Đang tải... (xem toàn văn)
Silic (tên Latinh: silex, silicis có nghĩa là đá lửa) lần đầu tiên được nhận ra bởi Antoine Lavoisier (năm 1787), và sau đó đã được Humphry Davy (năm1800) cho là hợp chất. Năm 1811 Gay Lussac và Thénard có lẽ đã điều chế ra silic vô định hình không nguyên chất khi nung nóng kali với tetraflorua silic SiF4.Năm 1824 Berzelius điều chế silic vô định hình sử dụng phương pháp giống như của Lussac.Berzelius cũng đã làm tinh khiết sản phẩm bằng cách rửa nó nhiều lần.Vì silic là nguyên tố quan trọng trong các thiết bị bán dẫn và công nghệ cao, nên khu vực công nghệ cao ở California được đặt tên là Silicon Valley (Thung lũng Silicon), tức đặt tên theo nguyên tố này.Silic là thành phần cơ bản của các loại aerolit là một loại của các thiên thạch và của các tektit là dạng tự nhiên của thủy tinh.Theo khối lượng, silic chiếm 29,5% vỏ Trái Đất, là nguyên tố phổ biến thứ hai sau ôxy. Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên.Nó thường xuất hiện trong các ôxít và silicat.Cát, amêtít, mã não (agate), thạch anh, đá tinh thể, đá lửa, jatpe, và opan là những dạng tự nhiên của silic dưới dạng ôxít.Granit, amiăng, fenspat, đất sét, hoócblen, mica là những dạng khoáng chất silicat. Nguyên tố silic, ký hiệu hoá học Si, khối lượng nguyên tử 28.09, số thứ tự trong bảng Phân Hạng Tuần Hoàn là 14, thuộc Phân Nhóm Chính nhóm 4. Nó là nguyên tố phổ biến sau ôxy trong vỏ Trái Đất (25,7 %), cứng, có màu xám sẫm ánh xanh kim loại, có hóa trị +4. Là nguyên tố chủ yếu trong các khoáng vật và đất đá (giống như cacbon trong thành phần của tất cả các chất hữu cơ, là nguyên tố quan trọng nhất của giới thực vật và động vật).Trong thiên nhiên silic tồn tại dưới dạng các hợp chất:SiO2, chẳng hạn như cát, thạch anh, điatômit (là một dạng SiO2 vô định hình). Muối của axit silicic (silicat). Phổ biến nhất trong thiên nhiên là các aluminôsilicat, nghĩa là silicat mà trong thành phần của nó có nhôm. Chẳng hạn như tràng thạch, mica, cao lanh... Các đất đá phức tạp phổ biến nhất như granit, gnai cấu tạo từ các tinh thể thạch anh, fenspat và mica.Các axit silicic và các silicat.
Mục lục LỜI NÓI ĐẦU: CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SILIC VÀ CÔNG NGHIỆP SILICAT 1.1 TỔNG QUAN VỀ SILIC 1.1.1Lịch sử hình thành – thực trạng 1.1.2 Khái niệm nguyên tố silic 1.1.3 Thuộc tính silic 1.1.4 Ứng dụng ngành công nghiệp silicat 1.1.5 Sản xuất silic CHƢƠNG 2: SILICATE – TRẠNG THÁI SILICATE VƠ ĐỊNH HÌNH 2.1 SILICATE 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Cơng thức hố học hợp chất silicat 2.1.3 Công thức Seger 2.1.4 Cấu trúc hợp chất (khoáng) silicat 2.1.5 Công thức cấu trúc 2.1.6 Hợp chất silicat nhân tạo .10 2.1.7 Vật liệu silicat 10 2.2 CÁC SILICAT Ở TRẠNG THÁI VƠ ĐỊNH HÌNH 10 2.2.1 silicat trạng thái lỏng 10 2.2.2 Các silicat trạng thái thủy tinh .11 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA SILICAT TRONG NGÀNH CÔNG NGHIỆP GỐM SỨ .18 3.1 ĐỊNH NGHĨA 19 3.2 PHÂN LOẠI ĐỒ GỐM 20 3.3 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT GỐM SỨ 21 3.3.1 Nguyên liệu dẻo: cao lanh đất sét .22 3.3.2 Nguyên liệu gầy 27 3.3.3Các nguyên liệu khác 28 3.4 QUY TRÌNH SẢN XUẤT GỐM SỨ THỰC TIỄN .29 LỜI KẾT 35 LỜI NÓI ĐẦU: “Silicate” thuật ngữ khơng xa lạ nữa, chúng hợp chất gồm silicon mang anion có hầu hết cấu trúc vật liệu nhƣ đồ gốm sứ, vật liệu xây dựng, chất bán dẫn… có hầu hết nhà ngƣời Qua cho ta thấy đƣợc tầm quan trọng ngành cơng nghiệp silicate q trình phát triển cơng nghiệp hóa, hiên đại hóa đất nƣớc Qua tiểu luận “ silicate – trạng thái vô định hình ứng dụng gốm sứ”, chúng tơi trình bày: + Silic,cơng thức, trạng thái chúng ứng dụngtrong ngành công nghiệp silicate + Silicate trạng thái vơ định hình silicate + Silicate ứng dụng ngành công nghiệp gốm sứ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SILIC VÀ CÔNG NGHIỆP SILICAT 1.1 TỔNG QUAN VỀ SILIC 1.1.1Lịch sử hình thành – thực trạng Silic (tên Latinh: silex, silicis có nghĩa đá lửa) lần đƣợc nhận Antoine Lavoisier (năm 1787), sau đƣợc Humphry Davy (năm1800) cho hợp chất Năm 1811 Gay Lussac Thénard có lẽ điều chế silic vơ định hình khơng ngun chất nung nóng kali với tetraflorua silic SiF4.Năm 1824 Berzelius điều chế silic vơ định hình sử dụng phƣơng pháp giống nhƣ Lussac.Berzelius làm tinh khiết sản phẩm cách rửa nhiều lần Vì silic nguyên tố quan trọng thiết bị bán dẫn công nghệ cao, nên khu vực công nghệ cao California đƣợc đặt tên Silicon Valley (Thung lũng Silicon), tức đặt tên theo nguyên tố này.Silic thành phần loại aerolit loại thiên thạch tektit dạng tự nhiên thủy tinh Theo khối lƣợng, silic chiếm 29,5% vỏ Trái Đất, nguyên tố phổ biến thứ hai sau ơxy Silic ngun tố khơng tìm thấy tự nhiên.Nó thƣờng xuất ơxít silicat.Cát, amêtít, mã não (agate), thạch anh, đá tinh thể, đá lửa, jatpe, opan dạng tự nhiên silic dƣới dạng ơxít.Granit, amiăng, fenspat, đất sét, hcblen, mica dạng khoáng chất silicat 1.1.2 Khái niệm nguyên tố silic - Nguyên tố silic, ký hiệu hoá học Si, khối lƣợng nguyên tử 28.09, số thứ tự bảng Phân Hạng Tuần Hồn 14, thuộc Phân Nhóm Chính nhóm - Nó ngun tố phổ biến sau ơxy vỏ Trái Đất (25,7 %), cứng, có màu xám sẫm - ánh xanh kim loại, có hóa trị +4 Là nguyên tố chủ yếu khoáng vật đất đá (giống nhƣ cacbon thành phần tất chất hữu cơ, nguyên tố quan trọng giới thực vật động vật) Trong thiên nhiên silic tồn dƣới dạng hợp chất: -SiO2, chẳng hạn nhƣ cát, thạch anh, điatômit (là dạng SiO2 vơ định hình) - Muối axit silicic (silicat) Phổ biến thiên nhiên aluminôsilicat, nghĩa silicat mà thành phần có nhơm Chẳng hạn nhƣ tràng thạch, mica, cao lanh - Các đất đá phức tạp phổ biến nhƣ granit, gnai cấu tạo từ tinh thể thạch anh, fenspat mica - Các axit silicic silicat 1.1.3Thuộc tính silic Trong dạng tinh thể, silic có màu xám sẫm ánh kim Mặc dù nguyên tố tƣơng đối trơ, silic có phản ứng với halogen chất kiềm loãng, nhƣng phần lớn axít (trừ tổ hợp axít nitric axít flohiđríc) khơng tác dụng với nó.Silic ngun tố truyền khoảng 95% bƣớc sóng hồng ngoại.Tinh thể silic nguyên chất tìm thấy tự nhiên, thơng thƣờng nằm dạng silic dioxit (SiO2) Các tinh thể silic nguyên chất tìm thấy tạp chất vàng hay dung nham núi lửa Nó có hệ số kháng nhiệt âm Silic hoạt động hóa học cacbon nguyên tố tƣơng tự mặt hóa học Nó có đất sét, fenspat, granit, thạch anh cát, chủ yếu dạng điơxít silic (hay silica) silicat (Các hợp chất chứa silic, ôxy kim loại dạng R-SiO3) 1.1.4Ứng dụng ngành công nghiệp silicat Silic ngun tố có ích, cần thiết nhiều ngành cơng nghiệp Điơxít silic dạng cát đất sét thành phần quan trọng chế tạo bê tông gạch nhƣ sản xuất xi măng Portland Silic nguyên tố quan trọng cho thực vật động vật.Silica dạng nhị nguyên tử phân lập từ nƣớc để tạo lớp vỏ bảo vệ tế bào Các ứng dụng khác có: * Gốm/men sứ - Là vật liệu chịu lửa sử dụng sản xuất vật liệu chịu lửa silicat đƣợc sử dụng sản xuất men sứ đồ gốm * Thép - Silic thành phần quan trọng số loại thép * Đồng thau - Phần lớn đồng thau đƣợc sản xuất có chứa hợp kim đồng với silic * Thủy tinh - Silica từ cát thành phần thủy tinh Thủy tinh sản xuất thành nhiều chủng loại đồ vật với thuộc tính lý học khác nhau.Silica đƣợc sử dụng nhƣ vật liệu sản xuất kính cửa sổ, đồ chứa (chai lọ), sứ cách điện nhƣ nhiều đồ vật có ích khác * Giấy nhám - Cacbua silic vật liệu mài mòn quan trọng * Vật liệu bán dẫn - Silic siêu tinh khiết trộn thêm asen, bo, gali hay phốtpho để làm silic dẫn điện tốt transistor, pin mặt trời hay thiết bị bán dẫn khác đƣợc sử dụng công nghiệp điện tử ứng dụng kỹ thuật cao (hi-tech) khác * Trong photonic - Silic đƣợc sử dụng laser để sản xuất ánh sáng đơn sắc có bƣớc sóng 456 nm * Vật liệu y tế - Silicon hợp chất dẻo chứa liên kết silic-ôxy silic-cacbon; chúng đƣợc sử dụng ứng dụng nhƣ nâng ngực nhân tạo lăng kính tiếp giáp (kính úp tròng) * LCD pin mặt trời - Silic ngậm nƣớc vơ định hình có hứa hẹn ứng dụng nhƣ điện tử chẳng hạn chế tạo hình tinh thể lỏng (LCD) với giá thành thấp rộng Nó đƣợc sử dụng để chế tạo pin mặt trời * Xây dựng - Silica thành phần quan trọng gạch tính hoạt hóa thấp 1.1.5 Sản xuất silic Silic đƣợc sản xuất cơng nghiệp cách nung nóng silica siêu lò luyện hồ quang với điện cực cacbon Ở nhiệt độ 1900 °C, cacbon khử silica thành silic theo phản ứng SiO2 + C → Si + CO2 Silic lỏng đƣợc thu hồi đáy lò, sau đƣợc tháo làm nguội Silic sản xuất theo công nghệ gọi silic loại luyện kim đạt 99% tinh khiết Làm tinh khiết Việc sử dụng silic thiết bị bán dẫn đòi hỏi phải có độ tinh khiết cao so với sản xuất phƣơng pháp trên.Có số phƣơng pháp làm tinh khiết silic đƣợc sử dụng để sản xuất silic có độ tinh khiết cao Phƣơng pháp vật lý Các kỹ thuật làm tinh khiết silic dựa sở thực tế silic nóng chảy sau đơng đặc lại phần cuối đơng đặc chứa nhiều tạp chất Các phƣơng pháp sớm để làm tinh khiết silic, lần đƣợc miêu tả năm 1919 sử dụng số hữu hạn tảng để sản xuất thành phần rađa Đại chiến giới lần thứ hai, bao gồm việc đập vỡ silic phẩm chất công nghiệp hòa tan phần bột silic axít Khi bị đập vỡ, silic bị làm vỡ để khu vực có nhiều tạp chất yếu nằm phía hạt silic đƣợc tạo ra, chúng bị axít hòa tan, để lại sản phẩm tinh khiết Trong khu vực nung chảy, phƣơng pháp làm tinh khiết silic đƣợc sử dụng rộng rãi công nghiệp, thỏi silic phẩm cấp công nghiệp đƣợc nung nóng đầu Sau đó, nguồn nhiệt chuyển động chậm dọc theo chiều dài thỏi, giữ cho đoạn ngắn thỏi nóng chảy silic đƣợc làm nguội tái đơng đặc phía sau Vì phần lớn tạp chất có xu hƣớng nằm phần nóng chảy phần tái đơng đặc, nên q trình kết thúc, phần lớn tạp chất thỏi chuyển đầu nóng chảy sau cùng.Đầu sau bị cắt bỏ, quy trình đƣợc lặp lại muốn có silic với phẩm cấp cao Phƣơng pháp hóa học Ngày nay, silic đƣợc làm cách chuyển thành hợp chất silic để dễ dàng làm tinh khiết làm tinh khiết trực tiếp silic, sau chuyển hợp chất trở lại thành silic nguyên chất.Triclorosilan hợp chất silic đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣ chất trung gian, tetraclorua silic silan đƣợc sử dụng.Khi khí đƣợc thổi qua silic nhiệt độ cao, chúng phân hủy để tạo silic có độ tinh khiết cao Trong công nghệ Siemens, thỏi silic có độ tinh khiết cao đƣợc đƣa vào triclorosilan nhiệt độ 1150 °C Khí triclorosilan phân hủy lắng đọng silic bổ sung thỏi, làm to theo phản ứng sau: 2HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4 Silic sản xuất từ phƣơng pháp công nghệ tƣơng tự gọi silic đa tinh thể.Silic đa tinh thể thơng thƣờng có tạp chất mức phần tỷ thấp Cùng thời gian đó, DuPont sản xuất silic siêu cách cho tetrachorua silic phản ứng với kẽm nguyên chất nhiệt độ 950 °C, theo phản ứng: SiCl4 + 2Zn → Si + 2ZnCl2 Tuy nhiên, kỹ thuật vấp phải vấn đề thực tế (chẳng hạn nhƣ sản phẩm phụ clorua kẽm đơng đặc lại dính vào sản phẩm) cuối bị bỏ để sử dụng công nghệ Siemens Tinh thể hóa Cơng nghệ Czochralski thơng thƣờng đƣợc sử dụng để sản xuất tinh thể silic đơn có độ tinh khiết cao để sử dụng thiết bị bán dẫn silic trạng thái rắn Đồng vị Silic có chín đồng vị, với số Z từ 25 đến 33 Si28 (đồng vị phổ biến nhất, 92,23%), Si29 (4,67%) Si30 (3,1%) ổn định; Si32 đồng vị phóng xạ sản xuất phân rã agon Chu kỳ bán rã nó, đƣợc xác định khoảng 276 năm, phân rã xạ beta thành P32 (có chu kỳ bán rã 14,28 năm) sau thành S32 Cảnh báo, tác hại silic Các bệnh nghiêm trọng phổi đƣợc biết đến nhƣ bệnh nhiễm silic (silicosis) thƣờng gặp ngƣời thợ mỏ, cắt đá ngƣời phải làm việc môi trƣờng nhiều bụi silic Các bệnh thƣờng khơng chữa đƣợc cần phải tn thủ nguyên tắc oan toàn lao động để hạn chế bệnh ngành công nghiệp silic CHƢƠNG 2: SILICATE – TRẠNG THÁI SILICATEVƠ ĐỊNH HÌNH 2.1 SILICATE 2.1.1 Khái niệm Silicate hợp chất gồm có silicon mang anion.Đa số chất silicat ơxít, nhƣng hexafluorosilicate ([SiF6]2−) anion khác tồn tại.Chất tập trung chủ yếu vào anion Si-O Silicat thành phần chủ yếu vỏ Trái Đấtvà hàng ngàn khoáng vật khác silicat nhƣ:các silicat đặc biệt phổ biến thiên nhiên Fenspat (tràng thạch), mica, đất sét, amian, hoạt thạch (talc) (3MgO.4SiO2.H2O) Các hợp chất silicat bao gồm anion silicat đƣợc cân điện tích nhiều cation khác Có vơ số ion silicat tồn tạo thành hợp chất với nhiều cation khác Do nhóm hợp chất silicat lớn, kể khống vật tự nhiên nhân tạo 2.1.2Cơng thức hố học hợp chất silicat Cơng thức hố học hợp chất silicat phức tạp.Khơng có tồn nghĩa axit silisic tƣơng ứng Ngƣời ta viết khác đôi chút theo nguyên tắc muối axit chứa ơxy cóthể coi nhƣ hợp chất ôxit axit với ôxit bazơ (hoặc ôxit bazơ muối kép) Cơng thức hố học hợp chất silicat dùng để biểu diễn thành phần hoá học định khống chất silicat có cấu trúc tinh thể 2.1.3Công thức Seger Đây biến thể cơng thức hố học dùng để biểu diễn thành phần hố học có thay đổi men gốm sứ có cấu trúc vơ định hình (bản chất men gốm sứ thuỷ tinh) Công thức Seger đƣợc viết theo thứ tự nhóm ơxit, nhóm có nhiềuhàng khác nhƣ sau: ơxit baz (chủ yếu ôxit kim loại kiềm kiềm thổ),ôxit trung tính, ơxit axit, tổng ơxit baz kim loại kiềm kiềm thổđƣợc quy Vd: 0.1-0.25 K2O, 0.1-0.35 Al2O3… 2.1.4Cấu trúc hợp chất (khoáng) silicat Cơ sở cấu trúc mạng lƣới silicat tứ diện silic-ôxy [SiO4]4-, đƣợc gọi đơn vị cấutrúc.Trong hợp chất silicat silic ln có số phối trí 4, liên kết Si-O liên kết ion-cộng hoá trị với 50% liên kết ion Các tứ diện liên kết với theomột đỉnh chung qua ơxy chung Ion Al+3 có thể: - thay phần Si4+ cầu silic-ôxy tạo nên cầu aluminô-silic-ôxy - hay tạo nên cấu trúc riêng nhƣ [AlO6]9- có số phối trí [AlO5]7- có sốphối trí 2.1.5Cơng thức cấu trúc Ngƣời ta chia làm loại, tuỳ theo trùng hợp tứ diện [SiO4] hay cầu aluminô-silic-ôxy thành nhóm cấu trúc khác : - Cấu trúc tinh thể nhọn: silicat có tứ diện đẳng hƣớng Vd: khống ơlivin (Mg,Fe)2[SiO4] - Silicat có nhóm kích thƣớc giới hạn - Silicat có nhóm tạo nên mạng lƣới hình xích đơn xích kép (cấu trúc băng dải dài vơ tận) Ví dụ : volastonit Ca3[Si3O9] cấu trúc xích đơn - Silicat có cấu trúc lớp: Ví dụ: caolinit Al4[Si4O10](OH)8 - Silicat có nhóm tạo nên cấu trúc khung: Ví dụ: dạng thù hình quắc, tràng thạch kali K[AlSi3O8]3 Hình dạng liên hợp tứ diện hình thành mạng lƣới có nhiều loại: đơn, nhóm cấu trúc giới hạn, trùng hợp mạch thẳng nhƣ xích đơn xích kép, lớp, khung nhƣ nói tạo nên phong phú cấu trúc cho hợp chất silicat 2.1.6 Hợp chất silicat nhân tạo - Thuỷ tinh tan Na2SiO3, K2SiO3 (ngƣời ta điều chế cách nấu nóng chảy SiO2và NaOH hay K2CO3 hay Na2CO3): giống nhƣ thuỷ tinh, nhiên tan đƣợc trongnƣớc,khi tan nƣớc gọi thuỷ tinh lỏng - Các vật liệu gốm sứ, thuỷ tinh, xi măng, vật liệu chịu lửa: vật liệu silicat nhân tạo, đƣợc sản xuất từ hợp chất silicat thiên nhiên Nguyên liệu silicat nhân tạo nói silicat thiên nhiên, q trình nung, nấu biến đổi hợp chất silicat ban đầu thành hợp chất silicat mới, có cấu trúc hồn tồn mới.Trong học phần cơng nghệ sản xuất riêng biệt Chúng ta nghiên cứu trình xảy nhiệt độ cao nhƣ nào, thay đổi cấu trúc khoáng theo nhiệt độ, biến đổi thù hình, hình thành khống mới, sựhình thành pha lỏng, biến đổi thành phần pha, hình thành vi cấu trúc vật liệu nhƣ 2.1.7Vật liệu silicat Dùng để nói chung vật liệu vô không kim loại thu đƣợc trình xử lý nhiệt nguyên liệu thiên nhiên hay nhân tạo có chứa hợp chất silic (chủ yếu hợp chất silic thiên nhiên nhƣ điôxit silic SiO2 khoáng silicat) Cái tên silicat đƣợc chọn ngành sản xuất công nghiệp lấy nguyên liệu điôxyt silic khống silicat, ngành cơng nghiệp silicat Trong tài liệu nƣớc ngoài, từ ceramics dùng để chung cho tất sản phẩm silicat hay đƣợc dùng để riêng cho gốm sứ 2.2 CÁC SILICAT Ở TRẠNG THÁI VƠ ĐỊNH HÌNH Trong vật chất ngƣng tụ (rắn lỏng), phần tử cấu tạo (nguyên tử, ion) trạng thái có trật tự (đối xứng, tuần hồn khơng gian), ta nói chung có cấu trúc tinh thể Các phần tử cấu tạo khơng có trật tự cả, ta nói chung trạng thái vơ định hình Các chất trạng thái vơ định hình chất lỏng chất rắn thủy tinh 2.2.1 silicat trạng thái lỏng Chất lỏng trạng thái trung gian chất rắn chất lỏng.Khi nung nóng chất rắn, lƣợng nhiệt làm đứt liên kết, phá vỡ ô mạng.Nhiệt độ tăng, phân tử cấu tạo dao động với biên độ lớn dần, phân tử chuyển từ trạng thái 10 nung hình thành pha tinh thểmullit, khống đóng vai trò định hình thành nên tính chất gốm + Định nghĩa nguyên liệu dẻo: nguyên liệu trộn với nƣớc tạo nên vật thể dẻo tạo hình đƣợc.Tiếp theo nhóm 3: chức tạo pha lỏng nung Sau khinung tồn dƣới dạng pha thủy tinh.Nhóm nguyên liệu đầy, nhƣng thực đóng vai trò quan trọng trongviệc hình thành nên tính chất sứ.Chẳng hạn corundon α-Al2O3 làm cho sảnphẩm sứ có độ bền bền điện cao.Ngun liệu đƣợc gia cơng để có cỡ hạt thích hợp, sau phối theo thành phầnnhất định, sau q trình nung cứng sít đặc lại vật liệu có thành phần pha nhƣyêu cầu để sản phẩm có tính chất kỹ thuật định.Ngồi loại nguyên liệu nêu trên, công nghiệp sản xuất gốm kĩ thuậtngƣời ta dùng nguyên liệu tổng hợp nhƣ oxit TiO2, Al2O3, ThO2, BeO vàcác loại nguyên liệu khác Để sản xuất khuôn ngƣời ta dùng thạch cao, nhựa êpôxy.Để sản xuất bao nung vật liệu chịu lửa hổ trợ nung ngƣời ta dùngsamốt, SiC, α-Al2O3 Để sản xuất chất màu men ngƣời ta dùng oxit mang màu nhƣ Cr2O3, CoO,CrO2, MnO2, hay oxit đất số kim loại qu nhƣ Au, Ag, Pt 3.3.1Nguyên liệu dẻo: cao lanh đất sét Cao lanh :caolinit Al2(OH)4Si2O5 Thành phần hoá khoáng vật : Cao lanh đất sét xét theo thành phần hoá, thành phần khoáng nhƣ cấu trúc bao gồm 28 loại đơn khoáng khác nhau, chia thành nhóm khống.Mỗi nhóm khống bao gồm đơn khống có cấu trúc tính chất gần giốngnhau Ba nhóm khống quan trọng ngành cơng nghiệp gốm sứ là: Nhóm caolinit : Đặc trƣng nhóm caolinit khống caolinit (tên khống đƣợc lấy làm têncho nhóm), khống chủ yếu mỏ cao lanh đất sét, có cơng thức hốhọc Al2O3.2SiO2.2H2O Thành phần hóa khống SiO2:46.54%;Al2O3 : 39.5%; H2O: 13.96%.Nếu mỏ cao lanh chứa chủ yếu khống caolinit có chất lƣợng cao vàchứa tạp chất gây màu (hàm lƣợng oxit sắt Fe2O3< 1%).Thơng thƣờng thành phần khống đất sét ngồi khống sét (ví dụ caolinit)còn chứa lƣợng tràng thạch (do đá gốc chƣa phong 22 hóa hồn tồn) SiO2 tự do(hình thành q trình phân hóa) Để thuận tiện cho việc tính tốn phối liệu gốmsứ, ngƣời ta quy thành phần khoáng vật mỏ cao lanh theo thành phần khoánghợp lý bao gồm: - Khống vật sét (tính theo caolinit) đƣợc ký hiệu T, quy % - Thạch anh kí hiệu Q, quy % - Tràng thạch kali kí hiệu F, quy % T + Q + F = 100% Nếu thành phần hóa loại cao lanh có chứa CaO hay MgO ≥1% lƣợng CaO hay MgO đƣợc coi cacbonat, tức tồn dạng CaCO3hay MgCO3 Nếu hàm lƣợng oxit < 1% coi có mặt chúng thaythế đồng hình ion Ca2+ Mg2+ vào mạng lƣới tinh thể khoáng sét.Tƣơng tự hàm lƣợng FeO, Fe2O3 ≥ 1% ta coi chúng hợp chất chứa sắt (ví dụFe(OH)3) Về mặt cấu trúc mạng tinh thể caolinit bao gồm lớp: lớp tứ diện chứa cation Si4+ở tâm, lớp bát diện chứa cation Al3+ tâm ứng với [SiO4]4- [AlO6]9- Hai lớp nàytạo thành gói hở có chiều dày 7.21 – 7.25 A0trong nhóm OH phân bố mộtphía Tinh thể caolinit có dạng miếng hay dạng vảy cạnh, đƣờng kính hạt caolinit từ0.1 – 0.3 µm Caolinit hầu nhƣ không trƣơng nở nƣớc, độ dẻo kém, khả hấp phụ trao đổi ion yếu (thƣờng từ ÷10 mili đƣơng lƣợng gam 100 g cao lanh khơ), khốilƣợng riêng khống caolinit khoảng 2.41 ÷ 2.60 g/cm3 23 Trong nhóm có khống haloysit Al2O3.2SiO2.4H2O thƣờng kèm với caolinit.Nó đƣợc coi sản phẩm hydrat hóa caolinit Phản ứng hố học tổng quát nung caolinit: Một điểm đặc biệt cao lanh đất sét nung nhiệt độ cao tƣợng kết khối Đó q trình sít đặc rắn lại phần tử khoáng vật (sản phẩm)dạng bột tơi dƣới tác dụng nhiệt độ hay áp suất, tác dụng đồng thời haiyếu tố Vật thể kết khối có cƣờng độ học cao, độ xốp khả hút nƣớc nhỏ, mật độ hay khối lƣợng thể tích lớn Hiện tƣợng kết khối có mặt pha lỏng xảy mãnh liệt Sản phẩm muốn kết khối tốt điều kiện thông thƣờng phải nung đến nhiệt độ≥ 0,8 T (T độ chịu lửa hay nhiệt độ nóng chảy) Khoảng kết khối hiệu số nhiệt độ nhiệt độ kết thúc trình nhiệt độ bắtđầu kết khối (xác định đƣợc cách theo dõi diễn biến tính chất mẫu nungtheo nhiệt độ).Nhiệt độ bắt đầu kết khối nhiệt độ ứng với tính chất bắt đầu thay đổi độtngột Nhiệt độ kết thúc trình kết khối nhiệt độ mà tính chất sản phẩm nung đạt đƣợc giá trị cực đại hay cƣc tiểu Muốn sản phẩm nung dễ dàng lò cơng nghiệp thƣờng khoảng kết khối phải ≥ 500C 24 Để biểu thị trình kết khối ngƣời ta hay dùng tính chất sau sản phẩmnung: độ xốp, mật độ, khả hút nƣớc Trong khả hút nƣớc đƣợc coi nhƣ làtiêu chuẩn để so sánh mức độ kết khối sản phẩm nung Đối với gốm mịn, sản phẩm đƣợc coi đạt độ kết khối tốt độ hút nƣớc chúng xấp xỉ 0%.Đối với nhóm gốm xây dựng độ hút nƣớc 1% đƣợc gọi điểm kếtkhối nhiệt độ tƣơng ứng đƣợc coi nhiệt độ kết khối Đối với nhóm gốm có xƣơng xốp vật liệu chịu lửa, độ hút nƣớc nằm giới hạn - 1% đƣợc coi kết khối tốt Chúng ta xét biểu đồ nhiệt độ - độ hút nƣớccủa sản phẩm gạch clinker với độ hút nƣớc 6%, ứng với độ hút nƣớc 6% gọi điểm clinker Nhóm mơntmơrilơnit (Al2O3.4SiO2.H2O + nH2O) Mạng lƣới tinh thể khoáng gồm lớp (2 tứ diện [SiO4] bát diện [AlO6]).So với caolinit khống có lực liên kết yếu hơn, nhóm OH-nằm bêntrong lớp tạo thành gói kiểu kín.Do có thay đồng hình, nên mơntmơrilơnit thƣờng chứa cation Fe2+, Fe3+ ,Ca2+, Mg2+ Với hàm lƣợng lớn Độ phân tán cao, hạt mịn, kích thƣớc cỡ 0.06 µmcó thể chiếm đến 40% (trong đất sét thƣờng cỡ hạt chiếm 5-20%, cao lanh từ 0.5 – 1.5%) nên khống có độ dẻo lớn.Môntmôrilônit loại silicat lớp nên có nƣớc phân tử H2O sâuvào phân bố lớp làm cho mạng lƣới trƣơng nở lớn, chínhdo cấu trúc thân nên khống có khả hấp phụ trao đổi ion lớn Khốilƣợng riêng môntmôrilônit từ 1.7 ÷ 2.7 g/cm3 - Trong sản xuất gốm khống có tênlà bentơnit Đối với gốm mịn phối liệu có độ dẻo ngƣời ta thƣờng thêm mộtlƣợng ÷ 5% bentơnit để tăng độ dẻo 25 Nhóm khống chứa alkali (còn gọi illit hay mica): Illit hay mica ngậm nƣớc khống nhiều loại đất sét Các dạng mica ngậm nƣớc thƣờng gặp là: Muscôvit : K2O.3Al2O3.6SiO2 2H2O Biôtit :K2O.4MgO.2Al2O3.6SiO2 H2O Về mặt cấu trúc khống có mạng lƣới tinh thể tƣơng tự nhƣ silicat lớp nên tính chất chúng giống Trong nhóm có số khống khác có cấu trúc tính chất tƣơng tự nhƣ illit nhƣ khoáng hyđrophylit, vermiculit dạng thủy mica khác 26 3.3.2 Nguyên liệu gầy Tràng thạch hợp chất Về mặt hóa học tràng thạch aluminôsilicat K, Na, Ca tức K[AlSi3O8] hay Na[AlSi3O8], K+ đƣợc thay Ba2+, Sr2+ nhƣng Trong thực tế chúng tồn dạng đơn khoáng riêng biệt mà phổ biến hổn hợp đồng hình Chúng đƣợc chia nhóm phụ sau : - Nhóm phụ plagioclaz: hổn hợp đồng hình tràng thạch natri (albit Na2O.Al2O3.6SiO2) tràng thạch canxi (anortit CaO.Al2O3.2SiO2) - Nhóm phụ ortoklaz: hổn hợp đồng hình tràng thạch kali (K2O.Al2O3.6SiO2)và natri Tràng thạch kali có tác dụng tốt xƣơng sứ cho phép hạ thấp nhiệt độ nung song khoảng nung rộng, sứ bị biến hình (nên gọi tràng thạch phối liệu) Tràng thạch natri lại thích hợp cho men sứ: độ nhớt men bé, dễ chảy, men bóng láng Trong thực tế tràng thạch tồn dạng dung dịch rắn Đối với xƣơng sứ hổn hợp chiếm 60% tràng thạch kali 40% tràng thạch natri dùng tốt Đối với men sứ tỉ lệ K2O/Na2O ≈1/1 tính chất men tƣơng tự nhƣ tràng thạch natri nguyênchất Tác dụng tràng thạch xƣơng sứ chổ nóng chảy có khả hòa tan thạch anh (SiO2) hay sản phẩm phân hủy cao lanh dung dịch đạt đến bão hòa tái kết tinh mullit dạng hình kim Vai trò tràng thạch công nghiệp gốm sứ quan trọng định điều kiện cơng nghệ (nhiệt độ nung) mà ảnh hƣởng lớn đến tính chất kĩ thuật sứ Sứ muốn có độ cao (khả cho sáng xuyên qua lớn) việc hạn chế oxyt gây màu (Fe2O3 + TiO2) phải đƣa vào lƣợng tràng thạch đủ lớn (29 - 30 %) Đối với sứ cách điện cao thế, muốn có độ bền điện cao hàm lƣợng tràng thạch ≥ 30 % 27 3.3.3Các nguyên liệu khác Cơng nghiệp gốm sứ dùng nhiều loại ngun liệu khác nhƣ hoạt thạch ( talc) 3MgO.4SiO2.2H2O, đá vôi CaCO3, đơlơmit CaCO3.MgCO3 (trong CaCO3 chiếm 54.27% TL, MgCO3 chiếm 45.73% TL), hợp chất chứa BaO, TiO2, Zr2O3, Al2O3v.v Ngồi dùng ơxyt thuộc họ đất nhƣ La2O3, BeO, ThO2, hay ôxyt thuộc nhóm chuyển tiếp nhƣ CoO, Cr2O3 v.v thƣờng đƣợc dùng để sản xuất chất màu Khi sử dụng hợp chất thiên nhiên nhƣ hoạt thạch, đá vôi v.v cần lƣu đến lƣợng tạp chất trƣớc hết Fe2O3, TiO2, MnO2 v.v có hợp chất ơxyt làm giảm chất lƣợng sản phẩm (ví dụ gây màu) Trong nhiều trƣờng hợp chúng đƣợc dùng nhƣ nguyên liệu chính, số trƣờng hợp khác đƣợc dùng nhƣ phụ gia Nguyên liệu làm khuông Phổ biến ngƣời ta hay dùng khuôn thạch cao Ngày xƣa ngƣời ta dùngkhuôn gỗ.Trong thiên nhiên thạch cao tồn dƣới dạng đihydrat sulfat canxi CaSO4.2H2O (với 21 % nƣớc kết tinh).Lúc sản xuất khuôn ngƣời ta dùng thạch cao chứa 0.5 phân tửnƣớc (CaSO4.0.5H2O), dạng thạnh cao nhận đƣợc cách sấy bột thạch cao sống CaSO4.2H2O nhiệt độ 1700C Khi trộn thạch cao chứa 0.5 phân tử nƣớc với lƣợng nƣớc thích hợp (thƣờng từ 50 -55 % khối lƣợng) thực phản ứng hydrat hóa (gọi q trình đóng rắn) cho cƣờng độ học cao nhƣng độ xốp lớn - Chú ý sấy 1800C, đặc biệt đến gần 3000C làm giảm chí hẳnkhả hydrat hóa.Hiện ngồi thạch cao ngƣời ta dùng nhựa nhân tạo polyester hay epoxy 28 3.4 QUY TRÌNH SẢN XUẤT GỐM SỨ THỰC TIỄN CHỌN QUẶNG, GIA CÔNG, PHỐI LIỆU KIỂM TRA KỸ THUẬT PHỐI LIỆU TẠO HÌNH SẢN PHẨM SẤY SẢN PHẨM NUNG PHỦ MEN, TRANG TRÍ SẢN PHẨM KIỂM TRA LẠI SẢN PHẨM LƯU SẢN PHẨM Chọn quặng, gia công, phối liệu Chọn quặng Trong sản xuất gốm- sứ : - Felspat kali làm sứ chứa không dƣới 8% K2O, tốt 10% hàm lƣợng natri thấp < 2% loại felspat chất lƣợng tốt nhất, thạch anh tự < 5%, loại chất lƣợng thấp chứa tới 20% thạch anh tự hàm lƣợng sắt phải thấp (< 0,1%) calci không 0,5% sau nung, felspat có màu đồng khơng vết nhơ, chấm nhỏ 29 -Quặng Felspat đƣợc sử dụng rộng rãi gốm sứ là: hầu nhƣ không thạch anh, chứa khơng q 25% silic tự do; Màu thay đổi từ màu phớt tím đến màu trắng, nhƣng khống vật phải khơng có vết, luợng felspat gạch men yêu cầu từ 10 – 55%, sứ từ 15 -30%, sứ vệ sinh từ 25 –35% sứ điện từ 30 – 50% - Felspat natri đƣợc sử dụng rộng rãi xƣơng sứ rẻ có tác dụng gây chảy cao vậy, felspat kali cần sử dụng số loại sứ đặc biệt, làm tăng độ cứng khả chịu lửa sản phẩm * Trong sản xuất men kính: Đối với men trắng, yêu cầu loại felspat chứa hàm lƣợng sắt thấp £ 0,5% Thành phần hóa học: SiO2 68 – 74%, Al2O3 14 – 18%, Fe2O30,3%, Na2O + K2O – 15%, tạp chất 0,5 – 0,7% Gia công nguyên liệu - Nghiền có tác dụng tạo độ mịn cho nguyên phối liệu, tạo điều kiện cho phản ứng nhiệt độ cao nung diện tích tiếp xúc hạt lớn, mặt khác trình nghiền mịn tạo số khuyếttật bề mặt tinh thể vật chất nhiều Chia làm ba loại: nghiền thô, nghiền trung bình nghiền mịn - Yêu cầu nghiền mịn kích thƣớc hạt vật liệu sau nghiền phải ≤ 63 ≧m (tức qua hết sàng 10000 lỗ/cm2) cỡ hạt từ 1- 20 µm phải chiếm đa số Nguyên liệu nạp vào máy nghiền bi thƣờng yêu cầu ≤ mm Phối liệu Mục đích việc chuẩn bị phối liệu là: - Tạo phối liệu theo cấp phối - Tiếp tục nghiền mịn loại nguyên liệu đến cỡ hạt yêu cầu - Tạo đƣợc hoà trộn đồng tất loại nguyên liệu phối liệu, cóđộ ẩm đồng nhất, có thơng số cơng nghệ tối ƣu phù hợp với cơng đoạn tạo hìnhtiếp theo - Đạt đƣợc độ xác cao thành phần hố tỉ lệ loại cỡ hạt, thànhphần phối liệu tính chất kĩ thuật khâu khác 30 dây chuyền công nghệ để đảm bảo tính chất cần mong muốn loại sản phẩm sau khinung - Đạt đƣợc độ đồng cao thành phần hoá, thành phần hạt, lƣợng nƣớc tạohình, chất điện giải hay loại phụ gia v.v phối liệu theo thời gian vị tríkhác Cơ sở phối liệu: - Phối liệu sành đá vôi : + Đất sét cao lanh khoảng 62 % + Quăc hay cát khoảng 26 % + Đá vôi hay đá phấn khoảng 12 % - Sành trƣờng thạch (hay sành cứng) : + Đất sét trắng đến 40 % + Cao lanh đến 20 % + Trƣờng thạch đến % Phối liệu nung nhiệt độ ≥ 13000C - Phối liệu loại sứ : Theo hệ ba cấu tử T-Q-F Gilchrist Klinefenter năm 1928 Trong : + T- vật chất sét tính theo khống caolinit + Q- thạch anh (SiO2) + F- trƣờng thạch kali nguyên chất Kiểm tra kỹ thuật phối liệu: Nội dung kiểm tra bao gồm : - Kiểm tra độ xác đồng thành phần hóa, thành phần hạt độ ẩm - Kiểm tra màu sắc đất mộc sau nung 31 - Kiểm tra số tính chất kỹ thuật phối liệu nhiệt độ thƣờng: độ dẻo, cƣờng độ mộc, độ co sấy v.v - Kiểm tra tính chất phối liệu nhiệt độ cao (chủ yếu nhiêt độ nung) * Tạo hình sản phẩm Mục đích khâu tạo hình nhƣ yêu cầu thoả mãn chỉtiêu kích thƣớc, hình dạng hình học, độ đồng bán thành phẩm sản phẩm Theo mức độ đồng (thành phần, độ ẩm, mật độ cấu trúc) phƣơng pháp tạo hình đạt đƣợc tổng qt xếp theo thứ tự sau: - Đổ rót sản phẩm rỗng (hồ thừa) - Đổ rót sản phẩm đặc (rót hồ đầy) - Xây máy (loại đầu nén) - Xây máy (loại dao bản) kể vuốt, gắn ráp tay - Ép bán khô - Ép dẻo - Nện đập thủ cơng * Tạo hình sản phẩm Cơ sở để lựa chọn phƣơng pháp tạo hình bao gồm nhiều yếu tố điều chủ yếu sau: - Hình dạng tính chất đặc trƣng loại sản phẩm - Tính chất kỹ thuật phối liệu - Năng suất giá thành (phụ) Căn vào hình dáng sản phẩm để chọn phƣơng pháp tạo hình chƣa đủ, mà điều quan trọng phải vào đặc tính kỹ thuật phối liệu chọn phƣơng pháp tối ƣu 32 + Phối liệu có độ dẻo cao: xây máy, ép dẻo hay tiện dẻo + Phối liệu dẻo vừa: ép dẻo, đổ rót + Phối liệu dẻo nhƣng độ đồng cao: ép bán khô, nện đập thủ cơngcác sản phẩm hình dạng đơn giản Sấy sản phẩm: Sản phẩm gốm sứ sau tạo hình lƣợng nƣớc tới 25%.Tức kg phối liệu (hay sản phẩm mộc) có 0.25 kg nƣớc.Để việc sửa mộc, vận chuyển, tráng men nung dễ dàng bắt buộc phải sấy sản phẩm Quá trình sấy đƣợc đặc trƣng giai đoạn: giai đoạn đốt nóng, giai đoạn tốc độ sấy giai đoạn giảm tốc độ sấy + Giai đoạn đầu trình sấy đƣợc đặc trƣng đốt nóng nhanh bán thành phẩm từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ chất tải nhiệt bão hoà (ở hàm ẩm cho trƣớc chất tải nhiệt) Nhiệt độ tƣơng ứng với số nhiệt kếƣớt, nhiệt độ mơi trƣờng , tƣơng ứng số nhiệt kế khô + Giai đoạn thứ hai trình sấy đƣợc đặc trƣng đoạn nằm ngang đƣờng cong tốc độ sấy, điều tốc độ sấy trị số tốc độ bốc ẩm bề mặt bán thành phẩm Hàm ẩm bán thành phẩm thay đổi hầu nhƣ theođƣờng thẳng + Giai đoạn ba trình sấy đƣợc đặc trƣng giảm tốc độ sấy tăng nhiệt độ bán thành phẩm Cƣờng độ tách ẩm giai đoạn tỉ lệ với độ ẩm trung bình vật liệu khoảng từ độ ẩm tới hạn đến độ ẩm cuối Nung sản phẩm.: Nung khâu quan trọng kỹ thuật sản xuất gốm sứ.Nó ảnh hƣởng định đến chất lƣợng giá thành.Khi nung, cụ thể vật liệu xảy phản ứng nhiệt độ cao cấu tử trongnguyên liệu, trình kết khối, q trình xuất pha lỏng, q trình hồ tan táikết tinh tinh thể Tóm lại, nói tổng quát nung xảy đồng thời trình trao đổi nhiệt trao đổi chất, qúa trình lại biến đổi hoá học biến đổi pha diễn 33 phức tạp Tuy nhiên, điều quan trọng kết trình nung: tạo vật liệu có vi cấu trúc Ví dụ: + Đối với vật liệu sứ mềm nung nhiệt độ khoảng : 1250 – 13500C + Đối với vật liệu sứ cứng nung nhiệt độ tầm 14500C Phủ men – trang trí sản phẩm Là phủ lớp phủ silicat lớp phủ ôxit dùng để phủ lên bề mặt vật liệu (gốm hay kim loại) giúp bền dƣới ảnh hƣởng môi trƣờng nhiệt độ, giúp nâng cao cƣờng độ học thẩm mỹ, làm cho bề mặt xƣơng gốm bóng láng khơng thấm nƣớc Thƣờng đƣợc sử dụng lớp phủ silicat tráng lên gốm gọi men gốm, tráng lên kim loại gọi men phủ kim loại Ở nghiên cứu men silicat tráng lên sản phẩm gốm sứ (từ sau gọi men) Một sản phẩm gốm thơng thƣờng đƣợc trang trí, vẽ chất màu hay men màu khác (nhất gốm dân dụng, xây dựng va mỹ nghệ) để làm tăng giá trị nhƣ độ bền sản phẩm Kiểm tra lại sản phẩm: Đảm bảo tiêu chuẩn, chất lƣợng sản phẩm nhƣ độ bền học, tính nghệ thuật, mẫu mã,… sản phẩm đồng thời loại bỏ sản phẩm không đạt chất lƣợng trƣớc xuất xƣởng đƣa vào thị trƣờng tiêu thụ 34 LỜI KẾT Ngành công nghiệp silicate đời từ lâu ngày phát triễn qua giai đoạn, ngàng công nghiệp sản xuất tƣơng đối rộng bao gồm sản xuất loại vật liệu chịu lửa, thủy tinh, xi măng, chất kết dính,…Đặc biệt ngành cơng nghiệp gốm sứ có từ lâu đời mang tính văn hóa, chiều sâu nếp sống qua giai đoạn từ thời hình thành đất nƣớc đến Nói chung ngành cơng nghiệp silicate giữ vai trò quan trọng kinh tế đất nƣớc, giai đoạn nƣớc ta thức trở thành viên thức tổ chức thƣơng mại giới WTO Tóm lại, bên cạnh phát triển mạnh mẽ qua giai đoạncủa ngành cơng nghiệp nói chung, ngành cơng nghiệpsilicate nói riêng cần quan tâm đến vấn đề môi trƣờng, hạn chế ô nhiễm thấp ngành cơng nghiệp Đồng thời đƣa biện pháp quản lí, giải pháp công nghệ, ứng dụng thực tế 35 Tài liệu tham khảo Bùi Văn Chén - Hóa lý silicat – ĐH BK Hà Nội, 1979 Đỗ Quang Minh – Cơ sở hóa học vật lí chất rắn vật liệu silicat – ĐHBK TPHCM, 2001 Lê Xuân Hải – Bài giảng chuyên môn silicat – ĐHBK Hà Nội, 1989 TS Nguyễn Tiến Dũng – Giáo trình Cơng nghệ sản xuất Gốm sứ, 2011 36 ... chúng ứng dụngtrong ngành công nghiệp silicate + Silicate trạng thái vơ định hình silicate + Silicate ứng dụng ngành công nghiệp gốm sứ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SILIC VÀ CÔNG NGHIỆP SILICAT 1.1 TỔNG... thấy đƣợc tầm quan trọng ngành công nghiệp silicate q trình phát triển cơng nghiệp hóa, hiên đại hóa đất nƣớc Qua tiểu luận “ silicate – trạng thái vơ định hình ứng dụng gốm sứ , chúng tơi trình... nhiên nhƣ điơxit silic SiO2 khống silicat) Cái tên silicat đƣợc chọn ngành sản xuất công nghiệp lấy nguyên liệu điôxyt silic khống silicat, ngành cơng nghiệp silicat Trong tài liệu nƣớc ngoài, từ