Sản xuất các chất màu trong gốm sứ

Danh mục thiết bị, máy móc được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp gốm sứ 26 Phần VI MỘT SỐ CHẤT ĐỘC HẠI TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT GỐM SỨ 29 30 3 Xu hướng nghiên cứu bột màu thế h

MỤC LỤC

1. Phân loại

4. Các đại lượng đặc trưng cho cảm thụ màu sắc 4

1. Khái niệm và phân loại màu dùng trong gốm sứ 13

2. Quy trình công nghệ sản xuất chất màu 15

Phần V MÁY VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ GỐM SỨ - MÀU 26

1 Danh mục thiết bị, máy móc được sử dụng phổ biến trong ngành

công nghiệp gốm sứ

26

Phần VI MỘT SỐ CHẤT ĐỘC HẠI TRONG QUÁ TRÌNH SẢN

XUẤT GỐM SỨ

29

30

3) Xu hướng nghiên cứu bột màu thế hệ mới, thân thiện với môi

trường dựa trên cơ sở các nguyên tố đất hiếm

31

Phần VII Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TRONG QUÁ TRÌNH

NUNG GỐM

33 Phần VIII TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG BẰNG VIỆC SỬ

DỤNG LÒ ĐỐT

34

1) Quy trình nung đốt trong lò thủ công truyền thống 34

2) Quy trình nung đốt bằng lò gas con thoi 35

I. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ MÀU SẮC

1) PHÂN LOẠI

Màu vật thể chia làm 2 loại: màu hữu cơ và màu vô cơ

a) MÀU HỮU CƠ

Cấu tạo mạch nguyên tử C gồm liên kết đôi và đơn xen kẽ là đặc điểm quan trọngnhất đối với hợp chất hữu cơ có màu Bời vì các mạch như vậy có xuất hiện hiệu ứng liênhợp san bằng các liên kết đôi và đơn

Cơ chế xuất hiện màu: Khi ánh sáng đập vào phân tử thì phần năng lượng chính

được dùng để chuyển electron từ mức cơ bản sang mức cao hơn làm cho xuất hiện màu sắckhác nhau tùy vào bước sóng ánh sáng

b) MÀU VÔ CƠ

Màu của đa số hợp chất vô cơ được quyết định bởi các bước chuyển electron và do đóbởi sự chuyển điện tích từ nguyên tử của nguyên tố này sang nguyên tử của nguyên tố khác

Cơ chế xuất hiện màu: Trạng thái electron trong phân tử , độ linh động và sự chuyển

mức năng lượng của chúng khi có kích thích sang đã tạo nên khả năng xuất hiện màu

2) BẢN CHẤT VẬT LÝ CỦA CHẤT MÀU

Màu sắc của vật thể ngoài việc phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất màu, nó cònphụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nữa như: bản chất của nguồn chiếu sáng, tính chất của bềmặt được chiếu sáng, chiều dạy lớp hấp thụ ánh sáng

3) MÀU CỦA VẬT THỂ ĐƯỢC CHIẾU SÁNG

Màu của vật thể mà ta quan sát được là kết quả của quá trình:

- Quá trình tương tác của dao động điện từ tạo ra tia sáng với phân tử của chất

- Quá trình hấp thụ có chọn lọc ánh sáng của vật thể

- Quá trình cảm thụ màu ở mắt

Trong đó quá trình thứ 2 có ý nghĩa quyết định tạo nên sự khác biệt về màu sắc của thếgiới tự nhiên

4) CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO SỰ THỤ CẢM MÀU SẮC

- Tông màu , sắc màu

- Độ thuần sắc , độ bão hòa

Thành phần của chất màu vô cơ

Ngoại trừ một số ngoại lệ, pigment vô cơ thường là các oxid, các hợp chất sulfua,oxid hydroxid, silicat và carbonat và thường chứa 1 loại hạt duy nhất (vd: α-Fe2O3) với cấu

II. CÔNG NGHỆ SẢN SUẤT GỐM SỨ

1) KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI

a) Khái niệm

Gốm sứ là các vật liệu vô cơ với cấu trúc dị thể, thành phần khoáng và hóa khác nhau.Thành phần pha của vật liệu gốm sứ gồm pha đa tinh thể, pha thủy tinh và có thể có cả phakhí Các sản phẩm gốm sẩn xuất trên cơ sở nguyên liệu dạng bột mịn, tạo hình rồi đem nung

ở nhiệt độ cao

b) Phân loại

Có nhiều cách phân loại khác nhau:

- Theo thành phần hóa học và thành phần pha: gốm sứ hệ Al2O3 – SiO2, hệ MgO –SiO2, hệ K2O – Al2O3 – SiO2…

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

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

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

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

- Mục đích sử dụng: gốm sứ dân dụng, gốm sứ kỹ thuật

2) SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GỐM SỨ

a) Các phương pháp sản xuất gốm sứ

Nguyên liệu Nước

Nguyên liệu Nước

Nghiền trộn

Lọc ép

Luyện đất Ủ

b) Sơ đồ công nghệ chung

Hình 2: sơ đồ công nghệ chung

Quy trình sản xuất gốm sứ

Đất dẻo trước khi đưa vào tạo hình sẽ được đưa qua máy luyện và hút chân không lầnhai và được đùn ra với các kích thước có đường kính khác nhau tuỳ thuộc vào sản phẩm sảnxuất

Sau đó được đưa qua bàn cắt và đưa vào máy ép lăn, sản phẩm tạo hình được đưa quabuồng sấy

Tiếp theo, sản phẩm được đưa qua các công đoạn: sửa, nung sơ (nhiệt độ nung là

700OC), chuốt hàng, trang trí sản phẩm, làm men, cắt chân, lò nung

Sản phẩm ra lò sẽ được bộ phận kiểm tra chất lượng sản phẩm (KCS) phân loại chấtlượng, mài chân, đóng gói trước khi đưa đi tiêu thụ

3) NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT GỐM SỨ

b) Nhóm nguyên liệu cung cấp SiO2

Cát là nguyên liệu chính cung cấp SiO2, Quăczit

c) Nguyên liệu cung cấp CaO

Đá vôi CaCO3: đây là thành phần quan trọng nhất của sản xuất xương gốm và men

Đá hoa cương, Đôlômit

a) Nghiền trộn

Qua trình nghiền có tác dụng trộn, tránh sự kết tụ lại, làm tăng mức hoạt hóa bề mặtvật liệu và đồng nhất phối liệu do kết hợp trộn nghiền trong máy nghiền

b) Chuẩn phối liệu vào sản phẩm

Yêu cầu cơ bản:

- Đạt độ chính xác cao về thành phần hóa học và tỉ lệ các loại cở hạt

- Đạt độ đồng nhất về thành phần hóa, thành phần hạt, lượng nước tạo hình, chất điệngiải hay các loại phụ gia…trong phối liệu theo thời gian và vị trí khác nhau

Có 3 phương pháp tạo hình cơ bản sau:

- Phương pháp ép bán khô

- Phương pháp dẻo

- Phương pháp đổ rót

c) Sấy

Mục đích là loại bỏ nước liên kết hóa học hay nước liên kết hóa lí

Sau khi hình thành sản phẩm mộc phải sấy để loại nước Có thể sấy tự nhiên hay sấycưỡng bức với mục đích là loại nước sao cho nhanh nhất mà không làm biến dạng hay vỡsản phẩm

d) Tráng men

Các phương pháp tráng men:

- Dội men phia trong và phía ngoài sẩn phẩm

- Nhúng toàn bộ vật thể vào men

III. MEN DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ GỐM SỨ

1) KHÁI NIỆM

Men là một lớp thủy tinh( thủy tinh là chất vô cơ nóng chảy bị làm quá lạnh về trạng thái rắn mà không kết tinh) có chiều dày 0,15 – 0,4 phủ lên bề mặt xương gốm xứ Lớp thủy tinh này hình thành trong quá trình nung và có thể có tác dụng làm cho bề mặt xương gốm sứtrở nên sít đặc, nhẵn bóng

Về mặt ký thuật men là một phương pháp trang trí sản phẩm , do đó tăng giá trị sẩn phẩm

2) PHÂN LOẠI

a) Phân loại theo thành phần

Men chì:

- Men chứa PbO và B2O3

- Men chứa PbO nhưng không chứa B2O3

Men không chứa chì:

- Men chúa B2O3

- Men không chứa B2O3 có hàm lượng kềm cao

- Men không chứa B2O3 có hàm lượng kềm thấp

b) Phân loại theo cách sản xuất

- Men sống : loại men đưa lên bề mặt xương gốm từ những nguyên liệu thô nghiền mịn

chưa được gia nhiệt

- Men chín ( Men frit): loại men nấu thành thủy tinh trước, nghiền mịn rồi đưa lên bề

c) Phân loại theo nhiệt độ nung

- Men khó chảy: men này có nhiệt độ nóng chảy cao( 1250 -1450 0C), có độ nhớt lớn, hàm lượng SiO2 cao và hàm lượng kềm thấp

- Men dễ chảy: men này có nhiệt độ nóng chảy cao( <1250 0C), có độ nhớt bé, hàm lượng SiO2 thấp và hàm lượng kềm cao

d) Phân loại theo cảm quan

- Men trong: lớp men trong suốt có thể nhìn thấy xương gốm qua lớp men

- Men không trong: lớp men không trong suốt, không nhìn thấy xương gốm qua lớp

men Men không trong có thể do tác dụng tạo đục cuẩ những hạt keo

e) Phân loại theo cách nung

Công đoạn phủ men được thực hiện sau khi sấy hoặc nung non

- Nung một lần( có độ bền cơ học đủ lớn):  sấy  phủ men  nung

- Nung hai lần: Mộc  nung lần 1  tráng men  nung hoàn thiện

f) Phân loại theo thẩm mỹ

Sức căng bề mặt phụ thuộc vào thành phần và nhiệt độ

Hệ số giản nở tăng hạn chế khả năng nứt men, hệ số giản nở men giảm hạn chế hiện tượng bong men

d) Độ cứng của men

Là khả năng chịu lực cơ học mài xiếc hoặc ấn lún trên bề mặt của men

Phương pháp xác định độ lún:

Trong men có một số yếu tố ảnh hưởng đến sức khỏe con người như: Pb, Cd, Bi, Ba,

As… nên cần chú ý vấn đề môi trường ngay từ quá trình chuẩn bị phối liệu

Trong quá trình sản xuất vẫn dùng các chất trên tuy nhiên kỹ thuật frit hóa men thường dùng có thể chuyển các độc tố thành dạng hợp chất khó hòa tan, phân hủy trong vật liệu gốm và không được vượt qua giới hạn cho phép đối với sức khỏe con người

4) TRANG TRÍ MEN BẰNG MÀU

Màu sắc phụ thuộc vào thành phần, cấu trúc của chất tạo màu và chất chảy, cách thức trang trí

a) Các phương pháp trang trí bề mặt gốm

- Tạo men thủy tinh

- Dùng chất màu

- Tạo hình nỗi trên bề mặt me

b) Kỹ thật đưa màu lên men

c) Màu trên men

- Lớp trang trí trên bề mặt men, trong nhiều trường hợp màu hơi chìm vào men

- Màu được đưa lên men khi lớp men nền đã ổn định

Ưu điểm: các tông màu trên men phong phú và tươi hơn

Ba thành phần chính của bột màu: chất màu + chất chảy + phụ gia Khác biệt

chính giữa hai loại màu là chất chảy với màu trên men chất chảy là thủy tinh hay frit chảy ởnhiệt độ thấp

d) Màu dưới men

Lớp men nằm giữa xương và men và được lớp men bảo vệ chóng lại tác dụng hủy hoại cơ học, hóa học và môi trường

Ba thành phần chính của bột màu: chất chảy + chất màu cơn bản + phụ gia Chất

lượng bột màu phụ thuộc chủ yếu vào màu cơ bản( pigment) Pigment được chế tạo bằng cách trộn các phối liệu theo tỷ lệ thích hợp, nghiền cho đủ độ mịn và đông nhất

Để tăng độ bền lien kết giữa bột màu và xương mộc, phải dùng chất chảy và phụ gia

tuy nhiên trong trường hợp này vai trò chất chảy không quan trọng

Màu thủy tinh:

- Men có bản chất là thủy tinh màu

- Đơn điệu và không thể trang trí những hình phức tạp

IV. MÀU TRONG CÔNG NGHỆ GỐM SỨ

1) KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI MÀU DÙNG TRONG GỐM SỨ

a) Khái niệm

Chất màu cho gốm sứ chủ yếu thuộc hệ dung dịch rắn( picmen) Như vậy cấu trúc các

chất màu là không hoàn chỉnh nghĩa là có sự biến dang về cấu trúc (do phân cực) Kết quả có

sự sai lệch là thông số mạng lưới của tinh thể dẫn đến xuất hiện màu

Các picmen thông thường là nguồn nguyên liệu cơ bản để chế tạo các chất màu gốm

sứ Các picmen thong thường là các aluminat hoặc các silicat thuộc loại spinel, vilemit,

granat, corund… Các picmen được đặc trưng bởi khả năng tạo màu cao, bền vĩnh cửu với tác

động hóa học, ánh sáng, các loại dầu mở và nhiệt độ cao

b) Phân loại

 Theo vị trí trang trí màu và men

- Màu trên men: chất màu + chất chảy + phụ gia

- Màu dưới men: bột màu dưới men gồm: chất chảy + chất màu cơ bản + phụ gia

- Màu trong men còn gọi là thủy tinh màu

Sự khác biệt giữa hai loại này là chất chảy, chất chảy dùng cho màu trên men là thủy tinh

hay frit chảy ở nhiệt độ thấp hơn

 Theo bản chất tạo màu

- Chất tạo màu ion: các đơn oxit được trộn lẫn với men và tráng lên sản phẩm gốm sứ

sau sấy hoặc đã nung sơ bộ Các ion thường gặp: Co2+ : tím xanh, Ni2+: tím, Cu2+:

xanh đồng, Fe3+: nâu vàng…

- Chất tạo màu dạng keo: men được nhuộm màu bởi các tinh thể kim loại có kích thước

hạt keo, màu sắc chất tạo màu phụ thuộc vào kích thước hạt keo Các chất tạo màu

dạng keo thường là: Au, Ag, Cu…

c) Các hệ nguyên tố cơ bản dùng trong sản xuất màu gốm sứ

Màu Xanh Xanh lá

Co-Al Co-Cr Pb-Sb

Cd-Se-S

S

BaCrO4

SrCrO4

ZnCrO4

Các hệ nguyên tố cơ bản dùng trong sản xuất màu gốm sứ

2) QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHẤT MÀU

a) Công nghệ sản xuất chung

OXIT TẠO MÀU

PHỐI LIỆU

CÂN

NUNG NGHIỀN

RỬA SẤY

+ Nung nóng chảy

+Lắng đọng từ dung dịch nước

+Tẩm ướt bằng dung dịch nước

- Dùng cách nghiền với đá cuội theo phương pháp nghiền khô hoặc nghiền ướt

 Nghiền

-Nghiền để tách khối ra

-Tỉ lệ giữ màu đem nghiền, nước và bi nghiền là 1:1

- Phần còn lại trên sàng 10.000 lỗ/cm2 là không vượt quá 0,2%

 Rửa

- Giảm thiểu tối đa các muối hoặc acid ảnh hưởng tới màu

- Loại phần dư chưa phản ứng hoặc chất hòa tan

-Rửa bằng nước, acid hoặc bazơ

-Sấy khô, sàng tạo màu gốc

3) CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN CỦA MÀU GỐM SỨ

- Bền vững với tác động của nhiệt độ cao trong quá trình đưa màu lên sản phẩm gốm

- Không bị tác động hòa tan các chất nóng chảy, các loại men và chất chảy

- Dễ dàng phủ trang trí lên sản phẩm

- Có tính kinh tế

- Điều quan trọng nhất là phối hợp để thu nhận được tông màu cần thiết

4) SẢN XUÁT CÁC PICMEN VÀ MÀU TRÊN MEN

a) Khái niệm và phân loại

Chất màu gốm sứ trên men là hỗn hợp picmen khoáng chịu nhiệt có chứa các thủy tinh dễ chảy ( chất trợ dung)

Theo nhiệt độ được chia thành 3 nhóm:

- Các màu nung ở nhiệt độ 775oC ±

15oC

- Các màu nung ở nhiệt độ 805oC ±

15oC

- Các màu nung ở nhiệt độ 815oC ±

15oCTheo độ bền axit:

Nhóm Độ bền axit ở nhiệt độ trong nhà sau khi nung

Nồng độ axit acetic, % Thờ gian, giờ

Thành phần chất trợ dung cho các chất màu trên men:

lọai chất trợ dung này

oxit crom

Các picmen và chất màu vàng các oxit antimon, oxit uran, cromat chì và các pigment

rutin

PbCrO4 và hợp chất selen và cađimi

d) Xét cụ thể cho các picmen và chất màu xanh

Cơ sở của các pigment màu xanh là ion coban, nếu nằm ở cựa hóa trị 4 sẽ cho màu

xanh, còn nằm ở cựa hóa trị 6 là màu gạch đỏ Về thành phần picmen coban chia ra nhóm

silicat và nhóm aluminat

Các nguyên liệu cơ bản để sản xuất picmen màu xanh là oxit coban Co2O3 và

cacbonat coban CoCO3 Đưa vào thành phần picmen 1 ít oxit kẽm ZnO, oxit nhôm Al2O3 và các oxit khác sẽ cho các tông màu xanh khác nhau

Các picmen màu xanh cho ở bảng sau:

N0pigmen

nung 0COxit

nhôm cobanOxit Oxitkẽm BoricAxit Thạchanh Fenspat CacbonatKali NitratKali

Nhà máy chất màu Đu-lép

-1350

Công nghệ sản xuất picmen màu xanh như sau:

Các nguyên liệu được định lượng theo công thức yêu cầu, nạp vào máy nghiền bi và nghiền trong 48 giờ đạt được độ mịn và độ đồng nhất cao

Sau khi nghiền, phối liệu được nạp vào chén samot và sấy trong là sấy trong khoảng

48 giờ đến 52 giờ ở nhiệt độ 80oC-90oC Phối liệu sấy xong chuyển qua các chén samot mới

Bên trong các chén samot mới này được xoa một lớp oxit nhôm mỏng Các chén samot đượcnạp đầy ¾ thể tích phối liệu cho từng chén và xếp vào lò nung

Nung ở nhiệt độ 1320oC-1350oC trong khoảng thời gian 20-24 giờ khi nhiệt độ đạt

1300oC cần phải lưu ở nhiệt độ này trong thời gian 1-1,5 giờ để thu được picmen có màu đồng nhất

Trong thời gian nung nhiệt độ cần phải nâng nhiệt từ từ (tới 960oC trong vòng 6-7 giờ), từ nhiệt độ 960oC tới nhiệt độ 1060oC trong vòng từ 4-5 giờ và từ nhiệt độ 1060oC-

1350oC trong vòng 8 giờ

Môi trường nung picmen này như sau: Tới nhiệt độ 960oC nung ở môi trường oxy hóa, trong khoảng nhiệt độ 960oC-1060oC nung trong môi trường oxy hóa mạnh, trong khoảng nhiệt độ 1300oC-1320oC trong mội trường khí trung tính và lưu từ 1,5-2 giờ ở nhiệt

độ này Kết thúc nung trong khoảng thời gian 1 giờ ở môi trường khử yếu

Khi nhiệt độ trong lò đạt 1350oC thì kết thúc nung Các picmen đã nung sau khi làm nguội lấy ra khỏi các chén nung, nghiền trong máy nghiền lăn và sau đó nghiền trong máy nghiền bi

Sau khi nghiền, picmen được sấy trong lò sấy ở nhiệt độ 70oC-90oC và sàn qua 4000 lỗ/cm2 Để thu nhận các màu trên men, các picmen được trộn với các chất trợ dung tương ứng

Các màu trên men được thu bằng cách nghiền phối hôp các chất màu đã chuẩn bị xong Tỉ lệ định lượng các vật liệu, nước và bi được xác định qua thực nghiệm Các vật liệu được định lượng theo công thức nạp vào máy nghiền bi và nghiền trong khoảng 7-8 ngày đêm để đạt được độ mịn không vượt quá 0.2% của phần còn lại trên sang 10.000 lỗ/cm2

Sau khi kiểm tra màu, độ mịn và độ chảy, chất màu được đổ vào các chén samot sạch cho nhóm màu này và được sấy ở nhiệt độ 80-90oC cho tới hàm lượng chất ẩm màu không quá 0,3% Chất màu sau khi sấy được sàng qua sàng N0 28-30 trong tủ hút và sau đó đóng gói bảo quản

Sản xuất màu lá cây sẫm N 0 52

Minium Thạch anh Axit boric

Trộn

Nung Sấy

Picmen xanh lá cây trên men N0 52

e) Các yêu cầu kỹ thuật đối với pigment và chất màu trên men

- Màu phải phù hợp với màu chuẩn

- Lớp chất màu vừa phải là lớp của chất màu phủ lên kim loại

- Tăng lớp màu phủ không cho phép nhưng giảm lớp màu cho phép trong giới hạn đảm bảo màu và độ bong sau khi nung

- Độ ẩm bột màu không quá 0,3% Phần còn lại trên sàng 10.000 lỗ/cm2 không quá 0,02% nhiệt độ nung chất màu không vượt quá giới hạn cho phép của chất màu đỏ

5) SẢN XUÁT CÁC PICMEN VÀ MÀU DƯỚI MEN

a) Khái niệm và phân loại

Các chất màu dưới men cho các sản phẩm gốm xốp là các hỗn hợp pigment với các nguyên liệu dễ cháy, trong đó dễ cháy nhất là fenspat hoặc các frit tương ứng

Để chuẩn bị các chất màu dưới men chỉ sử dụng được một hoặc một số hợp chất hỗn hợp các oxit của kim loại mà khi nung không bị phân hủy, không tan trong men và không gây khuyết tật cho men, cũng như phải đảm bảo sau khi nung giữ được hình ảnh rõ nét nhất Đối với oxit, sử dụng chủ yếu các oxit sau:

Các chất màu dưới men cho gốm xốp thường nung ở nhiệt độ 1050oC-11500C (cho gốm mềm) cho tới nhiệt độ 11500C-12500C (cho gốm cứng) Các chất màu dưới men được phủ ngay lên mặt xương gốm xốp và sau đó phủ tiếp bằng lớp men