KIẾN THỨC TỔNG QUAN VỀ GỐM SỨ

Báo cáo tổng quan về thủy tinh là một tiểu luận giúp người đọc có cái nhìn bao quát nhất về các vấn đề liên quan đến gốm như lịch sử phát triển, cấu tạo hóa học, quy trình sản xuất, phân loại và ứng dụng của thủy tinh vào cuộc sống. Tiểu luân đòi hỏi người đọc có một kiến thức cơ bản về hóa để có thể hiểu rõ về vấn đề cấu tạo hóa học.

THPT CHUYÊN LÊ QUÝ ĐÔN

CÔNG NGHIỆP SILICAT

GỐM

Nguyễn Lê Hoài Thương

Mục lục

1 Tổng quan về ngành gốm 3

2 Giới thiệu 4

1.Một số định nghĩa 4

1 Các vật liệu gốm sứ, thủy tinh, xi măng, vật liệu chịu lửa 4

2 Gốm truyền thống 4

3 Gốm sành 5

4 Gốm sứ 5

5 Men 5

6 Một số từ lưu ý 5

7 Thiêu kết 5

8 Luyện kim 6

2 Các giai đoạn chính 6

3 Phân loại 7

4 Sơ lược về lịch sử ngành gốm 11

Gốm sứ thế giới 11

Gốm sứ Việt Nam 14

3 Quy trình sản xuất các sản phẩm gốm 16

Chuẩn bị nguyên liệu và các phối liệu 16

Nguyên liệu dẻo (nguyên liệu sét) 17

Nguyên liệu sản xuất Engobe, men, chất màu gốm sứ 22

Chuẩn bị phối liệu 23

Phân loại hạt, tạo hạt 23

Gia công đập nghiền 24

Trộn 25

Hút chân không, tách nước và điều chỉnh tính dẻo 26

Tạo hình 27

Tạo hình đổ rót (vào khuôn thạch cao): 27

Tạo hình dẻo 28

Tạo hình ép khô, bán khô hay ép ẩm 34

Trang trí và tráng men 35

Thông tin về men 35

Quá trình nung sấy sản phẩm 40

Giai đoạn sấy 40

Giai đoạn nung 41

Giai đoạn làm nguội 42

Sản phẩm gạch ngói, đất sét nung 44

Nguyên liệu đất sét 44

Các công đoạn tạo hình và sản xuất 45

Tính chất, đặc điểm đặc biệt sản phẩm 45

Sử dụng 46

Sản phẩm sành 46

Sản xuất tấm ốp tường (sản phẩm sành) 47

Sứ 47

Phân loại sứ 48

Sứ cứng 48

Sứ mềm 49

Sứ làm răng 49

Quy trình sản xuất 49

Đinh hướng tương lai của nghề gốm 51

Tài liệu tham khảo 52

1 Tổng quan về ngành gốm

Chúng ta không thể phủ nhận rằng, gốm sứ có vai trò quan trọng khi nó

có mặt hầu như khắp nơi trong cuộc sống; không những thế, nó còn góp phần to lớn khi tạo nên văn hóa gốm màu(Tudian, 2004), xuất hiện và phát triển qua suốt hàng ngàn năm trước Công Nguyên Gốm sứ được coi là một trong những vật liệu thủ công đầu tiên do con người tạo ra (TS Nguyễn Văn Dũng, 2015) trong thời kì đồ đá và vẫn giữ vai trò vô cùng quan trọng trong cuộc sống hiện nay Rất nhiều sản phẩm gốm sứ xuất hiện quanh ta: đồ dùng gia đình (chén bát, đĩa,…), đồ mỹ nghệ, vật liệu xây dựng (gạch, ngói,…), sản phẩm kĩ thuật điện (sứ điện tử, gốm cách nhiệt…) Qua rất nhiều năm, con người đã tìm ra những công nghệ mới, áp dụng tạo ra các dây chuyền sản xuất hiện đại nhưng cũng luôn cố gắng giữ lại vẻ đẹp truyền thống của nghề gốm từ ngàn đời xưa Do đó, việc nghiên cứu cũng như áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật vào việc sản xuất vật liệu gốm sứ rất được chú trọng; nhiều công trình nghiên cứu, tìm ra các vật liệu mới đã được công bó Tuy nhiên, ở nước ta hiện nay,việc nghiên cứu vẫn còn rất ít, rất hạn chế, chưa tập trung, lượng vật liệu không đa dạng nên sản phẩm trong nước tạo ra chưa tạo được sự cạnh tranh trên thị trường Phần thứ hai này tôi xin trình bày về một số kiến thức cơ bản của ngành gốm: phân loại, đặc điểm của các nguyên liệu, quy trình tạo ra sản phẩm và ứng dụng của chúng

và một số định hương tương lai của ngành công nghiệp gốm sứ nước ta

2 Giới thiệu

I.Một số định nghĩa

(Được trích từ giáo trình công nghệ sản xuất gốm, một số khoáng hay thuật ngữ sẽ được chú thích hoặc nêu rõ hơn ở các phần sau )

1 Các vật liệu gốm sứ, thủy tinh, xi măng, vật liệu chịu lửa

Là các vật liệu silicat nhân tạo, được sản xuất từ các hợp chất silicat thiên nhiên

(Nguyên liệu chính của các silicat nói trên là các silicat thiên nhiên, trong quá trình nung nấu đã biến các hợp chất ban đầu thành các hợp chất mới có cấu trúc hoàn toàn khác.)

9000C) làm cho vật liệu có các tính chất lý hóa đặc trưng

Nếu nguyên liệu là cacbua, nitrua, các oxit không phải của silic…, không dùng đất sét, cao lanh thì được gọi là gốm đặc biệt (TS Nguyễn Văn Dũng, 2015)

Thông thường, sản phẩm gốm sứ gồm xương, thành phần chính của sản phẩm, phía ngoài có trang một lớp men Ngoài ra có thể có lớp màu trang trí bên dưới men, trên men hoặc trong men

Bán thành phẩm sau khi tạo hình, trước khi nung thành xương gọi là mộc

3 Gốm sành

Là vật dụng được làm từ đất sét, được nung ở nhiệt độ trung bình từ

10000C đến 11000C, thậm chí 12500C tùy theo cấu tạo của lò nung và thành phần của xương đất chịu lửa cao hay thấp

Nguyên liệu đất sét thường sẽ cho loại sành nâu và đất sét trắng sẽ cho hai loại sành trắng hoặc sành xốp

4 Gốm sứ

Sứ là vật liệu gốm mịn, không thấm nước và khí (<0,5%1) thường có màu trắng Sứ có độ bền cơ học cao, tính ổn định nhiệt và tính hóa học tốt Được sử dụng để sản xuất đồ gia dụng, đồ mỹ nghệ hay trong xây dựng

5 Men

Là một lớp thủy tinh mỏng có chiều dày 0,1 đến 0,4 mm phủ trên bề mặt xương gốm, dù ở dạng nguyên liệu hay sau khi nấu chảy đều được gọi là men Lớp men làm tăng tính thẩm mỹ và cải thiện các tính chất kĩ thuật cho sản phẩm

Nung là giai đoạn quan trọng nhất, dưới tác dụng của nhiệt độ, vật liệu sẽ kết khối và có thể xảy ra phản ứng làm thay đổi một phần hay thay đổi hoàn toàn thành phần pha tạo nên vật liệu mới Ở đây đã có sự biến đổi về chất: từ nguyên liệu ban đầu dưới ảnh hưởng của nhiệt độ cao đã hình thành nên một vật liệu đa tinh thể có thành phần pha (khoáng) hoàn toàn khác với thành phần khoáng của nguyên liệu ban đầu Những pha tinh thể mới hoàn toàn có vai trò quyết định làm cho sản phẩm có độ cứng, độ bền hóa, độ bền nhiệt

8 Luyện kim

Quá trình điều chế kim loại từ quặng và quá trình chế biến các hợp kim

Sản xuất gốm được coi như là luyện thổ

II Các giai đoạn chính

Ngoài ra, trong các giai đoạn chính trên cần phải nói đến việc tráng men

và trang trí sản phẩm, thường được thực hiện sau khi sấy và nung lần 1 Sở dĩ

nó không được đề cập trong sơ đồ trên bởi, theo định nghĩa gốm truyền thống

có nói “nguyên liệu để sản xuất gốm gồm một phần hay tất cả là đất sét hay cao lanh” (TS Nguyễn Văn Dũng, 2005) Tuy nhiên, trong ngành luyện kim, kĩ thuật điện, điện tử… có những yêu cầu rất cao, rất khác nhau đã tạo ra sự phát triển đa dạng của ngành gốm kĩ thuật mà nguyên liệu tạo chúng không chứa silic

Tính chất của gốm sứ kĩ thuật rất khác so với gốm truyền thống, những điểm giống nhau giũa chúng là cùng được sản xuất bằng cách sử dụng các công nghệ giống nhau đặc biệt ở quá trình thiêu kết ở nhiệt độ cao (TS Nguyễn Văn Dũng, 2005)

III Phân loại

Đồ gốm được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, theo Tiến sĩ Nguyễn Văn Dũng (2015):

Phân loại theo cấu trúc và tính chất của xương:

- Gốm thô (heavy): 100µm – 5mm, có thể nhìn bằng kính lúp hoặc mắt thường, các hạt có kích thước nhỏ hơn cũng quan trọng để tạo sản phẩm

- Gốm tinh (fine) hay xương xốp (porous - có độ hút nước cao) : cấu trúc hạt nhỏ,

bé hơn 100µm, chỉ nhìn thấy được dưới kính hiển vi

- Gốm xương sít đặc (dense – có độ hút nước thấp)

Ngoài ra, dựa trên sự phân loại theo cấu trúc và tính chất của xương, các loại sản phẩm gốm sứ truyền thống được sắp xếp từ thô đến tinh như sau:

1 Gạch ngói (brickware): xương thô, có màu, sản xuất từ đất sét, độ hút nước khoảng 5-20%, độ chịu lửa 26 (15800C), chủ yếu làm gạch xây, ngói lợp

2 Vật liệu chịu lửa (refractories): là loại vât liệu cần cho xây dựng trong các lò nung luyện, nấu ở nhiệt độ cao (lò luyện thép, lò nấu thủy tinh…), độ chịu lửa

từ 26 đến 42 (15800C-20000C) Gạch chịu lửa còn có nhiều màu khác nhau, cấu trúc từ mịn đến thô, được phân loại thành nhiều nhóm tùy vào độ chịu lửa và bản chất hóa học của chúng

3 Gốm cách nhiệt (thermal insulation bodies): làm từ cùng loại vật liệu với gạch ngói hay vật liệu chịu lửa, tuy nhiên có độ xốp2 cao để tăng khả năng cách nhiệt

4 Sành dạng đá thô (stoneware): thuộc loại gốm thô rẻ tiền nhưng lại có khung xương khít đặc, không xốp, không thấm nước do có nhiều pha thủy tinh trong xương Pha thủy tinh được hình thành là do tạp chất Fe2O3 và đá vôi có trong đất sét, nó làm xương gõ nghe thanh, khi vỡ tạo nên vết đứt gãy bóng như đá nên gọi là sành dạng đá Sành loại này được làm từ vật liệu chuyên làm sành

2 Độ xốp là tỉ số giữa thể tích xốp trong vật liệu so với thể tích tự nhiên của nó Đây là một chỉ tiêu kỹ thuật rất quan trọng của vật liệu vì nó ảnh hưởng đến nhiều tính chất khác của chính vật liệu như: cường độ, độ hút nước, tính chống thấm, tính truyền nhiệt và khả năng chống ăn mòn

dạng đá, có thể tạo nên những sản phẩm có kích thước rất lớn Ngoài ra, chum vại đựng nước cũng thuộc loại này

5 Sành dạng đá tinh (fine stoneware): làm từu nguyên liệu chất lượng cao, được gia công và cấp phối chính xác Được sử dụng làm đồ gia dụng, mỹ nghệ, gạch

ốp lát granite (gres porcellanato, porcelainized ceramic stoneware, porcelain tile)

6 Sành hóa học (chemical stoneware): thuộc dạng sành đá, yêu cầu cao (nguyên liệu sạch, ít tạp chất)

7 Sành bền nhiệt (thermal shock resisting stoneware): thuộc loại sành dạng đá, phối liệu có thêm phụ gia đặc biệt để chịu sự thay đổi nhiệt độ đột ngột

8 Sành cách điện (electrical stoneware): thuộc loại sành dạng đá, phối liệu có thêm phụ gia để tăng tính cách điện

9 Đất nung (fireclay): xương khá mịn, xốp, có màu đỏ hay trắng nhạt

10 Sành (coloured earthenware): xương khá mịn, đến mịn, xốp, màu đỏ vàng Nhóm này gồm sành majolica thông thường hay gạch ốp tường loại “majolica”, gạch lát nền loại “cottoforte’

11 Sành xương trắng (white earthenware): xương mịn, xốp , có màu trắng, độ hút nước 10-15% Nhóm này gồm sành faience, gạch ốp tường loại “earthenware” (các loại gạch này không có tên tiếng Việt thay thế)

12 Sành nửa thủy tinh hóa (semivitreous china): loại sành này có độ hút nước nhỏ 4-10% và cường độ cao hơn sành bình thường Gạch lát nền Ceramic cũng có thể xếp vào nhóm này

13 Bán sứ (vitreous china, sành thủy tinh hóa): sản phẩm có xương thủy tinh hóa, màu trắng đục, độ hút nước từ 0-1% Sứ vệ sinh được xếp vào nhóm này Trong đây còn có American hotel china là một loại bán sứ có xương sít đặc, màu trằng nhưng không trong, rất cứng và thường được làm đồ gia dụng

14 Sứ mềm (soft porcelain): là loại sứ mịn, xương màu trắng hay ngả, khá trong

15 Sứ xương (bone china): có thể xếp vào loại sứ mềm Xương màu trắng đến ngả vàng và rất trong

16 Sứ cứng (hard porcelain): xương có màu trắng tinh và thủy tinh hóa hoàn toàn, trong và cứng Sứ là loại vật liệu có yêu cầu cao nhất, đòi hỏi nguyên liệu phải rất tinh khiết, kỹ thuật sản xuất rất cao và nhiệt độ nung cao

17 Sứ điện (electrical porcelain): không yêu cầu độ trắng, trong và độ chịu lửa cao nên có thể dùng thêm chất phụ gia để tăng thêm tính cách điện

18 Sứ hóa học (chemical porcelain): yêu cầu cao về độ bền hóa học và bền cơ học3

19 Sứ mullite (mullite porcelain): phối liệu và công nghệ sản xuất tạo điều kiện cho khoáng mullite4 phát triển nhiều hơn trong xương

20 Sứ cao alumin5 (high alumina porcelain): có hàm lượng oxit nhôm cao trong phối liệu và sản phẩm

21 Sứ zircon (zircon porcelain): phối liệu có thêm phụ gia zircon (phụ gia có thành phần chính là ZrO2)

22 Gốm bột mài (ceramic-bonded abrasives): dùng làm bột mài6

23 Gốm cordierite (cordierite bodies): được cấp phối7 sao cho trong xương khoáng cordierite8 có nhiều nhất

24 Gốm steatite (steatite bodies): phối liệu xương gốm steatite9 hay hoạt thạch (talc)10

3 Độ bền cơ học là khả năng chịu đựng không bị nứt, gãy, phá hủy dưới tác động của ngoại lực lên vật thể.

4 Mullite là một chất khoáng silicat đươc tìm thấy trên đảo Mull, Scotland vào năm 1924 Thành phần khoáng này gồm 46% oxit nhôm and 51% thành phần silicat tự nhiên, trong đó có các oxit kim loại và Fe tự do

5 Alumin ở đây có nghĩa là oxit nhôm

6 Bột mài là sản phẩm bột dùng để mài hoặc đánh bóng bề mặt của một sản phẩm nào đó Kích cỡ của các hạt bột mài không đều và thường có các cạnh sắc nhọn Tùy theo từng sản phẩm cần đánh bóng, người sử dụng sẽ lựa chọn các loại bột mài với các kích cỡ khác nhau để việc đánh bóng đạt đươc hiệu quả tốt nhất

7 Cấp phối: rải, trộn lẫn các nguyên liệu theo một tỉ lệ phù hợp với yêu cầu

8 Cordierit là một khoáng vật silicat dạng vòng, của magie,sắt, nhôm có công thứ hóa học:

(Mg,Fe) 2 Al 3 (Si 5 AlO 18 ) đến (Fe,Mg) 2 Al 3 (Si 5 AlO 18 )

9 Steatit là vật liệu rẻ tiền có độ bền điện ở nhiệt độ cao, bền cơ học tốt và là một yếu tố mất điện môi rất thấp Điều này làm cho nó trở nên lý tưởng cho việc chịu va đập tốt và tác dụng cách điện cao áp

10 Hoạt thạch talc có nguồn gốc từ khoáng chất và được nghiền thành bột, sờ vào rất mịn, trơn và mát, không tan trong nước, khó bị phá huỷ trong acid Thành phần chủ yếu của hoạt thạch là Magiê silicat: Mg(Si 4 O 10 )(OH) 2

25 Gốm forsterite (forsterite bodies): xương sau khi nung có chứa khoáng forsterite (thành phần chính là Mg2SiO4)

26 Gốm spinel (spinel bodies): xương sau khi nung có chứa khoáng spinel11

27 Gốm pyrophyllite (pyrophyllite bodies): xương được tạo thành từ khoáng pyrophyllite (một loại cao lanh)

28 Gốm wollastonie (wollastonie bodies): xương được tạo thành từ phối liệu chứa wollastonie12

29 Gốm lithium aluminosillicate: được tạ thành từ phối liệu nằm trong vùng đặc biệt của giản đồ hệ ba cấu trúc Li2O-Al2O3-SiO2 Gốm này có tính dãn nở nhiệt đặc biệt

30 High magnesia porcelain: có hàm lượng oxit magnesia trong phối liệu cao

31 High Berilla Porcelain: có hàm lượng oxit beri trong phối liệu cao

32 Gốm oxit cacbua, nitrua, các họp chất tinh khiết khác kết khối

33 Gốm cermet (cetmets) vật liệu chứa các cấu tử gốm và kim loại

34 Gốm xốp thấm (permeable porous bodies): dựa trên cơ sợ các loại gốm kỹ thuật nói trên nhưng có cấu trúc đặc biệt

35 Gốm rutile

36 Gốm titanate

37 Gốm ferrite

Phân loại theo lĩnh vực sử dụng

1 Gốm xây dựng: các loại gạch ngói, ống dẫn nước, gạch clinker, tấm ốp tường, lát nền, gạch granite, sứ vệ sinh

2 Gốm dân dụng và mỹ nghệ: đồ đất nung, lu sành, sứ bàn ăn, sứ mỹ nghệ

hoặc 3MgO.4SiO 2 H 2 O Tỷ lệ MgO trong đó là 31,7%, SiO 2 là 63,5%, H 2 O là 4,8% Ngoài ra còn có tạp chất khác như Fe, Na, K,Ca, Al

11 Khoáng Spinel là một khoáng vật nhôm magie trong nhóm spinel, có công thức hóa học MgAl 2 O 4.

12 Hiện nay wollastonite là một nguyên liệu được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực gốm sứ, là nguồn cung cấp calcium oxide (CaO) và silicon oxide (SiO2 ) cho men sứ hoặc frit, hay chất tạo thành lớp trung gian giữa men và xương Wollastonite còn được ứng dụng làm cốt liệu cho vữa cường độ cao, chất trợ dung dùng trong xi măng đóng rắn nhanh, chất độn cho các thành phần chống cháy, chất cách nhiệt, vật liệu chịu lửa, sơn silicat (Trần Ngọc Cường, 2011)

3 Vật liệu chịu lửa: dùng xây dựng trong lò nung và các lò công nghiệp chịu nhiệt

độ cao Vật liệu chịu lửa được phân loại tùy theo độ chịu lửa hay trong đó còn

có vật liệu chịu lửa axit, kiềm hay trung tính

4 Gốm kỹ thuật: các chi tiết trong máy mài, máy cắt trong ngành chế tạo máy: bình nghiền, bi nghiền, ống dẫn, các chi tiết bền axit bền hóa cho bơm và các thiết bị ngành hóa, vật liệu cách điện, các chi tiết trong thiết bị điện tử

5 Loại vật liệu gốm nằm ở ranh giới giữa công nghệ gốm sứ và các công nghệ khác: các sản phẩm chịu lửa nấu chảy (gần với công nghệ thủy tinh), bê tông chịu lửa (gần với công nghệ bê tông), sợi oxit (gần với công nghệ sợi khoáng và sợi thủy tinh), vật liệu từ (trên ranh giới giữa vật liệu gốm và vật liệu hữu cơ)…

Phân loại theo hàm lượng hợp chất hóa học chủ yếu

1 Gốm silicat: bao gồm gạch ngói, sành dạng đá, vật liệu chịu lửa, tấm ốp lát, sành sứ điện

2 Gốm oxit: bao gồm vật liệu chịu lửa kiềm tính, các oxit kết khối,

3 Gốm không oxit: cacbua, borua, nitrua…

Ngoài ra, còn có thể kể đến các vật liệu gốm composite13 và gốm công nghệ cao Để sản xuất ra các sản phẩm này cần sử dụng loại nguyên liệu tổng hợp cực sạch với công nghệ tạo hình và nung đặc biệt

IV Sơ lược về lịch sử ngành gốm

Gốm sứ thế giới

Gốm sứ là một trong những ngành công nghiệp lâu đời nhất thế giới và gần như không thể xác định được thời điểm chính xác khi mà phát hiện được dấu tích của loại vật liệu này ở khu vực con người sinh sống Bằng chứng khảo

cổ cho thấy rằng những thứ dùng để đựng đầu tiên mà con người thời đồ đá sử dụng là những mẩu đá rỗng hay phức tạp hơn là các túi da thú và trên hết là các loại giỏ (Gascoigne, 2001) Thêm nữa, để tồn tại, con người phải sử dụng tối đa

13 Vật liệu composite, còn gọi là Vật liệu compozit hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng

rẽ

lượng calo và các giá trị dinh dưỡng trong thực phẩm của họ Một giải pháp người ta đã tìm ra là làm nồi nấu, vì nấu thực phẩm giúp tăng lượng chất dinh dưỡng từ các thực vật và thịt, rồi người ta phát hiện ra đồ gốm (Art, 2011) Khi múc nước từ dưới sông có lẫn đất sét, đổ nước ra ngoài, lớp cặn đất sét dính vào giỏ Khi để giỏ dưới ánh nắng mặt trời thì lớp đất sét khô lại Sau đó, người ta cũng phát hiện ra cách để đất sét trở nên cứng và bền hơn, đó là nung nóng chúng (Gốm sứ Nhật Minh, 2013), có lẽ cách đây khoảng 1000 năm sau khi người ta phát minh ra lửa Việc sản xuất ra các sản phẩm thủ công phụ thuộc lớn vào nguồn nguyên liệu tại chỗ và sự hoàn thiện các công đoạn chế tác và nung luyện nên có sự khác biệt ở nhiều noi trên trái đất Không phải khu vực xã hội nào cũng tập trung phát triển các công dụng hữu ích của nghề gốm Ví dụ ở Nomads không có xu hướng xuất hiện thợ gốm bởi các yêu cầu kĩ thuật không thích hợp cho lối sống du canh du cư (Gascoigne, 2001)

Đồ đất nung được tìm thấy ở Trung Đông có tuổi khoảng 7000 năm trước Công nguyên (CN), hình dáng được làm theo các giỏ đan Có thể là người ta đã trát đất sét xung quanh giỏ đan rồi để cho khô, sau đó, người ta mong muốn có được sản phẩm chỉ dùng đất sét để tạo hình và nung(TS Nguyễn Văn Dũng, 2015)

Chúng ta thấy rằng, ngày nay để làm ra những sản phẩm gốm cần trải qua rất nhiều công việc, và để trả lời cho câu hỏi nghề gốm đã xuất hiện trong thời gian nào thì thực sự rất khó… Tức là ở đây chúng ta bao gồm hết tất cả quy trình tìm nguyên liệu, tạo hình, sấy và nung và bao gồm cả việc phát minh ra bàn xoay

Theo bằng chứng khảo cổ, đồ gốm đầu tiên xuất hiện trong thời đại của nghệ thuật đồ đá cũ ở Đông Á (Trung Quốc, Nhật Bản và các lưu vực song Amur ở Nga), 18000 năm TCN, trước khi lan rộng đến vùng Trung Đông và lưu vực Địa Trung Hải trong thời kì đồ đá mới hàng ngàn năm sau Các nhà khảo cổ không chắc rằng vì sao đồ gốm lại xuất hiện ở Trung Quốc sớm đến vậy Họ đã

đặt ra giả thiết là sản xuất gốm bị ảnh hưởng bởi điều kiện khí hậu Đây là đất nước rất trù phú về nguyên vật liệu (đất sét, cao lanh, fenspat, thạch anh…) cần thiết, ngoài ra, dân số đông nơi đây cũng là một trong những yếu tố quan trọng(Visual-art-corks.com, 2011)

Vào thế kỉ 6 TCN, người Trung Quốc đã phát minh ra đồ sứ, được sản xuất từ nguyên liệu đất tại vùng núi Cao Lĩnh Đây là loại cao lanh có hàm lượng khoáng kaolinit cao Theo một số tài liệu khác, sứ nguyên thủy (protoporcelain) có thể cũng được phát minh ở nơi đây sớm hơn nhiều khoảng vào năm 1258 TCN Đây là loại sứ có xương kết khối, tráng men xanh lục – vàng, thuộc dạng trung gian giữa sành và đá Sau đó, người Trung Quốc đã phát minh ra sứ xanh lục có nhiệt độ nung khoảng 13200C (221-206 TCN) và sứ có xương trắng (550-577 SCN) (Dũng, 2015) Vào thời cổ đại ở Trung Quốc, kỹ thuật nung ở nhiệt độ cao khoảng 1300-14000C thậm chí cao hơn nữa đã xuất hiện Ở nhiệt độ này, các thành phần khoáng chất của đất sét bị nóng chảy, dẫn đến một loại vật liệu gốm mỏng, mờ trong suốt như pha lê được tạo thành, đó chính là sứ Không phải tất ca đất sét có thể thực hiện được ở nhiệt độ này mà chỉ có một số loại đất sét đặc biệt không có tạp chất (Violatti, 2014)

Đồ sứ Trung Quốc thời kì sơ khai chưa có chất lượng tốt như ngày nay nhưng nó ngày càng được phát triển trong quá trình sản xuất Đời nhà Đường có

sứ Ding-jao, là sứ xương trắng được trang trí bằn cách đóng dấu hoa văn và tráng men trong Một phần men hòa lẫn với xương nên ơ vùng trung gian không phân biệt được đâu là xương và đâu là men Vào thời này, có nhà thơ Đỗ Phủ đã làm thơ tan dương chén sứ uống trà tại Việt Châu, nói rằng “da trắng như tuyết, tiếng trong như ngọc” (Dũng, 2015) đây chính là những tính chất điển hình của sản phẩm sứ truyền thống

Đồ gốm và đồ sứ Trung Quốc sau đó ảnh hưởng lớn đến các nước xung quanh, nhất là các nước nước vùng Đông Bắc Á như Triều Tiên và Nhật Bản

Tại châu Âu, đồ sứ ngày xưa rất quý và hiếm, các bộ dụng cụ ăn sang trọng nhập từ Trung Quốc đắt sánh ngang vàng nên họ đã cố gắng bắt chước sản xuất sứ châu Á Trong quá trình đó người ta đã tạo ra các loại sành majolica và faience (Dũng, 2015)

Majolica là loại sành tráng men thiếc chì sản xuất ở Tây Ban Nha, nhập vào vào Ý, qua châu Âu và qua đảo Mallorca, từ đó có tên gọi là Majolica Sành Majolica được tráng một lớp men thiếc để làm nền, sau đó vẽ màu trang trí và sau đó tráng lên lớp men thứ hai trong suốt để tạp độ bóng cho sản phẩm sau khi nung (Dũng, 2015)

Ngành công nghiếp gốm sứ ngày càng được phát triển hơn, và sự thay đổi

cơ bản tạo ra quá trình cơ khí hóa từ sau khi xảy ra cuộc cách mạng công nghiệp vào thế kỉ 19

Gốm sứ Việt Nam

Cũng như trên thế giới, nghề gốm là một trong những nghề có truyền thống lâu đời nhất ở Việt Nam Kết quả khảo cổ học cho thấy, nghề gốm đã được người Việt chế tác, sử dụng cách đây khoảng 10.000 năm Theo thời gian,

gố sứ không chỉ là đồ thủ công phục vụ cho nhu cầu thiết yếu trong đời sống mà

đã trở thành nét văn hóa của dân tộc

Hình 1 Vase Majolica Faience Hand Painted

Ở Việt Nam, người ta đã sản xuất đồ gốm từ thời thượng cổ, cách đây

4500 năm Vào thời đâu các vua Hùng chúng ta đã có đồ gốm Phùng Nguyên,

gò Mun (Vĩnh Phú) nung ở nhiệt độ 800-9000C, xương gốm đã bắt đầu được tinh luyện Từ cuối đời Trần vào thế kỉ 14 bắt đầu hình thành làng gốm Bát Tràng nổi tiếng đến ngày nay (Dũng, 2015) Để làm ra đồ gốm, người thợ gốm phải trải qua rất nhiều công đoạn khác nhau Kinh nghiệm truyền đời của dân làng gốm Bát Tràng là “Nhất xương, nhì da, thứ ba dạc lò”

Về sản xuất gốm sứ dân dụng, mỹ nghệ và gốm kỹ thuật ở quy mô công nghiệp, nước ta hiện nay có công ty sứ Hải Dương, nhà máy sứ điện Hoàng Liên Sơn, công ty gốm sứ Minh Long, và rất nhiều nhà máy khác về gốm xây dựng,… phục vụ cho nhu cầu nhân dân

3 Quy trình sản xuất sản phẩm gốm

Xương gốm (phần bên trong lớp men phủ) được xem như là phần qua trọng nhất của một sản phẩm gốm Theo TS Dũng (2015), xương gốm có thành phần và cấu trúc khác nhau phụ thuộc vào các yếu tố sau:

(1) Thành phần hóa và khoáng của nguyên liệu

(2) Bài cấp phối

(3) Tính chất vật lý của nguyên liệu, đặc biệt là thành phần dạng hạt

(4) Phương pháp gia công và chuẩn bị phối liệu

(5) Phương pháp tạo hình

(6) Quá trình nung

(7) Phương pháp xử lý bề mặt như tráng men, mài hay đánh bóng

Phần dưới đây xin trình bày về quy trình bày cụ thể về quy trình sản xuất gốm trong công nghiệp và trong truyền thống thông qua nhiều tạo liệu tham khảo

Trong suốt quá trình trình bày về vấn đề này tôi cũng xin giới thiệu về việc làm gốm ở làng gốm Bát Tràng, Việt Nam để mọi người có cái nhìn cụ thể hơn về nghề gốm truyền thống ở nước ta hiện nay dựa trên trang (http://baoquangbattrang.vn/, 2012)

Chuẩn bị nguyên liệu và các phối liệu

Nguyên liệu sản phẩm gốm sứ chủ yếu là nguyên liệu thiên nhiên (một số

có thể là chất thải công nghiệp hoặc nguyên liệu tổng hợp) mà thành phần hóa, khoáng và thành phần hạt sẽ quyết định cấu trúc và tính chất của sản phẩm (Dũng, 2015)

Khoáng sản chính sử dụng trong ngành này là kaolinit, đất sét thành phần thường được mô tả như sau: 40% oxit nhôm, 46% oxit silic, và 14% nước(Made, 1999) Người ta chia nguyên liệu thành nguyên liệu dẻo (khi trộn với nước có độ dẻo và khả năng tạo hình) và nguyên liệu gầy (TS Nguyễn Văn Dũng, 2015)

Để hình thành nên một lò gốm thì điều quan trọng là có nguồn đất sét để làm gốm Làng Bát Tràng là một trong những trung tâm sản xuất gốm có nguồn nguyên liệu tại chỗ Đây là nơi người dân chọn định cư và phát triển nghề gốm bới người ta đã phát hiện ra mỏ đất sét trắng Đến thế kỉ 18, nguồn đất sét trắng cạn kiệt, người dân phải đi tìm nguồn đất mới, và họ bắt đầu hai thác đất sét ở Hồ Lao, Trúc Thôn cho đến nay

Đất sét Trúc Thôn có độ dẻo cao, khó tan trong nước hạt mịn, màu trắng xám, độ chịu lửa ở khoảng 1650°C Tuy là loại đất tốt được người thợ gốm Bát Tràng ưa dùng nhưng sét Trúc Thôn cũng có một số hạn chế như chứa hàm lượng ôxít sắt khá cao, độ ngót 14 khi sấy khô lớn và bản thân nó không được trắng(http://baoquangbattrang.vn/, 2012)

Nguyên liệu dẻo (nguyên liệu sét)

Nguyên liệu dẻo gồm cao lanh và đất sét

Cao lanh và đất sét xuất hiện do hiện tượng phong hóa các loại đá giàu tràng thạch (đá hoa cương, pegmatite, arkozy…) gồm các quá trình phân hủy thủy nhiệt, quá trình vận chuyển và sa lắng các cấu tử phân hủy ra

Theo TS Dũng (2015), nguyên liệu sét có khả năng thấm nước và trương

nở với nhiều mức độ khác nhau Nguyên liệu sét khi khô có tính giòn, nhưng khi đủ ẩm lại có tính dẻo, khi cho nước vào khoáng 20% sẽ biến thành khối dẻo

có khả năng tạo hình dễ dàng mà không gây phá hủy sự toàn vẹn của bán thành phẩm

14 Độ co ngót (thường dùng ở bê tông) là sự giảm thể tích ở nhiệt độ không đổi do mất độ ẩm sau khi bán thành phẩm đã đông cứng

Đất sét

Đất sét là loại đất mịn, có màu từ trắng đến nâu, xám, xanh đến nâu đen Khi thêm nước thì có thể tạo hình như ý muốn, để khô vẫn giữ nguyên được hình dạng

Thành phần chính của đất sét là khoáng dẻo hay còn gọi là khoáng sét Khoáng dẻo là Alumino-silicat ngậm nước có công thức tổng quát nAl2O3.mSiO2.pH2O, được tạo thành do fenspat bị phong hóa tùy theo nhiệt độ môi trường và áp suất mà đất sét tạo thành các khoáng khác nhau

Trong môi trường axit yếu (pH từ 6 đến 7) tạo ra kaolinite.Trong môi trường kiềm (pH từ 7,3 đến 10,3) tạo ra montmorillonite15

Đất sét chỉ chứa khoáng Kaolinite gọi là cao lanh.Đất sét chỉ chứa khoáng montmorillonite gọi là Bentonite (có tính dẻo cao do có nhiều hạt mịn trong thành phần)

Trong sản phẩm, các đặc tính của nó có các tác dụng sau:

- Làm giảm độ co quá mức của đất sét (nếu quá nhiều đất sét thì độ co lớn gây nứt và biến dạng sau khi nung) Ngoài ra nó còn có tác dụng làm trắng xương gốm

- Lượng Al2O3 trong cao lanh giúp làm giảm độ biến dạng trong quá trình nung xương

- Đất sét và cao lanh chứa ion Al3+, khi phân hủy ở nhiệt độ cao, khuếch tán trong fenspat nóng chảy tạo điều kiện xuất hiện khoáng Mullite Khoáng này sẽ cứng lại khi làm nguội sẽ làm tăng độ bền cơ và bền nhệt cho sản phẩm gốm

Khai thác

Nguyên liệu dẻo thuộc loại thành phần tự nhiên và được khai thác ở các

mỏ quặng Trước khi khai thác một khu mỏ, cần tiến hành nghiên cứu địa chất cũng như xác định trữ lượng đế có thể có phương pháp và kế hoạch khai thác hợp lý

Nguyên liệu gốm sứ chủ yếu được khai thác trên bề mặt, chỉ một số ít được khai thác dưới lòng đất là chúng rất tốn kém

Quá trình khai thác phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Hình thái địa chất của mỏ, tỉ lệ khối lượng lớp mặt và khối lượng nguyên liệu khai thác

- Phương pháp và thiết bị khai thác

- Phương pháp vận chuyển nguyên liệu và lưu kho bãi

Nguyên liệu gầy

Nguyên liệu gầy luôn có mặt trong phần lớn phối liệu sản xuất đồ gốm sứ.Việc sử dụng chúng phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Loại sản phẩm cần sản xuất ra

- Mục đích sử dụng chúng (có thể dùng để điều chỉnh tính chất của phối liệu khi tạo hình hay khi nung)

- Loại, tính chất của nguyên liệu gầy sử dụng

Theo chức năng nó được phân chia thành ba loại như sau: nguyên liệu đầy, nguyên liệu trợ dung và nguyên liệu làm nhẹ

Nguyên liệu đầy

Có thể là hợp chất thiên nhiên hoặc nhân tạo, về bản chất, chúng chứa nhiều oxit gần với thành phần của phối liệu Khi trộn vào phối liệu để tạo hình dẻo, chúng làm giảm độ dẻo của phối liệu Khi nung, chúng có thể phản ứng với một số thành phần trong phối liệu để tạo nên xương sít đặc; tuy nhiên, trong đa

số trường hợp, chúng có thể coi là trơ về mặt hóa học hoặc có khả năng phản ứng rất kém Có thể phân loại theo bản chất hóa học (loại silic, loại alumino-silicat…), phân loại theo thành phần cỡ hạt, phân loại theo chức năng phụ thêm Dưới đây là một số nguyên liệu đầy phổ biến và quan trọng trong các sản phẩm gốm sứ

Cát

Cát cung cấp SiO2 cho xương , tính năng của cát trong sản phẩm sẽ làm giảm độ co ngót, giúp quá trình sấy nhanh hơn, chống nứt sản phẩm Tuy nhiên, nếu lượng cát quá nhiều sẽ làm sự liên kết vật chất trong xương kém đi, ảnh hưởng đến độ bền của sản phẩm

Hình 2 Cát

Quarzit (thạch anh)

Đây là nguyên liệu cơ bản để sản xuất gạch chịu lửa

Nguyên liệu đầy loại alumino-silicat (samot)

Là đất sét nung ở nhiệt độ 1000-14000C sau đó nghiền mịn trong đó tỉ lệ SiO2:Al2O3=3:2

Đây là một dạng khoáng thạch khối có màu lục nhạt, trắng, xám và vàng phớt nâu Sờ tay vào có cảm giác mịn mát, không thấm nước, thường người ta dùng chất này để xoa khuôn chống dính

Có tác dụng chống nứt rạn do giãn nở đột ngột, giảm nhiệt độ nung của sản phẩm

Sử dụng quá nhiều sẽ làm cho xương giòn, dễ nứt, tăng độ co ngót, độ hút nước càng giảm

Nguyên liệu trợ dung

Nguyên liệu trợ dung tham gia tạo pha lỏng, làm giảm nhiệt độ kết khối

và nóng chảy, giảm khoảng cách giữa nhiệt độ kết khối và nhiệt độ chịu lửa

Tràng thạch là nguyên liệu trợ dung phổ biến nhất trong sản xuất gốm sứ Tràng thạch hay fenspat là một thuật ngữ chung cho một nhóm khoáng chất Alumino-silicat có chứa một lượng đáng kể (10-15%) các oxit kiềm (Na2O,

K2O, CaO…) (Perry, 2011)

Nguyên liệu làm nhẹ

Mục đích sử dụng nguyên liệu này là để giảm thể tích của xương gốm Trong sản xuất gạch và vật liệu chịu lửa, nguyên liệu làm nhẹ có thể dùng để làm tăng độ xốp và làm giảm độ dẫn nhiệt của sản phẩm

Nguyên liệu sản xuất Engobe, men, chất màu gốm sứ

Engobe là lớp phủ sít đặc nhưng không được thủy tinh hóa, phủ lên bề mặt sản phẩm gốm, men là lớp thủy tinh phủ trên bề mặt sản phẩm gốm, cần có thành phần cấp phối chính xác

Nguyên liệu làm men sống là cao lanh, đất sét, thạch anh, tràng thạch, đá vôi và các hợp chất của nguyên tố Zn, Pb, Ba, K, Na; các oxit SnO2… dùng để làm đục men màu trắng

Chất màu gốm sứ được gia công từ các oxit và muối kim loại tinh khiết Phối liệu được nung và nghiền thật mịn để có khả năng che phủ tốt

Chuẩn bị phối liệu

Quá trình sản xuất gốm sứ bắt đầu từ công đoạn chuẩn bị nguyên vật liệu

và gia công phối liệu Trong công đoạn này sử dụng rất nhiều thiết bị để tạo kích cỡ, hình dạng cho các nguyên liệu bước vào công đoạn kế tiếp Trng đó, các thiết bị sử dụng cho việc này luôn được cải tiến, phát triển theo hướng hoạt động liên tục, cơ giới hóa, tự động hóa (TS Nguyễn Văn Dũng, 2015) để có thể đạt được hiệu quả và chất lượng tốt nhất mà ít tốn chi phí và nhân lực.Quá trình này bao gồm các công việc sau:

Phân loại hạt, tạo hạt

Có thể phân loại bằng sàng (0,4-1 mm), dòng không khí hay bằng nước Phân loại bằng sàng dựa trên nguyên tắc các hạt có kích thước khác nhau

thì sẽ đi qua sang hay nằm lại trên sàng có kích thước nhất định, có thể dùng sàng rung hoặc sàng thùng quay

Phân loại hạt bằng dòng không khí hay dòng nước dựa trên nguyên lý định luật Stock16 Dùng dòng không khí để phân loại các hạt ở trạng thái khô có kích thước 0,5-500 µm (samot, thạch anh,…); phân loại bằng dòng nước dùng cyclone thủy lực hay theo nguyên tắc lắng đọng (hạt càng lớn thì lắng càng nhanh)

Gia công đập nghiền:

Tạo độ mịn cho phối liệu, từ đó làm tăng diện tích tiếp xúc giữa các hạt; mặt khác, việc nghiền mịn lại tạo ra khuyết tật bề mặt hạt tinh thể17… Các yếu

tố này tạo điều kiện cho phản ứng nhiệt cao khi nung Tuy nhiên, phối liệu để tạo ra từng loại sản phẩm gốm sứ là khác nhau nên việc nghiền chúng là khác nhau

Có ba loại nghiền tùy theo yêu cầu của sản phẩm:

(a) Đập thô, nghiền trung bình: đập và nghiền nguyên liệu dạng cục lớn đến dạng cho phép nạp vào máy nghiền mịn Có thể sử dụng máy thái đất, máy nghiền trục trơn hay có răng cho nguyên liệu mềm như cao lanh, đất sét hay đá phấn; và các máy đập búa, nghiền bánh xe cho các nguyên liệu cứng hơn như tràng thạch…

Có nhiều loại khuyết tật trong mạng tinh thể rắn, tuy nhiên tôi xin giải thích rõ hơn về loại dao động mạng, loại

này có liên quan đến điều tôi vừa đề cập trên Trong loại này, tất cả các tinh thể đều có sự dao động Đơn tinh thể hoàn hảo chứa những hạt (nguyên tử, phân tử hoặc ion) tại các nút mạng, chúng cách nhau một khoảng bằng hằng số Ngoài ra, các hạt trong tinh thể có một năng lượng nhiệt nào đó, nó là hàm nhiệt độ Năng lượng nhiệt này làm cho những hạt dao động ngẫu nhiên quanh những điểm mạng cân bằng Dao động nhiệt ngẫu nhiên này làm cho khoảng cách giữa các nguyên tử biến đổi một cách ngẫu nhiên, phá vỡ sự sắp xếp tuần hoàn của các nguyên tử Khuyết tật này được gọi là dao động mạng, nó ảnh hưởng đến những đại lượng điện mà sẽ thấy rõ hơn trong quá trình khảo sát tính chất của vật liệu bán dẫn (Nguyễn Thanh Lâm, 2009)

(b) Nghiền mịn: dùng máy nghiền bi, hạt nạp vào kích thước ≤1mm

Trộn

Đây là giai đoạn quan trọng trong quá trình gia công và chuẩn bị phối liệu, trong quá trình nàu, các cấu tử được trộn đồng nhất với nhau Hạt càng mịn, kết hợp với môi trường phân tán là nước thì quá trình đồng nhất diễn ra càng tốt Có thể trộn đồng nhất phối liệu ở nhiều độ ẩm khác nhau: trộn khô, trộn bán khô, nhào phối liệu dẻo hay khuấy trộn hồ Về bản chất, quá trình trộn làm giảm chênh lệch nồng độ các cấu tử trong phối liệu Phối liệu dẻo rất khó trộn đồng nhất do khả năng kết dính cao giữa các hạt

Trong sản xuất gốm thô, phối liệu dẻo được nhào trộn trong máy trộn hai trục, có thể trộn thêm nước hoặc dùng hơi nước để điều chỉnh độ ẩm

Hình 7 Máy nghiền bi

Hình 8 Máy trộn hai trục

Hút chân không, tách nước và điều chỉnh tính dẻo

Đất sét, cao lanh khi cho đủ nước thì tạo ra dạng huyền phù18 (thường gọi là hồ, trong đó các hạt sét phân tán keo trong nước) Bề mặt hạt sét mang điện tích âm, bên ngoài là lớp cation đơn hấp phụ bù trừ bề mặt; tiếp theo là lớp khuếch tán bao gồm các cation bù trừ bề mặt, bao xung quanh các cation đó là các phân tử nước bị phân cực Lớp điện tích âm bề mặt, lớp cation bù trừ và lớp khuếch tán tạo ra lớp điện tích kép Hình bên minh họa điều này (tuy nhiên chỉ cần hiều phần hình vẽ minh họa, phần đồ thị và các số liệu dùng áp dụng cho phần tính toán chuyên sâu)

Khoáng có khả năng trao đổi ion càng cao thì có độ dẻo càng lớn Ví dụ khoáng Kaolinite có khả năng trao đổi ion thấp nhất (3-15 mili đương lượng/100g)…Để điều chỉnh tính chất của phối liệu, người ta thêm vào chất điện giải để tăng hoặc giảm độ dẻo, thường thì người ta dùng chất điện giải19

chứa cation kim loại kiềm hoặc kiềm thổ Ngoài ra có thể có các phụ gia khác như chất trợ nghiền (muối amot)…

Để tiếp tục cải thiện phối liệu, người ta có thể sử dụng kỹ thuật hút chân không để loại các bọt khí, giảm độ xốp, nâng cao độ dẻo và cường độ

Tiếp theo, việc tách nước có thể sử dụng biện pháp cơ học như lắng hoặc sấy bằng nhiệt

Lúc này, đất sét trở nên khá khô và dày, chứa khoảng 20% nước (thường được gọi là bánh)

18 Hệ thống (một) chất lỏng và chất rắn phân tán trong chất lỏng nhưng không bị hòa tan

19 Chất điện giải là chất đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn đinh của áp suất thẩm thấu các ion trong trong dung dịch (trong trường hợp này Na 2 SiO 3 khá phổ biến)

Hình 9 Sơ đồ lớp điện tích kép