B CONG THNG TRNG DI HC CONG NGHI

GVHD: Ths Nguyễn Thị Phương Anh Đề tài: Vật liệu gốm BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠ SỞ MIỀN TRUNG- KHOA CƠNG NGHỆ MƠN HỌC: VẬT LIỆU HỌC NGÀNH HĨA ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN: VẬT LIỆU GỐM GVHD: Ths NGUYỄN THỊ PHƯƠNG ANH Sinh viên thực hiện: TRẦN HỮU THÁI Mã số sinh viên: 11009705 Lớp :DHHD7QN SVTH: Trần Hữu Thái Trang GVHD: Ths Nguyễn Thị Phương Anh SVTH: Trần Hữu Thái Đề tài: Vật liệu gốm Trang GVHD: Ths Nguyễn Thị Phương Anh Đề tài: Vật liệu gốm Lời nói đầu Sự phát triển xã hội lồi người gắn liền với phát triển công cụ sản xuất kỉ thuật mà phần lớn hai điều đề định phần lớn nhờ vật liệu Xã hội loài người phát triển qua nhiều thời kì khác gắn liền với phát triển công cụ lao động Ở thời tiền sử người biết sử dụng vật liệu tự nhiên như: gỗ đá, đất sét… để làm vật liệu chế tạo cơng cụ lao động Đến Thời kì sau phát kim loại người biết tạo nhiều vật liệu có bước tiến quan trọng tạo nhiều cơng cụ sản xuất, máy móc thiết bị…cho suất lao động không ngừng tăng lên Tuy có nhiều vật liệu thay phát có nhiều ưu điểm dường có số vật liệu theo người từ xưa đến mà thay Một số Vật liệu gốm , có nhiều ưu điểm mà nhiều vật liệu khác khó thay được, chiếm vị trí quan trọng sống người Một nhữn liệu sử dụng nhiều ngành vật liệu học đại gốm Nhận thấy tầm quan trọng em định thực đề tài mơn Vật liệu học ngành hóa đề tài tìm hiểu Vật liệu gốm Hy vọng cho nhìn chung nhất, kiến thức vật liệu gốm, quy trình sản xuất ứng dụng ngành vật liệu nói chung vật liệu ngành hóa nói riêng Đề tài hoàn thành hướng dẫn dẫn tận tình Giảng viên mơn Vật liệu học ngành hóa Th.s Nguyễn Thị Phương Anh Tuy cố gắng tìm hiểu tài liệu học hỏi từ nhiều nguồn để hoàn thành đề tài khó tránh khỏi thiếu sót qua Tiểu luận mong đánh giá góp ý đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Quảng Ngãi, ngày 11 tháng 12 năm 2013 Sinh viên thực SVTH: Trần Hữu Thái Trang GVHD: Ths Nguyễn Thị Phương Anh Đề tài: Vật liệu gốm SƠ LƯỢC HÓA HỌC SILICAT Nguyên tố silic, ký hiệu hoá học Si, khối lượng nguyên tử 28.09, số thứ tự bảng tuần hoàn Hóa học 14, thuộc Phân Nhóm Chính nhóm IV Silic chiếm 27% khl vỏ đất mà nghiên cứu Là nguyên tố chủ yếu khoáng vật đất đá (giống cacbon thành phần tất chất hữu cơ, nguyên tố quan trọng giới thực vật động vật) Trong thiên nhiên silic tồn dạng hợp chất: - SiO , chẳng hạn cát, thạch anh, điatômit (là dạng SiO vô định hình) 2 - Muối axit silicic (silicat) Phổ biến thiên nhiên aluminôsilicat, nghĩa silicat mà thành phần có nhơm Chẳng hạn tràng thạch, mica, cao lanh Các đất đá phức tạp phổ biến granit, gnai cấu tạo từ tinh thể thạch anh, fenspat mica Các axit silicic silicat SiO ôxit axit, ứng với axit silicic tan nước, công thức chung nSiO mH O Người ta tách trạng thái tự axit ôctôsilicic axit mêtasilicic - Axit octơsilicic H SiO Ví dụ: silicat từ axit khống ơlivin (Mg,Fe) SiO hay 2FeO.SiO (ôctôsilicat manhê sắt); - Axit metasilicic H SiO Ví dụ silicat từ axit khống vôlastônit CaSiO hay CaO.SiO (mêtasilicat canxi) - Axit pôlisilicic: chứng tồn chúng Tuy nhiên muối chúng (silicat) phong phú Ví dụ muối từ axit giả sử này: + Khống ơctơklaz KAlSi O (hay K O.Al O 6SiO ) (trisilicat aluminôkali) + Khoáng caolinit H Al Si O (hay Al O 2SiO 2H O) + Mica trắng H K Al Si O (hay K O.3Al O 6SiO 2H O) + Amian CaMg Si O (hay CaO.3MgO.4SiO ) Các silicat đặc biệt phổ biến thiên nhiên Fenspat (tràng thạch), mica, đất sét, amian, hoạt thạch (talc) (3MgO.4SiO H O) nhiều khống vật khác silicat thiên nhiên Cơng thức hoá học hợp chất silicat Khá phức tạp Khơng có tồn nghĩa axit silisic tương ứng Người ta viết khác đôi chút theo nguyên tắc muối axit chứa ơxy coi hợp chất ôxit axit với ôxit baz (hoặc ôxit baz muối kép) Ví dụ: CaCO hợp chất CaO CO , Al (SO ) hợp chất Al O SO v.v 2 4 2 3 4 6 24 3 2 12 2 2 2 2 3 Có thể viết cơng thức hố học silicat = ơxit tạo thành silicat theo thứ tự cation từ thấp đến cao, chúng dấu chấm, cuối ôxit silic (SiO ) Các ôxyt SVTH: Trần Hữu Thái Trang GVHD: Ths Nguyễn Thị Phương Anh Đề tài: Vật liệu gốm viết hàng Cơng thức hố học hợp chất silicat dùng để biểu diễn thành phần hố học định khống chất silicat có cấu trúc tinh thể Ngoặc đơn cong có cơng thức hố học thể thay đồng hình cation cho Cơng 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 viết theo thứ tự nhóm ơxit, nhóm có nhiều hàng khác sau: ôxit baz (chủ yếu ôxit kim loại kiềm kiềm thổ) + ơxit trung tính + ơxit axit, tổng ơxit baz kim loại kiềm kiềm thổ quy Cấu trúc hợp chất (khoáng) silica nhiệt nguyên liệu thiên nhiên hay nhân tạo có chứa hợp chất silic (chủ yếu hợp chất silic thiên nhiên điơxit silic SiO khống silicat) Cái tên silicat chọn ngành sản xuất công nghiệp lấy nguyên liệu điôxyt silic khống silicat, ngành cơng nghiệp silicat Trong tài liệu nước ngoài, từ ceramics dùng để chung cho tất sản phẩm silicat hay dùng để riêng cho gốm sứ 2 GIỚI THIỆU VỀ GỐM 2.1 ĐỊNH NGHĨA Gốm: vật liệu vơ khơng kim loại, có cấu trúc đa tinh thể, ngồi gồm pha thủy tinh Nguyên liệu để sản xuất gốm gồm phần hay tất đấ t sét hay cao lanh Phối liệu sản xuất gốm tạo hình thiêu kết nhiệt độ cao làm cho vật liệu có tính chất lư hóa đặc trưng Từ gốm cc̣n dùng để sản phẩm làm từ vật liệu gốm Gốm sứ: sứ vật liệu gốm mịn khơng thấm nước khí (< 0,5%) thường có màu trắng Sứ có độ bền học cao, tính ổn định nhiệt hóa học tốt Sứ dùng để sản xuất đồ gia dụng, đồ mỹ nghệ hay xây dựng 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Rất khó xác định xác nghề đồ gốm đời, nghĩa bao gồm tŕnh tạo hình, sấy nung, biến nguyên liệu đất sét thành đồ gốm Người ta cho nghề gốm bắt đầu vùng Trung Đông Ai Cập khoảng 4500 - 4000 năm TCN Khoảng 4000 - 3000 năm TCN đă hình thành số trung tâm gốm vùng Trong thời gian đă phát minh bàn xoay Một bước tiến lớn phía trước việc phát minh thủy tinh khoảng 2000 - 1000 năm TCN, tạo điều kiện để phát minh men gốm mà tiếng hỗn hợp Ai Cập, hỗn hợp đất sét, cát tro gỗ làm vai trò chất trợ dung oxit đồng hay mangan để tạo màu Sau nung làm cho bề mặt gốm có lớp nhẵn bóng có màu SVTH: Trần Hữu Thái Trang GVHD: Ths Nguyễn Thị Phương Anh Đề tài: Vật liệu gốm Thời Trung Cổ Châu Âu đă có trung tâm lớn sản xuất đồ gốm Faenza Italia (từ dó danh từ faience hay cc̣ịn gọi sành), hay Mallorca đảo Địa Trung Hải (từ có tên mặt hàng majolica, có nghĩa sành Loại sành xương có màu, xốp, tráng men đục trang trí nhiều màu sắc) Vào năm 600 TCN nước Trung Hoa cổ đă sản xuất đồ sứ Đến kỷ SCN (đời Đường) nghề sứ Trung Quốc đă phát triển Đến kỷ 16 đời nhà Thanh bước vào thời kỳ cực thịnh Ở Châu Âu măi đến năm 1709, người Đức Johann Friedrich Bottger đă sản xuất đồ sứ giống đồ sứ Trung Quốc Năm 1759 người Anh Josial Wedgwood xuất sành dạng đá (một loại sành có xương mịn, trắng, kết khối tương đối tốt, chất lượng hẳn sành thông thường chưa đồ sứ) Trong 1/4 cuối kỷ 18 sành dạng đá đă đẩy lùi mặt hàng majolica Trong kỷ 19 châu Âu mặt hàng thay cho đồ sứ đắt tiền Chỉ sau giá hàng sứ rẻ đi, với tính chất tuyệt vời đẩy lùi mặt hàng sành dạng đá Ở Việt Nam, ông cha ta đă sản xuất đồ gốm từ thời thượng cổ, cách 4500 năm Vào thời đầu vua Hùng đă có gốm Phùng Ngun, gc̣ị Mun (Vĩnh Phú) nung nhiệt độ 800 - 9000C, xương gốm bắt đầu tinh luyện Từ kỷ 11 đă sản xuất gốm men Đại Việt tiếng với trung tâm Hà Bắc, Thanh Hóa, Thăng Long, Đà Nẵng Từ thời Trần có gốm Thiên Trường (Hà Nam Ninh) với sản phẩm bát đĩa, bb́nh lọ phủ men ngọc, men nâu Từ cuối đời Trần vào kỷ 14 bắt đầu hình thành làng gốm Bát Tràng tiếng đến ngày 1.3 PHÂN LOẠI ĐỒ GỐM Theo cấu trúc tính chất sản phẩm: gốm thơ, gốm mịn, gốm đặc biệt Theo mặt hàng: thực chất phân loại theo nguyên liệu chủ yếu sản xuất sản phẩm gạch ngói, sành tràng thạch, sành đá vôi, sứ frit, sứ corundon Theo lĩnh vực sử dụng: theo nhóm sản phẩm có đặc tính kĩ thuật giống Nó cho ta khái niệm chung vai trò ngành kĩ thuật gốm kinh tế quốc dân: Gốm dân dụng, gốm mỹ nghệ, gốm hóa học, gốm dùng kỉ thuật điện vô tuyến, NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT GỐM Theo truyền thống người ta chia nguyên liệu để sản xuất gốm sứ làm loại : Nguyên liệu dẻo: loại cao lanh đất sét, chúng tạo điều kiện để tạo hình phối liệu dẻo Tính dẻo khoáng sét mà SVTH: Trần Hữu Thái Trang GVHD: Ths Nguyễn Thị Phương Anh Đề tài: Vật liệu gốm Nguyên liệu không dẻo, loại gọi nguyên liệu đầy: làm giảm co ngót sấy nung, tạo điều kiện để chống nứt sấy nung, đồng thời làm giảm khả tạo hình So với nguyên liệu dẻo thb́ ngun liệu đầy có hạt thơ hơn, hạt thường không xốp, tương đối ổn định không biến tính nung, nung khơng co ngót Ngun liệu đầy điển thạch anh, corundon, đất sét nung (samốt) v.v Nguyên liệu không dẻo, loại gọi chất trợ dung : theo quan điểm tạo hình sấy theo loại nguyên liệu tương tự loại 2, chức tạo pha lỏng nung Điều tạo điều kiện thúc đẩy nhanh tŕnh kết khối Điển hình cho loại tràng thạch alkali hay nguyên liệu chứa oxyt kiềm thổ chẳng hạn Đứng mặt chất tạo thành vật liệu gốm thb́ nhóm (nguyên liệu dẻo) quan trọng vb́ khoáng caolinit đất sét sau tŕnh nung hình thành pha tinh thể mullit, khống đóng vai trị định hình thành nên tính chất gốm Định nghĩa nguyên liệu dẻo: nguyên liệu trộn với nước tạo nên vật thể dẻo tạo hình Tiếp theo nhóm 3: chức tạo pha lỏng nung Sau nung tồn dạng pha thủy tinh Nhóm nguyên liệu đầy, thực đóng vai trị quan trọng việc hình thành nên tính chất sứ Chẳng hạn corundon α-Al O làm cho sản phẩm sứ có độ bền bền điện cao Ngun liệu gia cơng để có cỡ hạt thích hợp, sau phối theo thành phần định, sau q tŕnh nung cứng sít đặc lại vật liệu có thành phần pha yêu cầu để sản phẩm có tính chất kỹ thuật định Ngoài loại nguyên liệu đă nêu trên, công nghiệp sản xuất gốm kĩ thuật người ta dùng nguyên liệu tổng hợp oxit TiO , Al O , ThO , BeO loại nguyên liệu khác Để sản xuất khuôn người ta dùng thạch cao, nhựa êpôxy Để sản xuất bao nung vật liệu chịu lửa hổ trợ nung người ta dùng samốt, SiC, α-Al O Để sản xuất chất màu men người ta dùng oxit mang màu Cr O , CoO, CrO , MnO , hay oxit đất số kim loại quư Au, Ag, Pt 2 2 3 2 SVTH: Trần Hữu Thái Trang GVHD: Ths Nguyễn Thị Phương Anh Đề tài: Vật liệu gốm 2.1 NGUYÊN LIỆU DẺO: CAO LANH VÀ ĐẤT SÉT 2.1.1 Nguồn gốc, thành tạo cao lanh đất sét Cao lanh đất sét sản phẩm phong hoá tàn dư loạ i đá gốc chứa tràng thạch pegmatit, granit, gabro, bazan, rhyolit Ngồi cc̣ ịn hình thành tŕnh biến chất trao đổi đá gốc quăcphophia Cao lanh nguyên sinh (tức cao lanh thơ) cao lanh hình thành mỏ đá gốc Nếu sản phẩm phong hoá tàn dư, bị nước, băng hà, gió lắng đọng chổ trũng hình thành nên mỏ cao lanh hay đất sét trầm tích - cc̣n gọi cao lanh thứ sinh Như hình thành mỏ cao lanh đất sét chịu tác dụng tương hổ tŕnh hoá học, học, sinh vật học bao gồm tượng phong hố, rửa trơi lắng đọng thời gian dài Cơ chế phản ứng tŕnh phong hoá xảy sau, coi đá gốc trực tiếp phong hoá thành cao lanh trường thạch kali Khi độ pH mơi trường 3-4 khống hình thành caolinit Al (OH) Si O 2KAlSi O + 8H O 2KOH + 2Al(OH) + 2H4Si O Al (OH) Si O + K O + 4SiO + 6H O Khi độ pH môi trường 8-9 khống hình thành mơntmơrilơnit Al1,67Mg0,33[(OH) /Si O ]0,33Na0,33(H2O)4 Như H2CO3 số acid hữu khác đóng vai trị quan trọng q trình phong hố đá gốc thành cao lanh Q tŕnh thành tạo cao lanh cc̣n qua khống trung gian chẳng hạn muscơvit K O.3Al O 6SiO 2H O ( dạng mica ngậm nước) chuyển thành caolinit Trong nhiều trường hợp xảy thay đồng hình Fe+3 thay Al+3 chế cc̣ịn phức tạp 2.1.2 Thành phần hố khoáng vật : Cao lanh đất sét xét theo thành phần hoá, thành phần khoáng 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 giống Ba nhóm khống quan trọng ngành cơng nghiệp gốm sứ là: 2.1.2.1 Nhóm caolinit Đặc trưng nhóm caolinit khống caolinit (tên khống lấy làm tên cho nhóm), khống chủ yếu mỏ cao lanh đất sét, có cơng thức hoá học Al O 2SiO 2H O Thành phần hóa khống SiO : 46.54%; Al O : 39.5%; H O: 13.96% Nếu mỏ cao lanh chứa chủ yếu khống caolinit thb́ có chất lượng cao chứa tạp chất gây màu (hàm lượng oxit sắt Fe O < 1%) 2 2 2 3 2 10 2 2 2 SVTH: Trần Hữu Thái Trang GVHD: Ths Nguyễn Thị Phương Anh Đề tài: Vật liệu gốm Thơng thường thành phần khống đất sét ngồi khống sét (ví dụ caolinit) cc̣ịn chứa lượng tràng thạch (do đá gốc chưa phong hóa hồn tồn) SiO tự (hình thành tŕnh phân hóa) Để thuận tiện cho việc tính tốn phối liệu gốm sứ, người ta quy thành phần khoáng vật mỏ cao lanh theo thành phần khoáng hợp lư bao gồm: - Khống vật sét (tính theo caolinit) 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% lượng CaO hay MgO coi cacbonat, tức tồn dạng CaCO MgCO Nếu hàm lượng oxit < 1% coi có mặt chúng thay đồng hình ion Ca2+ Mg2+ vào mạng lưới tinh thể khoáng sét Tương tự hàm lượng FeO, Fe O ≥ 1% thb́ ta coi chúng hợp chất chứa sắt (ví dụ Fe(OH) ) Về mặt cấu trúc mạng tinh thể caolinit bao gồm lớp: lớp tứ diện chứa cation Si 4+ tâm, lớp bát diện chứa cation Al 3+ở tâm ứng với [SiO ]4- [AlO ]9- Hai lớp tạo thành gói hở có chiều dày 7.21 – 7.25 A nhóm OH phân bố phía Tinh thể caolinit có dạng miếng hay dạng vảy cạnh, đường kính hạt caolinit từ 0.1 – 0.3 µm Caolinit khơng trương nở nước, độ dẻo kém, khả hấp phụ trao đổi ion yếu (thường từ ÷10 mili đương lượng gam 100 g cao lanh khô), khối lượng riêng khống caolinit khoảng 2.41 ÷ 2.60 g/cm3 Trong nhóm cc̣n có khống haloysit Al O 2SiO 4H O thường kèm với caolinit Ndó coi sản phẩm hyrat hóa caolinit 2.1.2.2 Nhóm mơntmơrilơnit (Al O 4SiO H O + nH O) Mạng lưới tinh thể khoáng gồm lớp (2 tứ diện [SiO ] bát diện [AlO ]) So với caolinit thb́ khống có lực liên kết yếu hơn, nhóm OH- nằm bên lớp tạo thành gói kiểu kín Do có thay đồng hình, nên mơntmơrilơnit thường chứa cation Fe2+, Fe3+, Ca2+, Mg2+ với hàm lượng lớn Độ phân tán cao, hạt mịn, kích thước cỡ 0.06 µm chiếm đến 40% (trong đất sét thường cỡ hạt chiếm 5-20%, cao lanh từ 0.5 – 1.5%) nên khống có độ dẻo lớn 3 3 2 2 2 Môntmôrilônit loại silicat lớp nên có nước phân tử H O sâu vào phân bố lớp làm cho mạng lưới trương nở lớn, cấu trúc thân nên khống có khả hấp phụ trao đổi ion lớn Khối lượng riêng môntmôrilônit từ 1.7 ÷ 2.7 g/cm Trong sản xuất gốm khống có tên bentơnit Đối với gốm mịn phối liệu có độ dẻo người ta thường thêm lượng ÷ 5% bentơnit để tăng độ dẻo SVTH: Trần Hữu Thái Trang GVHD: Ths Nguyễn Thị Phương Anh Đề tài: Vật liệu gốm Trong nhóm cc̣n có khống bâyđêlit Al O 3SiO H O, có cấu trúc tính chất 2 tương tự mơntmơrilơnit chứa nhiều oxit sắt (có thể đến 32%) nên cơng dụng 2.1.2.3 Nhóm khống chứa alkali (cc̣n gọi illit hay mica): Illit hay mica ngậm nước khống nhiều loại đất sét Các dạng mica ngậm nước thường gặp là: Muscơvit : Về mặt cấu trúc khống có mạng lưới tinh thể tương tự silicat lớp nên tính chất chúng giống Trong nhóm cc̣n có số khống khác có cấu trúc tính chất tương tự illit khoáng hyđrophylit, vermiculit dạng thủy mica khác 2.1.3 Các tính chất kĩ thuật 2.1.3.1 Thành phần hạt Nhìn chung kích thước hạt đất sét cao lanh nằm giới hạn phân tán keo (