất sản xuất gốm sạch

bền nhiệt, bền hóa phục vụ đời sống” theo hợp đồng đặt hàng sản xuất và

cung cấp dịch vụ sự nghiệp công nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ 

số 211.10.RD/HĐ-KNCN ngày 19 tháng 3 năm 2010

Mục tiêu của đề tài:

- Xác định nguyên liệu, bài phối liệu cho sản xuất sản phẩm gốm sạch bền hóa, bền nhiệt cao

- Nghiên cứu xác lập quy trình kỹ thuật, các thông số công nghệ cho sản xuất gốm sạch bền hóa, bền nhiệt cao

Nội dung nghiên cứu:

- Khảo sát nguyên liệu và phân tích thành phần hóa, khoáng phục vụ nghiên cứu và sản xuất

- Thử nghiệm, xác định đơn phối liệu và thông số tổng hợp vật liệu trong phòng thí nghiệm

- Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất các loại sản phẩm gốm sứ đun nấu bền nhiệt cao Sản xuất thử nghiệm

- Đánh giá chất lượng, thử nghiệm sản phẩm

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khái niệm Gốm sạch:

Thuật ngữ Gốm sạch hiện chưa có định nghĩa một chính xác xong với phạm

vi đề tài nghiên cứu khái niệm này được xác định như sau:

Kỹ thuật sản xuất Gốm sứ đã có hàng ngàn năm và các dụng cụ gốm sứ dùng

để đun nấu (cooking ware) cũng đã được sản xuất từ rất lâu nhưng chất lượng

và mức độ vệ sinh an toàn thực phẩm thì chưa được quan tâm đúng mức Các sản phẩm thường thấy từ cổ truyền ( tìm thấy khi khai quật các di chỉ cổ vật)

và của các làng nghề truyền thống hiện nay như: Phù Lãng, Bát tràng, Bạc Liêu… Đều là sản phẩm dạng Gốm thô chủ yếu từ đất sét nung, không tráng men hoặc men muối Các sản phẩm này có độ xốp khá lớn độ hút nước cao nên khi đun nấu thực phẩm bị thẩm thấu vào trong rất khó vệ sinh, nếu các lần

sử dụng cách nhau xa thì rất dễ nhận ra các váng màu trên bề mặt và có mùi hôi mặc dù đã vệ sinh rất kỹ Chưa xét đến các nguồn đất sét hiện nay bị ô nhiễm nguyên liệu đầu không được kiểm soát các chất độ hại có thể bị mang vào sản phẩm và thôi ra trong quá trình sử dụng sẽ gây hại đến sức khỏe con người

Do vậy khái niệm gốm sạch mà đề tài đề cập đến là loại gốm có các tính chất như sau:

Là hệ gốm mịn có độ hút nước thấp nhỏ hơn 1%, Sản phẩm được tráng men toàn bộ hoặc tại các phần tiếp xúc với thực phẩm

Nguyên liệu để sản xuất phải được chọn lựa, chế biến nhằm loại bỏ triệt để nhất hàm lượng các chất độc hại như các kim loại nặng đặc biệt là Chì và Cadimi…

Lớp men phải được tính toán sao cho không bị rạn nứt, độ bền nước, bền hóa cao để không bị thôi ra trong quá trình sử dụng

Hệ xương phải có độ bền nhiệt và bền cơ học cao để sản phẩm khi sử dụng được an toàn

Đề tài sẽ trình bày rõ thông số kỹ thuật trong báo cáo khoa học trên cơ sử

các số thông số quan trọng về vệ sinh an toàn thực phẩm như hàm lượng thôi

ra của các kim loại nặng cho phép theo TCVN 7146-1:2002 như sau:

Loại dụng cụ Đơn vị đo Giới hạn của chì Giới hạn của

Giới hạn cho phép chì thôi ra của Mỹ: Theo quy định hiện tại của Liên bang

Mỹ, các sản phẩm gốm sứ chỉ được phép chứa không quá 0,03% hàm lượng

chì [www.saga.vn]

1.1 Giới thiệu công nghệ sản xuất sứ gia dụng

Công nghệ sản xuất gốm sứ gia dụng được mô tả tổng quát bằng sơ đồ dưới đây

Thuyết minh sơ đồ:

Các nguyên liệu (cao lanh, đất sét, thạch anh, fenpat ), được đem cân bằng cân định lượng theo bài phối liệu đã tính toán trước Sau khi cân phối liệu sẽ được đổ vào máy nghiền bi ướt để nghiền mịn với cỡ hạt có độ sót sàng 63µm là không quá 5%

Phối liệu sau khi đã được nghiền mịn được chế tạo làm phối liệu dẻo (hoặc phối liệu hồ đổ rót) tùy thuộc vào loại sản phẩm sứ gia dụng sau này ta cần chế tạo Sau khi tạo phối liệu ta đem phối liệu đi tạo hình sản phẩm bằng

Nguyên liệu

Cân định lượng

Chế tạo phối liệu dẻo, phối liệu đổ rótTạo hình

Sấy, sửa mộc

Tráng men, trang

tríNung

Phân loại

phương pháp ép xoay (đối với phối liệu dẻo), hoặc đổ rót (đối với phối liệu hồ

đổ rót)

Sản phẩm đã được tạo hình sẽ được sấy khô ở nhiệt độ sấy thích hợp, sau đó được sửa mộc Sản phẩm mộc sau khi sửa sẽ được tráng men và trang trí hoa văn tùy thuộc loại sản phẩm

Sản phẩm mộc sau khi đã được tráng men, trang trí hoa văn được nung với nhiệt độ nung thích hợp nhằm tạo ra sản phẩm đạt được các tính chất kỹ thuật theo yêu cầu

Cuối cùng sản phẩm sau nung sẽ được phân loại để loại bỏ các sản phẩm không đạt yêu cầu về chất lượng đề ra ban đầu, các sản phẩm đạt yêu cầu được đóng gói và nhập kho sản phẩm

Nhận xét:

Qua dây chuyền công nghệ sản xuất sứ gia dụng như trên, để nâng cao được độ bền nhiệt và cho sản phẩm sứ gia dụng ta có thể tác động đến các công đoạn chủ yếu như sau:

+ Tác động đến bài phối liệu: mục đích điều chỉnh thành phần các

nguyên liệu nhằm để tạo ra bài phối liệu tối ưu nhất, để đạt được điều mong muốn của đề tài là nâng cao được độ bền cơ và bền nhiệt Vì thế, bài phối liệu phải tạo ra:

- Tạo ra được các khoáng có độ bền cơ cao như Mulite…, bền nhiệt cao như Cordierite

- Các khoáng đã được tạo ra phải sắp xếp liên kết tốt với nhau, với hàm lượng và tính chất của pha thủy tinh hợp lý

+ Tác động đến giai đoạn tạo hình: Lựa chọn phương pháp tạo hình

thích hợp để tạo ra được mẫu sản phẩm có độ xít đặc cao, ít lỗ xốp

- Trong quá trình thí nghiệm nghiên cứu vật liệu của đề tài ta dùng phương pháp ép bán khô, hoặc ép dẻo để tạo mẫu kiểm tra các tính chất của vật liệu

- Thực tế của sản xuất sau này thì khác, với đặc thù của sản phẩm gốm sứ gia dụng (đề tài mong muốn sản xuất các mặt hàng nồi nấu,om, ) thì

phương pháp được dùng để sản xuất là ép dẻo hoặc hồ đổ rót tùy thuộc vào hình dạng phức tạp của sản phẩm

1.2 Độ bền nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng

1.2.1 Khái niệm

Độ bền nhiệt hay độ bền chống ứng suất nhiệt là khả năng chống lại sự phá hủy của vật liệu khi có ứng suất nhiệt hình thành trong vật liệu Ứng suất nhiệt sinh ra khi đốt nóng hoặc làm nguội vật liệu chủ yếu là so sự giãn nở nhiệt và do chênh lệch nhiệt độ giữa các phần khác nhau của vật liệu

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng

Độ bền nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào các thông số: hệ số dẫn nhiệt λ, độ

dẫn nhiệt a và hệ số giãn nở nhiệt α (0K-1)

+ Hệ số dẫn nhiệt λ: là đại lượng vật lý đo lường khả năng dẫn nhiệt của vật liệu (W/m.0C)

+ Độ dẫn nhiệt a: đặc trưng cho vận tốc lan truyền nhiệt độ trong vật

liệu gốm khi thay đổi điều kiện đốt nóng

Với: - C: nhiệt dung hay tỷ nhiệt của vật liệu gốm [kcal/kg.0C]

- γbk: khối lượng thể tích hay khối lượng biểu kiến [g/cm3]

Nếu vật liệu có khả năng dẫn nhiệt tốt → gradient theo thời gian chênh lệch nhiệt độ lớp bề mặt và lớp sâu trong vật liệu nhỏ, do đó khả năng phá hủy vật liệu nhỏ

Khi λ, a lớn thì vât liệu gốm ít xuất hiện ứng suất nhiệt lớn, khả năng

phá hủy vật liệu sẽ nhỏ khi đó vật liệu sẽ bền nhiệt cao và ngược lại

Ngoài ra còn các yếu tố khác cũng có ảnh hưởng tới độ bền nhiệt như:

độ xốp, các vết nứt tế vi trong cấu trúc vật liệu có ảnh hưởng tốt đến độ bền nhiệt của vật liệu gốm

Hệ số giãn nở nhiệt α là một yếu tố có ảnh hưởng lớn đến độ bền nhiệt:

+ Trong sản phẩm gốm có chứa các pha khác nhau: pha thuỷ tinh, pha tinh thể, pha khí mỗi pha có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau khi có sự thay đổi nhiệt độ sẽ gây lên các biến đổi trong sản phẩm và có thể gây nên các vết nứt

tế vi gây phá huỷ sản phẩm

+ Ngay trong bản thân của từng tinh thể có cùng hệ số giãn nở nhiệt, nhưng chúng sắp xếp khác nhau theo nhiều hướng Vì thế khi có sự thay đổi nhiệt độ các tinh thể giãn nở theo các hướng khác nhau cũng có thể gây ra các vết nứt tế vi làm ảnh hưởng đến độ bền nhiệt

+ Sự khác nhau hệ số giãn nở nhiệt giữa các lớp vật liệu, giữa phần trong và phần bề ngoài cũng có ảnh hưởng đến độ bền nhiệt (đặc biệt ở các tinh thể dị hướng, hệ số giãn nở nhiệt theo một phương có thể trở lên âm và

do vậy độ giãn nở nhiệt thể tích trở lên rất nhỏ, những loại vật liệu như vậy rất quý trong trường hợp đòi hỏi độ bền nhiệt cao ví dụ: titanat (Al2TiO5, cordierite, Liti alumosilicat )

1.3 Độ bền cơ học và các yếu tố ảnh hưởng

1.3.1 Biến dạng đàn hồi của vật liệu gốm

Sự phá hủy do tác động ngoại lực lên đa số vật liệu gốm ở nhiệt độ thường là phá hủy giòn, nghĩa là sự phá hủy xảy ra khi vật liệu có một độ biến dạng đàn hồi nhỏ dưới tác động của ngoại lực

Biến dạng đàn hồi trong vật liệu được xác lập bởi sự tăng khoảng cách của các nguyên tử, ion, nhóm nguyên tử làm cho mẫu nở ra, làm tăng năng lượng mạng lưới tinh thể trong cấu trúc gốm Thể hiện qua biểu thức của định luật Hook:

σ =E ε

Với: - σ: ứng suất max

- E: modun đàn hồi (modun Young)

- ε: độ dãn dài tương đối (biến dạng đàn hồi)

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cơ của vật liệu gốm

Với các vật liệu gốm thông thường có độ bền cơ tính theo lý thuyết từ (1 – 10).105 KG/cm2 Độ bền thực tế nhỏ hơn nhiều do các nguyên nhân sau:

a Ảnh hưởng của bề mặt

Nếu vật liệu nhẵn bóng không có vết nứt độ bền cơ sẽ lớn hơn bề mặt

có vết nứt xước vì đây chính là tâm điểm việc phá hủy vật liệu - vết nứt tế vi

Nguyên nhân:

+ Trong quá trình tạo hình chưa làm nhẵn vật liệu, quá trình bảo quản, vận chuyển: trên bề mặt vật liệu có thể hình thành các vết xâm thực do bị môi trường ẩm tác động hoặc các vết xước do va chạm với các vật rắn khác

+ Các ứng suất nhiệt gây vết nứt tế vi được hình thành do sự khác biệt

hệ số giãn nở nhiệt giữa các tinh thể, giữa các pha khác nhau trên vùng bề mặt vật liệu hoặc do khác biệt hệ số giãn nở nhiệt giữa phần trong và phần bề mặt vật liệu khi đốt nóng và làm nguội

+ Do sự biến đổi thù hình làm biến đổi thể tích dẫn đến sự giãn nở gây

Nếu các lỗ xốp này lớn nó là một túi chứa khí khi nung ở nhiệt độ cao

lỗ xốp bị phá hủy tạo ra ứng suất, sẽ gây xứ nứt phá hủy sản phẩm, sản phẩm mất cường độ nhanh chóng

+ Lỗ xốp hở, xuyên: các lỗ xốp này chính là nơi để các tác nhân hóa học, khí, lỏng xâm thực vào sản phẩm gây phá hủy sản phẩm làm độ bền cơ giảm mạnh

c Ảnh hưởng của hàm lượng pha thủy tinh, pha tinh thể

Ta biết rằng, pha thủy tinh có độ bền cơ thấp hơn pha tinh thể Ta có thể lấy modun đàn hồi làm ví dụ:

Ephaathuytinh ~ 0,7.106KG/cm2

Ephaatinhthe: corindon: (3,4 – 4).106 KG/cm2

Mullit: (1,1 – 1,5) 106 KG/cm2

Thạch anh: 0,9.106 KG/cm2

Qua số liệu cho ta thấy, lượng pha thủy tinh trong vật liệu càng cao thì

độ bền cơ học của vật liệu càng thấp Tăng lượng pha tinh thể đặc biệt là mulit và corindon làm tăng độ bền cơ Tuy nhiên, nếu hàm lượng pha thủy tinh trong vật liệu quá thấp, không đủ liên kết thì độ xốp sẽ tăng lên và độ bền

cơ học của vật liệu lại giảm xuống Do vậy việc điều chỉnh hợp lý tỷ lệ giữa lượng pha thủy tinh và pha tinh thể có tầm quan trọng để tăng độ bền cơ học của vật liệu

d Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng của pha tinh thể

Quan hệ giữa kích thước hạt pha tinh thể và độ bền thực tế σ của gốm được diễn tả bằng biểu thức:

có tạo nên ứng suất nhiệt do hệ số giãn nở nhiệt khác nhau giữa chúng Kích thước hạt cũng như sự khác biệt của hệ số giãn nở nhiệt giữa các thành phần cấu trúc càng lớn thì đại lượng ứng suất càng lớn, càng tạo nhiều vết nứt tế vi bên trong vật thể và làm giảm độ bền cơ của vật liệu

Hình dạng các hạt có ảnh hưởng đến độ bền cơ của gốm Các tinh thể tạo với nhau thành các kết hạch, hoặc có dạng hình kim (như tinh thể Mulit) phân bố đan xen với nhau và nằm đều trong nền pha thủy tinh có ảnh hưởng tốt đẹp đến độ bền cơ học

1.4 Các phương pháp làm tăng độ bền cơ, bền nhiệt

Qua các nhận định về các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền cơ, bền nhiệt ở trên câu hỏi được đặt ra là chúng ta phải làm gì để tăng được độ bền cơ, bền nhiệt cho vật liệu gốm gia dụng?

1.4.1 Tăng độ bền cơ

Để tăng độ bền cơ chúng ta có thể tác động đến các yếu tố sau:

+ Đối với phối liệu xương:

- Tăng hàm lượng oxit nhốm Al2O3 để tăng hàm lượng pha tinh thể: mulit, corindon, hay tăng hàm lượng các oxit khác để tạo ra hệ Mullit – cordierite, Mullit – Coridon

- Cải thiện tính chất của pha thủy tinh: tức là làm cách nào để tăng cường độ cho pha thủy tinh, giảm pha thủy tinh tới mức tối thiểu đảm bảo để

đủ liên kết các pha tinh thể và lấp đầy các lỗ trống

- Vì là sản phẩm gốm gia dụng có độ hút nước H ~ O% lên ta phải làm cách nào để hút chân không triệt để, để tách hoàn toàn pha khí sao cho sản phẩm có mật độ cao

+ Đối với phối liệu men:

- Ta cũng cần tạo ra bài phối liệu men phù hợp với xương, và cũng tìm cách làm tăng độ bền cơ của men, tạo ra bài men có hệ số giãn nở nhiệt tương ứng với hệ số giãn nở nhiệt của xương

1.4.2 Tăng độ bền nhiệt

Ta biết nguyên nhân chính ảnh hưởng tới độ bền nhiệt là do ứng suất,

và cấu trúc liên kết bên trong của sản phẩm

Sản phẩm tăng độ bền cơ thì độ bền sốc nhiệt cũng tăng

Ta cần lựa chọn bài phối liệu phù hợp để làm tăng λ và a tăng được

độ bền nhiệt

Cần phải giảm hệ số giãn nở nhiệt, tạo ra các tinh thể có hệ số giãn nở nhiệt thấp như Cordierite, giảm lượng thạch anh tàn dư trong sản phẩm (vì nó gây ra giãn nở nhiệt lớn) Đặc biệt là hệ cordierite là hệ có tác dụng làm tăng

Men gốm tuy bản chất là thủy tinh nhưng phối liệu không hoàn toàn giống, bởi thủy tinh thông thường khi nấu có thể chứa trong bể khuấy cho đồng nhất và khử bọt Men khi nóng chảy phải đồng nhất mà không cần một

sự trợ giúp cơ học nào

- Do vậy, phải tạo được một hỗn hợp chảy lỏng đồng nhất ở nhiệt độ mong muốn

Trong quá trình nóng chảy và ngay sau đó, các ôxít trong men phản ứng với bề mặt xương gốm để tạo nên một lớp trung gian Phản ứng này rất quan trọng vì nó ảnh hưởng đến độ bền cơ học của men, nó phụ thuộc thành phần hóa học của men và Xương

- Do vậy, phải tính toán sao cho thành phần hóa của men phải gần

giống thành phần hóa của xương gốm

Quá trình làm nguội (giảm nhiệt độ) xảy ra ngược với quá trình nung

(tăng nhiệt độ), nếu hệ số giãn nở nhiệt của men và xương không phù hợp

nhau sẽ gây ra bong hoặc nứt men

- Cho nên, hệ số giãn nở nhiệt của men và xương phải phù hợp nhau

Men nung xong phải cứng, nhẵn, bóng (ngoại trừ men mat) Bên cạnh

đó, tính trong suốt, không màu, tính sáng bóng của men không phải lúc nào cũng như mong muốn Nếu xương gốm có màu thì phải dùng men đục để che

lấp màu của xương, ngoài ra có thể chế tạo men mờ, men kết tinh và vô số men màu khác

- Do vậy thành phần hóa của men phải được điều chỉnh sao cho men có được các tính chất cơ - lý – hoá - quang mong muốn

1.5.2 Tính chất của men

Men có rất nhiều tính chất như: độ nhớt, sức căng bề mặt, độ giãn nở nhiệt, độ cứng, độ đàn hồi và độ mài mòn Nhưng ở đây ta chú ý nhiều nhất đến độ giãn nở nhiệt của men là một tính chất rất quan trọng nó liên quan đến

hệ số giãn nở nhiệt của men Vì để đánh giá mức độ phù hợp xương và men ta cần phải xác định được hệ số giãn nở nhiệt của chúng

Men liên kết được với xương tốt và không bị nứt hoặc bong men trong một khoảng nhiệt độ tương đối rộng không những được quyết định bởi hệ số giãn nở nhiệt trung bình của xương và men Mà còn vào sự phù hợp của đường cong giãn nở nhiệt của men và xương từ nhiệt độ bắt đầu biến mềm của men đến tận nhiệt độ bình thường

Trường hợp hệ số giãn nở nhiệt của men lớn hơn của xương quá một giới hạn, khi làm nguội trong lớp men xuất hiện ứng suất kéo và men bị nứt Ngược lại, hệ số giãn nở nhiệt của xương lớn hơn của men, khi làm nguội xương co nhiều hơn và tạo ra ứng suất nén lên lớp men làm men dễ bị bong

ra

Đối với sản phẩm gốm dạng tấm, mỏng, chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt giữa xương và men thường gây nên hiện tượng cong vênh méo sản phẩm

Độ bền hóa học của lớp men là khả năng chống lại sự tác động của hóa chất đặc trương là độ bền kiềm và axit với đồ đun nấu đặc biệt quan tâm đến độ bền kiềm vì đồ ăn thường có tính kiềm nhẹ

Qua các phân tích ở trên về các tính chất của xương và men ta đưa ra

một số nhận xét sau:

Độ bền cơ và bền nhiệt của vật liệu gốm sứ có mối quan hệ tương hỗ

Độ bền nhiệt tăng kéo theo độ bền cơ tăng và ngược lại Nguyên nhân của mối quan hệ này là do:

Độ bền cơ và bền nhiệt đều phụ thuộc vào ứng suất của cấu trúc vật liệu Bền nhiệt cao tức là ứng suất do dao động nhiệt tạo ra không phá vỡ được liên kết của vật liệu, cấu trúc vật liệu cân bằng và ổn định dẫn đến độ bền cơ tăng và ngược lại

Với mục đích nâng cao độ bền cơ và bền nhiệt của vật liệu gốm sứ gia dụng để đạt được hiệu quả tối ưu ta phải chú ý đến tương tác giữa xương và men

Sự chênh lệch hệ số giãn nở của men và mộc trong phạm vi hẹp không gây khuyết tật vì men có khả năng đàn hồi trong một phạm vi nhất định Trong các trường hợp thì độ bền cơ học của sản phẩm tăng nếu men ở trạng thái bị nén do đó cần sử dụng men có hệ số giãn nở nhỏ hơn hệ số giãn nở của xương gốm Tuy nhiên, nếu chênh lệch quá nhiều, ứng lực sinh ra lớn hơn độ bền thì sẽ có hiện tượng nứt hoặc bong men

Một vấn đề cần quan tâm khi muốn xương và men phù hợp với nhau

là phải tạo ra lớp trung gian có độ dày nhất định

Tất cả các loại men trong quá trình nung đều có gắn ít hoặc nhiều đối với xương sản phẩm Khi nung giữa men và xương cần phải tạo ra một lớp trung gian hay lớp quá độ, lớp này có tác dụng hòa ứng lực xuất hiện giữa xương và men giảm ứng lực Lớp trung gian này càng dày thì xương và men càng phù hợp nhau Về mặt hóa lý, đây là một quá trình phức tạp bao gồm các phản ứng hóa học do bản chất khác nhau giữa xương và men (tính kiềm của men lớn hơn xương và tính axít ngược lại) Song song quá trình phản ứng hóa học còn có quá trình hòa tan, thấm ướt giữa pha lỏng và pha rắn và quá trình kết tinh

Sự hình thành lớp trung gian phụ thuộc thành phần xương và men, nhiệt độ nung sản phẩm, thời gian lưu mẫu ở nhiệt độ nung cao nhất, độ xốp của xương sản phẩm cũng như độ tan của từng loại ôxít có trong men Để tạo lớp trung gian, người ta thường cho thêm vào men axít boric, hoặc các chất

kiềm khác, tuy nhiên cần lưu ý hệ số dãn nở nhiệt có thể tăng do các loại oxit kiềm gây nên

1.6 Đặc điểm của một số hệ vật liệu gốm bền nhiệt, bền cơ

Cordierite là một hệ vật liệu bền nhiệt truyền thống điển hình và được ứng dụng rộng rãi hiện nay trong công nghiệp sản xuất gốm sứ và các ứng dụng nhiệt độ cao Thành phần pha chủ yếu của hệ vật liệu này là cordierite

có hệ số giãn nở nhiệt rất thấp, nằm trong khoảng (1 – 2).10-6 0K-1 Do hệ số dãn nở nhiệt thấp, cường độ kháng nén tương đối cao, mức độ ổn định và an toàn trong dải nhiệt độ làm việc dưới 13600C khá tốt nên hệ vật liệu này được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp nhiệt, đặc biệt công nghiệp sản xuất vật liệu gốm sứ làm tấm kê, trụ đỡ, bao nung sản phẩm Nhược điểm lớn nhất hạn chế khả năng tổng hợp và ứng dụng hệ vật liệu này là độ chịu lửa không cao Mặt khác, quá trình tổng hợp vật liệu khá khó khăn do khoảng kết khối của cordierite rất hẹp

Hệ tinh thể Mulit được tạo ra trong khoảng nhiệt độ cao 1350 –

14000C Các tinh thể Mulit có kích thước ở dạng hình kim, hình lăng trụ dài

và chúng phân bố lộn xộn thành mạng lưới giống nỉ, dạ trong các đoạn nguyên liệu sét Nó tạo lên một mạng lưới như vậy đã làm tăng cường độ cơ học của vật liệu, làm cho vật liệu gốm trở lên vững chắc và giúp vật liệu gốm

1.6.3 Hệ Corindon, corindon-Mulit

Gốm corindon là một sản phẩm là một gốm đặc biệt Ta biết rằng

nhiệt độ là yếu tố quyết định mức độ kết khối gốm corindon Nhiệt độ kết khối của α −Al2O3 kỹ thuật tinh khiết (với Al2O3 – 99-99,5%) với độ mịn 1 –

2µm và không thêm phụ gia nằm trong khoảng 1700 – 17500C Tại nhiệt độ này sản phẩm đạt mật độ 3,75 – 3,85g/cm3 hay mật độ tương đối đạt 0,94 – 0,96% Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ đến 1800 – 1850oC và lưu nhiệt độ lâu ở

vùng nhiệt độ này cũng không làm tăng thêm mật độ

Zirconia có nhiệt độ nóng chảy rất cao có thể trên 27000C (thường trong khoảng 2500 - 26000C) và độ dẫn nhiệt thấp(ở 1000C độ dẫn nhiệt 1,5kcal/mh độ) Tuy nhiên, do cấu trúc tinh thể có tính đa hình - biến đổi pha thù hình khi thay đổi nhiệt độ, dẫn đến giới hạn khả năng ứng dụng của hệ vật liệu gốm zirconia trong công nghiệp gốm sứ và nhiệt độ cao Zirconia có ba dạng thù hình chính: Dạng đơn tà tồn tại trong khoảng nhiệt độ dưới 11700C; trong khoảng 1170-23700C dạng thù hình chính ổn định là dạng tứ phương; trên 23700C zirconina chuyển qua cấu trúc pha tinh thể lập phương ổn định Trong quá trình gia nhiệt, zirconia tham gia quá trình biến đổi pha thù hình Ở nhiệt độ dưới 11700C, thành phần pha cấu trúc của zirconia là dạng đơn tà Quá trình chuyển pha từ dạng đơn tà sang dạng tứ phương khi gia nhiệt biến đổi rất nhanh kèm theo thay đổi thể tích từ 3-5% gây nên hiện tượng phá hủy đột ngột cấu trúc toàn hệ thống của vật liệu Đặc tính biến đổi thù hình này làm cho vật liệu gốm trên cơ sở hệ thuần zirconia không còn ứng dụng thực tiễn

Thủy tinh thạch anh được sản xuất từ cát, quartz tinh thể hoặc silica (SiO2) nấu chảy trong lò điện hồ quang ở nhiệt độ trên 19000C Tùy theo yêu cầu về độ sạch, thủy tinh thạch anh được phân loại theo mục đích sử dụng:

Phân loại SiO 2 [%] Ứng dụng

Fused Silica > 99,99 Sensor, bán dẫn, Si,…

Fused Quartz > 99,50 Vật liệu chịu lửa, dụng cụ bền nhiệt, chất

độn,

Fused quartz (FQ) có cấu trúc thủy tinh vô định hình điển hình Cấu trúc FQ bao gồm liên kết chéo ba chiều ở mức độ rất cao làm cho nó có khả năng làm việc ổn định ở nhiệt độ cao với độ nhớt rất cao và ít thay đổi trong dải nhiệt độ rất rộng Ngoài ra, hệ số dãn nở nhiệt rất thấp, nằm trong khoảng 0,55.10-6 0K-1, FQ là một trong những vật liệu bền sốc nhiệt lý tưởng Là một vật liệu bền hóa, FQ hầu như không bị ăn mòn bởi acid và các hóa chất khất khác Các chỉ tiêu tổn hao và hằng số điện môi của FQ cũng rất nhỏ Đó chính

là lý do tại sao FQ là một trong những vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nấu chảy kim loại bằng xung siêu cao tần

Mặc dù ở nhiệt độ thường, độ cứng của FQ khá cao và có xu hướng phá hủy giòn như các vật liệu gốm hoặc thủy tinh khác Tuy nhiên ở nhiệt độ cao,

sự hình thành pha lỏng (biến mềm) với độ nhớt cao, FQ có xu hướng cải thiện đáng kể khả năng ổn định và tăng bền sốc nhiệt của vật liệu

1.7 Định hướng nghiên cứu

Trên cơ sở phân tích các vấn đề lý thuyết về tính chất cơ, nhiệt và một

số thông số kỹ thuật của các hệ tinh thể, một số định hướng mà đề tài sẽ triển khai nghiên cứu như sau:

- Lựa chọn hệ vật liệu cần tổng hợp chế tạo là hệ Mulite- Cordierite

- Khảo sát các thông số kỹ thuật của phối liệu khảo sát thăm dò (phối liệu sứ dân dụng làm ấm sắc thuốc bắc của công ty sứ Hải Dương)

- Thiết lập các bài phối liệu trên cơ sở sử dụng phụ gia nhằm nâng cao khả năng kết khối và kết tinh các tinh thể