CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU GOM SU

vật liệu gốm sứ được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hằng ngày, với nhu cầu thì trường, yêu câu cao của người tiêu dung đòi hỏi nhà sản xuất phải chế tao vật liệu nhiều ưu việt để cạnh tranh với các nhà cung cấp trong và ngoài nước

Biên soạn: Huỳnh Ngọc Minh

1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

PHÂN LOẠI VẬT LIỆU GỐM SỨ

Những phương pháp phân loại chủ yếu là:

 Theo thành phần hóa và thành phần pha: vật liệu hệ

 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, malorca

 Theo thành phần khoáng chính trong sản phẩm: gốm

mulit, gốm corund

PHÂN LOẠI VẬT LIỆU GỐM SỨ

PHÂN LOẠI CERAMIC THEO CHỨC NĂNG

Đồ nội thất

PHÂN LOẠI CERAMIC THEO CHỨC NĂNG (TT)

 Trong s n xu t s , cịn thêm cơng o n tráng men và trang trí ả ấ ứ đ ạ

 Tùy thuộc vào chủng loại sản phẩm, có thể có công nghệ nung sản phẩm một lần hoặc hai lần Nếu kể tới nung màu trang trí trên men, sản phẩm có thể phải qua lửa lần thứ ba hoặc nhiều hơn.

Nung

Nguyên liệu

S y ấ

T o hình ạ Nghi n, tr n ph i li u ề ộ ố ệ

12/03/16 V T LI U SILICAT Ậ Ệ

SƠ ĐỒ QT SẢN

XUẤT MỘT SỐ SẢN

PHẨM GỐM THEO

SƠ ĐỒ QT SẢN XUẤT MỘT SỐ SẢN PHẨM GỐM

TỪ CÁC OXIT TINH KHIẾT, CARBID, SILICID

 Nguyên li u s d ng là các hĩa ch t tinh khi t, khơng cĩ nhĩm ệ ử ụ ấ ế

t sét, cao lanh t o d o nên ph i s d ng các ch t t o

d o h u c ẻ ữ ơ

Tạo bột oxit carbid,

Sản phẩm

Chất tạo dẻo

CHÖÔNG 2: NGUYEÂN LIEÄU

PHÂN LOẠI NGUYÊN LIỆU THEO ĐẶC TÍNH CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH

15

Trong công nghệ vật liệu nói chung, công nghệ gốm nói riêng, ngoài các tính chất phụ thuộc bản chất hóa học và cấu trúc (thành phần hóa, thành phần khoáng), các nguyên liệu còn được phân loại theo vai trò của nó trong quá trình tạo hình

1.Nhóm nguyên liệu dẻo

2.Nhóm nguyên liệu g y ( ầ không dẻo)

3.Chất chảy

PHÂN LOẠI NGUYÊN LIỆU THEO ĐẶC

TÍNH CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH

16

1- Nhóm nguyên liệu dẻo (hoặc chất liên kết): điển hình là nhóm đất sét, mà tính dẻo có được nhờ những khoáng có khả năng tạo dẻo

2- Nhóm nguyên liệu gầy (không dẻo): được đưa vào nhằm tăng độ bền cơ của mộc thô, giảm độ co khi sấy và nung Điển hình là cát quắc, corund, đất sét nung kết khối (sa mốt), mảnh gốm cùng loại

3- Chất chảy: thuộc về nhóm nguyên liệu gầy, tuy nhiên vai trò chính của nhóm vật liệu này là tạo pha lỏng khi nung, giúp tăng nhanh quá trình phản ứng và kết khối Điển hình cho nhóm này là các loại tràng thạch kiềm và kiềm thổ, sau đó là nhóm nguyên liệu cung cấp: PbO, B2O3 và các oxit kiềm:

R2O (R: Na+, K+, Li+)

CLAY PRODUCTS

(dirty red brown, very cheap,

opaque)

- stoneware e.g coffee mug,

plate, bowl (cheap, heavy, opaque)

earthenware stoneware porcelain bone china

- porcelain e.g table wares

plate, souvenirs (clean, light, translucency)

- bone china e.g table wares,

souvenirs (very clean, very expensive, very good translucency, light, mostly ivory colour)

Additives may be added for improving particular properties

RAW MATERIALS for Clay Products

CÁC KHOÁNG SÉT

VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT

 Đấ t sét: tên chung ch nguyên li u ỉ ệ

 -gồm các khoáng Alumo-silicat ngậm nước có cấu

Giải thích tính dẻo của đất

 Đất sét có tính dẻo khi trong thành phần chứa những khoáng có tính dẻo Ví dụ, khoáng montmorillonit và

halloysit có lớp nước nằm giữa các lớp cấu trúc, do đó làm giảm lực liên kết giữa các lớp cấu trúc Các lớp cấu trúc có thể trượt đi một khoảng nhất định mà cấu trúc cơ bản không

bị phá vỡ, nhờ vậy, montmorillonit và halloysit có tính dẻo, tính trương nở

2- Theo quan điểm kích thước hạt

 Hạt đất sét có kích thước rất nhỏ (độ phân tán cao), có thể có 20 ÷ 50% khối lượng hạt bé hơn 1µm, đó là kích

thước hệ keo Do tương tác đặc biệt trong liên kết của hệ keo đất sét-nước, trong đó nước có khả năng tạo lớp vỏ mỏng

khá bền quanh hạt keo đất sét Sự trượt lên nhau giữa lớp vỏ nước này tạo cho đất sét tính dẻo

Cấu trúc các khoáng sét

 Khoáng sét: [SiO 4 ] 4- liên kết

qua các

- oxy cầu: tạo mạng lưới phẳng

vô hạn một hoặc nhiều tầng

- oxy không c u ầ liên kết với

nhóm Al-OH, trong đó ion

Al 3+ nằm trong hình phối trí

của nhóm OH - và oxy không

tạo cầu (Al 3+ thường có số

phối trí VI)

 Lớp cấu trúc qua Al 3+ không

bền bằng liên kết các nhóm

cơ sở [SiO 4]4-.

Cấu trúc một số khoáng sét

H O2

H O2O

Thành phần hóa và khoáng 1 số loại đất sét.

Hệ đất sét-nước

Để tạo hình các sản phẩm gốm sứ, nguyên liệu (trường hợp nguyên liệu chủ yếu là đất sét) phải trộn thành hỗn hợp với nước Lượng nước cần thiết có quan hệ chặt chẽ với phương pháp tạo hình

 phương pháp tạo hình ép khô (độ ẩm thường từ 4 ÷ 8%);

hoặc bán khô (10 ÷ 18%); ,

 phương pháp tạo hình dẻo (từ 20 ÷ 25%)

 Khi lượng nước tăng hơn (35 ÷ 50%), đất sét bị mất tính dẻo, biến thành hệ bùn nhão hoặc hơn nữa (50% ÷ 60%), thành hệ huyền phù đất sét-nước (đất sét là pha phân tán còn nước là môi trường phân tán) Huyền phù hệ đất sét-nước đóng vai trò quan trọng trong việc tạo hình các sản phẩm bằng phương pháp đổ rót

 Để huyền phù ổn định, người ta có thể dùng phương pháp làm bền tĩnh điện hoặc phương pháp hấp phụ polyme.

NGUYÊN LIỆU CUNG CẤP SiO2

α- β- γ- xảy ra tương đối nhanh hơn do không có sự biến đổi mạnh cấu trúc (chỉ khác nhau về thông số, kích thước, không khác nhau về kiểu cấu trúc)

Khi biến đổi thù hình, thể tích riêng biến đổi khá lớn dẫn đến nứt vỡ sản phẩm.

Cung cấp từ cát, đá thạch anh, quắczit,………

26

TRÀNG THẠCH

 Thành phần gồm các khoáng alumo-silicat ki m, ki m th ề ề ổ không chứa nước.

 nguyên liệu cung cấp đồng thời SiO 2 , Al 2 O 3 Na 2 O, K 2 O, CaO.

 Trong công nghệ gốm sứ, tràng thạch kiềm là thành phần vật liệu gầy, không có tính dẻo

 Tràng thạch luôn đóng vai trò chất chảy trong mộc và men gốm sứ (là pha thủy tinh sau khi nung)

27

NGUYÊN LIỆU CUNG CẤP CaO

Đá vôi ( CaCO 3) là loại đá rất phổ biến trong tự nhiên (CaCO 3 kỹ thuật có tên thương mại là bột nhẹ)

 Đá vôi là nguyên liệu chủ yếu cho công nghệ sản xuất chất kết dính vôi, xi măng Poóclăng và công nghệ thủy tinh Trong công nghệ gốm sứ, CaO là thành phần quan trọng của một số xương gốm và men.

 Tạp chất lẫn trong đá vôi thường là: Al 2 O 3 , SiO 2 , FeO, Fe 2 O 3 làm cho đá có màu Đá phấn cũng là đá vôi, trong thành phần có

nhiều hạt CaCO 3 vô định hình và do ít tạp chất nên có màu trắng

 Đá vôi dùng trong công nghệ thường ở dạng nguyên liệu tự nhiên, không làm giàu Đôi khi người ta dùng các nguyên liệu tự nhiên như vỏ sò, vỏ ốc tích tụ lâu ngày hoặc đá san hô làm nguyên liệu cung cấp CaCO 3

30

NGUYÊN LIỆU CUNG CẤP CaO

Đá hoa cương

 Đá hoa cương là đá vôi nguyên chất (99 ÷ 99,5%

CaCO 3 ), với cấu trúc tinh thể CaCO 3 nhỏ, mịn, khá bền vững Độ cứng: 3 ÷ 4; mật độ: 2,7 ÷ 2,9g/cm 3 ; độ bền nén: 1000 ÷

3000kG/cm 2 Tùy tạp chất, có màu sắc khác nhau rất đẹp Do đó, đá hoa cương có thể trực tiếp dùng làm vật liệu xây dựng.

Dolomit

 Công thức Ca.Mg(CO 3 ) 2 hoặc CaCO 3 .MgCO 3, là dung dịch rắn của cacbonat canxi và magiê , trong đó các ion Ca 2+

và Mg 2+ thế lẫn nhau trong cấu trúc.

 Dolomit dùng làm VLCL trong công nghệ luyện kim, do có nhiệt độ nóng chảy cao.

31

THẠCH CAO (nguyên liệu làm khuơn)

32

Thạch cao ngậm nửa phân tử nước CaSO 4 .0,5H 2 O (hemihydrat dạng α-

hoặc β-) có khả năng thủy hóa thuận nghịch, đồng thời đóng rắn nhanh

tạo vật liệu xốp có khả năng giữ nước bởi lực mao quản Lợi dụng tính

chất này, có thể dùng thạch cao làm khuôn

NHÓM NGUYÊN LIỆU KỸ THUẬT

33 Al 2 O 3 : thường là dạng γ-Al2O3 Ở nhiệt độ cao 1100 ÷ 1200oC:

γ-Al2O3 chuyển thành α-Al2O3 α-Al2O3 hình thành ở 1200oC có dạng bột xốp Ở nhiệt độ cao hơn (> 1450oC) sẽ xảy ra quá trình kết khối Các sản phẩm kết khối từ corund, vì vậy phải nung ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tạo thành α-Al2O3 rất nhiều (thường 1450÷1600oC)

Trong tự nhiên α-Al2O3 tồn tại không nhiều ở dạng corund Ở dạng đơn tinh thể trong tự nhiên, corund là các dạng đá quý với tên thương mại là đá rubi (hồng ngọc) và safir (lam ngọc), với màu sắc rất đẹp do tạp chất sắt, crôm và titan tạo nên

Corund rất ổn định, cho tới nhiệt độ nóng chảy (2054 ±

6oC), không bị biến đổi thù hình, những biến đổi thể tích không xảy ra và nhờ đó, quá trình nung luyện thuận lợi hơn rất nhiều

NHÓM NGUYÊN LIỆU KỸ THUẬT

34

TiO 2:

Titan có thể tạo nhiều hợp chất với oxy Trong số đó, có ý nghĩa nhất với kỹ thuật là TiO2 Hầu hết TiO2 thương mại được dùng làm bột màu (pigment)

trắng

Trong công nghệ silicat, oxit titan được dùng làm các loại men tráng kim loại và gốm sứ, trong thành phần một số thủy tinh đặc biệt, chất tạo mầm kết tinh cho gốm thủy tinh và là nguyên liệu để làm

gốm titan (cermet) hoặc bột màu.

NHÓM NGUYÊN LIỆU KỸ THUẬT

35 ZrO 2:

Bột oxit zircon mịn làm bột mài, men kim loại, chất tạo đục trong men gốm sứ, là thành phần của các thủy tinh bền hóa Dạng kết khối dùng làm bi nghiền, VLCL cao cấp (hàm lượng ZrO2 có thể: 20, 33, 42, 45%, ngoài ra là SiO2 và Al2O3)

Cần chú ý, không lẫn lộn khoáng zircon và oxit zircon

Khoáng zircon có công thức hóa là ZrSiO4, trong đó 67,1%ZrO2, 32,9% SiO2 (theo lý thuyết) Tinh thể dạng tứ diện, mật độ trong khoảng 3,9 ÷ 4,8g.cm-3 Khoáng zircon có hệ số dãn nở nhiệt rất thấp ( α = 35.10 -7 trong khoảng 20 ÷ 1200 o C), là chất có độ bền hóa cao, đặc biệt với các tác nhân hóa học và chất nóng chảy Không tan trong các axit, trừ axit HF

Silicat zircon chủ yếu dùng trong lĩnh vực vật liệu chịu lửa cao cấp do rất bền hóa và bền nhiệt (gạch chịu lửa cho lò nấu thủy tinh, phễu rót trong công nghệ luyện kim, vật liệu bền hóa ) Chất tạo đục cho men gốm sứ hiện nay có thành phần chủ yếu là ZrSiO4.

NHÓM NGUYÊN LIỆU KỸ THUẬT

36

B 2 O 3:

Oxit bor là thành phần của một số thủy tinh và men, có tác dụng tăng độ bền hóa và độ bền nhiệt Đây là oxit có khả năng tạo thủy tinh tốt, B2O3 thường ở trạng thái thủy tinh trong các sản phẩm, rất háo nước, ngay cả khi ở trạng thái thủy tinh Ví dụ:

B2O3 (thủy tinh ) + H2O 2HBO2

B2O3 thương mại có độ tinh khiết 99%, phải bảo quản trong bình khô ráo vì rất dễ hút ẩm Nguyên liệu rất ít khi ở dạng oxit mà thường ở dạng axit boric H3BO3 hoặc borax Na2B4O7.10H2O.

NHÓM NGUYÊN LIỆU KỸ THUẬT

37

NGUYÊN LIỆU CUNG CẤP OXIT KIỀM (R2O)

Nguyên liệu cung cấp Na2O: sunfat natri Na2SO4, sođa Na2CO3hoặc nitrat natri NaNO3 và muối ăn clorua natri NaCl

Nguyên liệu cung cấp K 2 O chủ yếu là: K2CO3 (pôtas), và hoặc KNO3 (selit kali)

K2O dùng trong sx các thủy tinh bao bì cao cấp, phalê, thủy tinh màu, thủy tinh quang học và kỹ thuật

Nguyên liệu cung cấp Li2O là Li2CO3 hoặc ở dạng các khoáng tự nhiên và các tràng thạch liti

Oxit liti Li2O làm giảm mạnh nhiệt độ chảy Li2CO3 tác dụng mạnh với platin, cần chú ý khi sử dụng Nguyên liệu chứa liti được sử dụng nhiều trong công nghệ sản xuất gốm thủy tinh, thủy tinh kỹ thuật ánh sáng, dụng cụ đo chính xác, dụng cụ nấu ăn

NHÓM NGUYÊN LIỆU KỸ THUẬT

38

PbO: được đưa vào phối liệu bằng oxit chì PbO (chì trắng), hoặc minimum Pb3O4 (chì đỏ) PbO dễ tạo thủy tinh, chiết suất cao, dễ chảy láng đều trong phạm vi nung rộng; là nguyên liệu phổ biến cho các loại: men, frit, thủy tinh quang học, pha lê chì

PbO ăn mòn rất mạnh, vì vậy nấu thủy tinh chứa chì cần VLCL có chất lượng rất cao Khi sử dụng cần hết sức chú ý tới vấn đề môi trường, vì Pb và PbO độc, dễ nhiễm vào cơ thể (do hô hấp, tiêu hóa, tiếp xúc qua da) Nhiều quốc gia đã cấm sử dụng PbO làm men

CHƯƠNG 3:

GIA CÔNG NGUYÊN LIỆU VÀ CHUẨN BỊ

PHỐI LIỆU TẠO HÌNH

1 GIA CÔNG CƠ HỌC NGUYÊN LIỆU

 Khi s d ng nguyên li u t nhiên, c n có khâu khai thác ử ụ ệ ự ầ

và ch bi n, làm giàu nguyên li u: ế ế ệ

 Phân loại sơ bộ đất sét và cao lanh theo màu sắc để loại

bỏ các tạp chất không cần thiết (sp gốm thô có thể dùng luôn nguyên liệu tự nhiên, sản phẩm gốm có xương

trắng mịn cần đất sét và cao lanh có trắng, thành phần

ổn định, rất ít tạp chất gây màu (Fe2O3, TiO2).

 Làm giàu và ổn định nguyên liệu: bằng cách lắng, lọc, phân ly điện từ, sau đó lọc ép, sấy nghiền, xác định

thành phần và đóng bao để sử dụng.

40

1 GIA CÔNG CƠ HỌC NGUYÊN LIỆU

41

Quá trình nghiền tăng mức hoạt hóa bề mặt hạt vật liệu và làm đồng nhất phối liệu do kết hợp trộn nghiền đồng thời trong máy nghiền

Trừ đất sét có độ mịn tự nhiên đảm bảo yêu cầu (quá trình nghiền có tác dụng trộn, tránh sự kết tụ lại), các nguyên liệu tự nhiên khác, nhất thiết phải nghiền mịn tới cỡ hạt cần thiết

Tràng thạch nói chung có thể có cỡ hạt thô hơn cát do vai trò là chất chảy Phải tiến hành nghiền theo nhiều giai đoạn: nghiền thô, nghiền nhỏ, và nghiền mịn

Các máy nghiền mịn trong công nghệ gốm sứ thường có luôn chức năng trộn đều phối liệu

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền ???

Sơ đồ nguyên lý các thiết bị đập nghiền nguyên liệu.

Source: From Principles

of Ceramics Processing,

Second Edition, by J.S

Reed, p 314, Figs 17-1 and 17-2 Copyright ©

1995 John Wiley &

Sons, Inc Reprinted by permission Ball mill grinding: Source: From

Modern Ceramic

Engineering, by D.W

Richerson, p 387, Fig 9-3 Copyright © 1992 Marcel Dekker, Inc.)

SƠ ĐỒ CẤU TẠO MÁY ĐẬP HÀM

Máy nghiền bi

Máy nghi n bi ề

Độ mịn cần thiết cho

nguyên liệu sau khi

nghiền thường được

xác định bằng lượng

sót sàng (%)

Lượng sót sàng

thông thường đối với

phối liệu mộc là

3-5%, phối liệu men là

0-2% sàng 10.000

lỗ/cm2

Hồ sau khi ra khỏi

máy nghiền bi sẽ

được sàng, khử từ, ủ

Quá trình phối liệu

45

Phối liệu là công đoạn tạo hỗn hợp nguyên liệu có

thành phần cần thiết, toàn khối trở nên đồng nhất, bề mặt hạt vật liệu tiếp xúc với nhau nhiều nhất.

càng bé càng tốt, mà là bề mặt tiếp xúc giữa các hạt vật liệu càng lớn càng tốt.

2 CHUẨN BỊ PHỐI LIỆU TẠO HÌNH

Để phối liệu có độ ẩm cần thiết tạo hình, có thể dùng những phương pháp tách nước khác nhau

Trong sản xuất thủ công, vẫn chỉ là quá trình sấy tự nhiên

Trong công nghiệp, phổ biến là lọc ép khung - bản hoặc sấy phun

máy lọc ép khung bản

Đây là phương pháp thích hợp

cho quá trình tạo hình dẻo.

Đất mộc sau khi ép lọc không sử

dụng ngay được, do không đồng

nhất (về độ ẩm, ứng suất cơ

học ).

Trước khi tạo hình, cần một công

đoạn nữa là làm đồng nhất khối

đất dẻo (trong máy luyệân Lento)

và ủ (ít nhất 7-10 ngày).

H O

3

2 1 5

Phương pháp sấy phun hoặc sấy tạo bụi

Nhiệt độ sấy trong thiết bị khoảng 450 ÷ 500 o C.

Do dòng xoáy trong xyclon, đất tạo thành những viên nhỏ hình cầu

khoảng 1 ÷ 10mm, thoát khỏi máy với độ ẩm đạt yêu cầu công nghệ Đất

sấy xong được chuyển vào trong các xyclon chứa Viên đất có dạng cầu và độ bền cơ đủ lớn, dễ chuyển vào máy ép và phân bố lực ép đều Nhờ kỹ thuật sấy phun, có thể ép những viên gạch phẳng, đều, kích thước khá lớn.

Máy sấy phun Các thông số của máy sấy phun

+ Nhiệt độ không khí nóng : 500 – 620 oC

CHÖÔNG 4:

TẠO HÌNH

51 Các phương pháp tạo hình vật liệu ceramic cơ bản:

1- Tạo hình trước khi nung (các sản phẩm gốm, sứ) :

bán thành phẩm được tạo hình từ nguyên liệu dạng bột, sấy, rồi đem nung tạo độ bền cần thiết cho sản phẩm Đây là quá trình đặc trưng với

2- Tạo hình sau khi nung (Các sản phẩm VLCL đúc

rót, răng sứ, gốm thủy tinh) : quá trình tạo hình được thực hiện

khi thủy tinh nóng đang giảm dần nhiệt độ và độ nhớt (nhiệt độ tạo hình tương đối cao 900 ÷ 1100oC, thủy tinh ở trạng thái biến mềm)

3- Tạo hình kiểu đúc bê tông: hỗn hợp chảy được đổ vào khuôn, sản phẩm được tách khỏi khuôn sau quá trình đóng rắn Đây là quá trình tạo hình đặc trưng cho các sản phẩm xi măng nhưng cũng được dùng tạo hình sản phẩm gốm đặc biệt, chất kết dính thường dùng là chất hữu cơ