Nghiên cứu nâng cao độ bền cơ, độ bền nhiệt cho gốm sứ gia dụng

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50 LỜI CẢM ƠN Sau tháng làm việc chúng em với lỗ lực thân, với giúp đỡ tận tình thầy giáo hướng dẫn, anh chị Viện nghiên cứu sành sứ thủy tinh công nghiệp, bạn lớp, động viên gia đình người thân chúng em hoàn thành đề tài tốt nghiệp Trong qúa trình làm đề tài chúng em nhiều điều chưa đạt mong muốn Chúng em kính mong đóng góp ý kiến thầy cô, anh chị bạn để đề tài hoàn thiện Với mong muốn đề tài sau hồn thiện có sản phẩm ứng dụng vào đời sống Một lần nữa, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy NGUYỄN THÀNH ĐƠNG, anh NGUYỄN TIẾN ĐIỆP - phó viên trưởng Viện nghiên cứu sành sứ thủy tinh công nghiệp, trực tiếp hướng dẫn bảo chúng em suốt trình làm đề tài Chúng em xin cảm ơn thầy cô môn, anh chị viện nghiên cứu tạo điều kiện tốt cho chúng em trình làm đề tài Cuối cùng, lời cảm ơn mà chúng em muốn gửi tới gia đình chúng em, người thân chúng em giúp đỡ động viên chúng em năm tháng học đại học để chúng em có kết ngày hôm Xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện: Nguyễn Sơn Tùng Nguyễn Đại Binh Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50 MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu công nghệ sản xuất sứ gia dụng 1.2 Độ bền học yếu tố ảnh hưởng 1.2.1 Biến dạng đàn hồi vật liệu gốm 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền vật liệu gốm 1.3 Độ bền nhiệt yếu tố ảnh hưởng 10 1.3.1 Khái niệm 10 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng 10 1.4 Các phương pháp làm tăng độ bền cơ, bền nhiệt 11 1.4.1 Tăng độ bền 11 1.4.2 Tăng độ bền nhiệt .12 1.5 Men tính chất men 12 1.5.1 Khái niệm 12 1.5.2 Tính chất men 13 1.6 Đặc điểm số hệ vật liệu gốm bền sốc nhiệt, bền 15 1.6.1 Hệ vật liệu bền nhiệt cordierit Mg2Al4Si5O18(2MgO.2Al2O3.5SiO2) 15 1.6.2 Hệ vật liệu Mullit (3Al2O3.2SiO2) .15 1.6.3 Hệ vật liệu Corindon, corindon-Mullit 16 1.6.4 Hệ vật liệu zirconia ổn định ZrO2 17 1.6.5 Hệ thủy tinh bền nhiệt thạch anh SiO2 .17 1.7 Định hướng nghiên cứu 19 PHẦN II PHẦN THỰC NGHIỆM .20 2.1 Trình tự thực nghiệm: .20 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50 2.2 Lựa chọn nguyên liệu .20 2.2.1 Các nguyên liệu dẻo 20 2.2.2 Các nguyên liệu gầy 21 2.2.3 Các nguyên liệu khác 21 2.3 Các thiết bị dùng để thí nghiệm 22 2.3.1 Máy nghiền bi sứ siêu tốc (hình 2) 22 2.3.2 Máy ép thủy lực (hình 3) 22 2.3.3 Tủ sấy (hình 4.1, 4.2) 23 2.3.4 Lị hầu (hình 5.1, 5.2) 24 2.3.5 Máy thử cường độ uốn (hình 6) 26 2.3.6 Các thiết bị khác 26 2.4 Xây dựng phối liệu nghiên cứu 28 2.4.1 Bài phối liệu đối chứng 28 2.4.1.1 Kết khảo sát mẫu đối chứng 29 2.4.2 Các phối liệu nghiên cứu 31 2.4.2.1 Khảo sát phối liệu theo phương án lần .31 2.4.2.2 Khảo sát phối liệu theo phương án lần .36 2.4.2.3 Khảo sát phối liệu theo phương án lần .44 PHẦN KẾT LUẬN .51 Bổ xung cấu tử Samot Hydroxit nhôm: 51 Bổ xung cấu tử Talc, Samot Hydroxit nhôm: 51 Bổ xung cấu tử Talc, Samot Hydroxit nhôm: 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50 PHẦN MỞ ĐẦU Chúng ta biết ngành sản xuất gốm sứ gia dụng đời từ lâu, cách hàng nghìn năm Theo lịch sử phát triển ngành sản xuất gốm sứ ngành sản xuất gốm gia dụng nói riêng ngày phát triển mạnh mẽ nâng cao chất lượng số lượng Các sản phẩm gốm sứ gia dụng trước như: bát, đĩa, chén, ấm,… với quy trình cơng nghệ sản xuất, trình nung luyện tạo nên sản phẩm có khả làm việc nhiệt độ thường khơng cao có độ bền khơng cao Các sản phẩm dễ bị sứt, vỡ không chịu biến đổi nhiệt độ lớn Do đó, khơng đạt nhiều yêu cầu kỹ thuật đặt Ngày nay, với tiến khoa học kỹ thuật công nghệ sản xuất đời bên cạnh việc phát triển sản phẩm sứ gia dụng dùng nhiệt độ thường với điều kiện sinh hoạt thường ngày người dân Chúng ta mở rộng phát triển sứ gia dụng số lĩnh vực khác như: sản phẩm làm nồi nấu lẩu, sử dụng lị vi sóng sử dụng để nấu chín thức ăn,… đảm bảo sản phẩm không bị nứt vỡ hay biến dạng, đồng thời đảm bảo quy định an toàn vệ sinh thực phẩm, môi trường không gây độc hại, nguy hiểm đến sức khỏe người sử dụng Chính mà chúng em chọn đề tài nghiên cứu tốt nghiệp với nội dung: “Nghiên cứu nâng cao độ bền cơ, độ bền nhiệt cho gốm sứ gia dụng” Tình hình nghiên cứu nước ngoài: Vật liệu gốm bền sốc nhiệt chất lượng cao dùng làm đồ đun nấu sản xuất nhiều nước tiên tiến giới Mỹ, Nhật, Đức, Hàn Quốc, Vào thập niên cuối kỷ 20, song hành với việc phát triển sản phẩm lị vi sóng, nồi cơm điện sản phẩm đun nấu giá trị cao, nước có tập trung đầu tư nghiên cứu dịng vật liệu gốm sạch, độ bền nhiệt cao So với gốm truyền thống chúng có đặc tính kỹ thuật tốt nhiều đặc biệt độ tính bền sốc nhiệt từ nguyên liệu có độ cao q trình tổng hợp có xử lý tạo khoáng bền nhiệt cao mullit, cordierit, coridon – periclaz, zirconia - tinh thể dạng monoclinic Các khống có khả chịu bền sốc nhiệt cao, chịu tác động trực tiếp lửa cao nhiệt tốt Một số loại cịn có khả chịu bền xung nhiệt cao gốm tổng hợp có bổ xung bột ZrO2, bột thủy tinh thạch anh Hiện nay, Trung Quốc nước sản xuất sử dụng nhiều loại sản phẩm tính Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50 chất vật liệu gốm ưa chuộng cho đun nấu ăn Á Đơng Tình hình nghiên cứu nước Dòng sản phẩm gốm chất lượng cao, có xử lý nhiệt tạo khống với tính bền sốc nhiệt bền cao, giúp cho số lần sử dụng khơng bị hạn chế Ngồi sản phẩm tráng lớp men với tính chất nhiệt, hóa tốt cho phép tăng tính thẩm mỹ vệ sinh sử dụng Loại sản phẩm Việt Nam chủ yếu nhấp nước Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc… Nhu cầu dòng sản phẩm gốm chất lượng cao dùng làm dụng cụ đun nấu nồi lẩu, nồi om, nồi hấp, nồi sắc thuốc thị trường Việt Nam nước Á Đông ngày gia tăng Trong đó, chất lượng sản phẩm thị trường không đủ cung cấp chưa đáp ứng nhu cầu thị trường Hiện nay, Việt Nam chưa có đơn vị nghiên cứu theo hướng ứng dụng vật liệu gốm men bền sốc nhiệt vào làm dụng cụ đun nấu cao cấp Kết luận Trước tình hình phát triển cơng nghệ sản xuất gốm sứ gia dụng nước nước ngày mạnh mẽ Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng cho gốm gia dụng, đặc biệt độ bền cơ, bền nhiệt cần thiết có tính thực tiễn cao Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50 PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu công nghệ sản xuất sứ gia dụng Công nghệ sản xuất gốm sứ gia dụng mô tả tổng quát sơ đồ Nguyên liệu Cân định lượng Chế tạo phối liệu dẻo, phối liệu đổ rót Tạo hình Sấy, sửa mộc Tráng men, trang trí Nung Thuyết minh sơ đồ: Phân loại Các nguyên liệu (cao lanh, đất sét, thạch anh, fenpat, ), đem cân cân định lượng theo phối liệu tính tốn trước Sau cân phối liệu đổ vào máy nghiền bi ướt để nghiền mịn với cỡ hạt có độ sót sàng 63m khơng q 5% Phối liệu sau nghiền mịn chế tạo làm phối liệu dẻo (hoặc phối liệu hồ đổ rót) tùy thuộc vào loại sản phẩm sứ gia dụng sau ta Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50 cần chế tạo Sau tạo phối liệu ta đem phối liệu tạo hình sản phẩm phương pháp ép xoay (đối với phối liệu dẻo), đổ rót (đối với phối liệu hồ đổ rót) Sản phẩm tạo hình đem sấy khơ nhiệt độ sấy thích hợp, sau đem sửa mộc Sản phẩm mộc sau sửa đem di tráng men trang trí hoa văn tùy thuộc yêu cầu loại sản phẩm Sản phẩm mộc sau tráng men, trang trí đem nung nhiệt độ nung thích hợp nhằm tạo sản phẩm đạt tính chất kỹ thuật theo yêu cầu Cuối sản phẩm sau nung đem phân loại để loại bỏ sản phẩm không đạt yêu cầu chất lượng đề ban đầu, sản phẩm đạt yêu cầu đóng gói xếp vào kho chứa sản phẩm Nhận xét: Qua dây chuyền công nghệ sản xuất sứ gia dụng trên, để nâng cao độ bền bền nhiệt cho sản phẩm sứ gia dụng ta tác động đến cơng đoạn chủ yếu sau: + Tác động đến phối liệu: mục đích ta điều chỉnh thành phần nguyên liệu nhằm để tạo phối liệu tối ưu nhất, để đạt điều mong muốn đề tài nâng cao độ bền bền nhiệt Vì thế, phối liệu phải: - Tạo khống có đặc tính tốt để làm tăng độ bền cơ, bền nhiệt tức khống có cường độ cao có hệ số giãn nở nhiệt thấp như: khoáng Mullite, Cordierite, - Các khoáng tạo phải xếp liên kết tốt với nhau, với hàm lượng pha thủy tinh hợp lý + Tác động đến giai đoạn tạo hình: mục đích ta lựa chọn phương pháp tạo hình thích hợp để tạo mẫu sản phẩm có độ xít đặc cao, lỗ xốp - Trong trình thí nghiệm nghiên cứu đề tài ta dùng phương pháp ép bán khô - Thực tế sản xuất sau khác, với đặc thù sản phẩm gốm sứ gia dụng (và đề tài mong muốn sản xuất mặt hàng nồi nấu lẩu; bát to, đĩa dùng lị vi sóng, ) phương pháp dùng để sản xuất ép Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50 dẻo hồ đổ rót tùy thuộc vào hình dạng phức tạp sản phẩm hay khơng 1.2 Độ bền học yếu tố ảnh hưởng 1.2.1 Biến dạng đàn hồi vật liệu gốm Sự phá hủy tác động học đa số vật liệu gốm nhiệt độ thường mang đặc tính giịn, nghĩa phá hủy xảy vật liệu có độ biến dạng đàn hồi nhỏ Biến dạng đàn hồi vật liệu xác lập tăng khoảng cách nguyên tử, ion, nhóm nguyên tử làm cho mẫu nở ra, làm tăng lượng mạng lưới tinh thể cấu trúc gốm Thể qua biểu thức định luật Hook:   E. Với: -  : ứng suất max - E: modun đàn hồi (modun Young) -  : độ dãn dài tương đối (biến dạng đàn hồi) 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền vật liệu gốm Với vật liệu gốm thơng thường có độ bền tính theo lý thuyết từ (1 – 10).105 KG/cm2 Độ bền thực tế nhỏ nhiều nguyên nhân sau: a Ảnh hưởng bề mặt Nếu vật liệu nhẵn bóng khơng có vết nứt độ bền lớn bề mặt có vết nứt xước tâm điểm làm phá hủy vật liệu - vết nứt tế vi Nguyên nhân: + Trong trình tạo hình chưa làm nhẵn vật liệu, trình bảo quản, vận chuyển: bề mặt vật liệu hình thành vết xâm thực bị môi trường ẩm tác động vết xước va chạm với vật rắn khác + Các ứng suất nhiệt gây vết nứt tế vi hình thành khác biệt hệ số giãn nở nhiệt tinh thể, pha khác vùng bề mặt vật liệu khác biệt hệ số giãn nở nhiệt phần phần bề mặt vật liệu đốt nóng làm nguội + Do biến đổi thù hình làm biến đổi thể tích dẫn đến giãn nở gây ứng suất gây nứt, b Ảnh hưởng lỗ xốp Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50 Ta biết có nhiều hình thái lỗ xốp có tác động đến độ bền khác nhau: + Lỗ xốp kín: phân bố bên cấu trúc vật liệu Nếu lỗ xốp có kích thước nhỏ (trạng thái vi mơ) phân bố đồng có lợi mặt học Nếu lỗ xốp lớn túi chứa khí nung nhiệt độ cao khơng khí lỗ xốp giãn nở nhiệt lớn, lỗ xốp bị phá hủy tạo ứng suất, tạo vết nứt phá hủy sản phẩm, sản phẩm cường độ nhanh chóng + Lỗ xốp hở, xuyên: lỗ xốp nơi để tác nhân hóa học, khí, lỏng xâm thực vào sản phẩm gây phá hủy sản phẩm làm độ bền giảm mạnh c Ảnh hưởng hàm lượng pha thủy tinh, pha tinh thể Ta biết rằng, pha thủy tinh có độ bền thấp pha tinh thể Ta lấy modun đàn hồi làm ví dụ: Ephaathuytinh ~ 0,7.106 KG/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 vật liệu cao độ bền học vật liệu thấp Tăng lượng pha tinh thể đặc biệt mullit corindon làm tăng độ bền Tuy nhiên, hàm lượng pha thủy tinh vật liệu thấp, khơng đủ liên kết độ xốp tăng lên độ bền học vật liệu lại giảm xuống Do việc điều chỉnh hợp lý tỷ lệ lượng pha thủy tinh pha tinh thể có tầm quan trọng để tăng độ bền học vật liệu d Ảnh hưởng kích thước hình dạng pha tinh thể Quan hệ kích thước hạt pha tinh thể độ bền thực tế  gốm diễn tả biểu thức:  = k.d-g Trong đó: - k: hệ số Knudsen - d: kích thước hạt Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Sơn Tùng – Nguyễn Đại Binh Lớp Silicat K50 - g: hắng số, gốm g = 0,75 Qua biểu thức ta thấy rằng, độ bền gốm tăng kích thước hạt giảm xuống Thực chất ảnh hưởng kích thước hạt đến độ bền học gốm chỗ: bề mặt phân giới hạt, hạt pha thủy tinh có tạo nên ứng suất nhiệt hệ số giãn nở nhiệt khác chúng Kích thước hạt khác biệt hệ số giãn nở nhiệt thành phần cấu trúc lớn đại lượng ứng suất lớn, tạo nhiều vết nứt tế vi bên vật thể làm giảm độ bền vật liệu Hình dạng hạt có ảnh hưởng đến độ bền gốm Các tinh thể tạo với thành kết hạch, có dạng hình kim (như tinh thể Mullit) phân bố đan xen với nằm pha thủy tinh có ảnh hưởng tốt đẹp đến độ bền học 1.3 Độ bền nhiệt yếu tố ảnh hưởng 1.3.1 Khái niệm Độ bền nhiệt hay độ bền chống ứng suất nhiệt khả chống lại phá hủy vật liệu có ứng suất nhiệt hình thành vật liệu Ứng suất nhiệt sinh đốt nóng làm nguội vật liệu chủ yếu so giãn nở nhiệt chênh lệch nhiệt độ phần khác vật liệu 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng Độ bền nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố: hệ số dẫn nhiệt  độ dẫn nhiệt a + Hệ số dẫn nhiệt  : đại lượng vật lý đo lường khả dẫn nhiệt vật liệu (W/m.0C) + Độ dẫn nhiệt a: đặc trưng cho vận tốc lan truyền nhiệt độ vật liệu gốm thay đổi điều kiện đốt nóng a  [ m / h] C bk Với: - C: nhiệt dung hay tỷ nhiệt vật liệu gốm [kcal/kg.0C] - bk : khối lượng thể tích hay khối lượng biểu kiến [g/cm3] Nếu vật liệu có khả dẫn nhiệt tốt  gradt theo thời gian chênh lệch nhiệt độ lớp bề mặt lớp sâu vật liệu nhỏ, khả phá hủy vật liệu nhỏ 10