Các phương pháp tạo hình trên đều có độ ẩm mộc rất lớn (đổ rót: 35 – 40% độ ẩm trở lên; tạo hình dẻo với 18 – 20% độ ẩm trở lên) làm sản phẩm khi sấy và nung bị
co rất nhiều, không ổn định. Khắc phục nhược điểm trên, phương pháp ép (độ ẩm từ 4 – 12 %) ra đời. Phương pháp ép thích hợp cho các sản phẩm có dạng phẳng, hình dáng không phức tạp, tỉ lệ giữa đường kính và chiều cao không quá lớn. Phương pháp này dễ tựđộng hóa và thích hợp cho sản xuất hàng loạt như gạch ốp, lát tường.
Hiện nay người ta dùng chủ yếu phương pháp ép đẳng thủy tĩnh cho sản phẩm có chất lượng cao, đồng đều. Phối liệu được đổ vào khuôn sau đó sử dụng chất lỏng để
truyền áp lực đồng đều lên mẫu, cuối cùng tháo chất lỏng ra khỏi khuôn ta thu được sản phẩm.
1.4.3. Gia công nhiệt sản phẩm
1.4.3.1. Sấy
Sau khi hình thành sản phẩm mộc, người ta phải sấy để loại nước. Có thể sấy tự
nhiên hoặc cưỡng bức. Trong công nghệ sấy và nung có thể tiến hành trên cùng thiết bị
hoặc phân thành các công đoạn khác nhau. Nói chung, mục đích của sấy là loại nước sao cho nhanh nhất mà không làm biến dạng, nứt vỡ sản phẩm.
• Nước liên kết hóa học, không thể tách được khi sấy,
• Nước liên kết lý học và,
• Nước tự do.
Tương ứng với ba dạng nước liên kết trên là ba giai đoạn trong quá trình sấy:
• Gia nhiệt,
• Giai đoạn sấy tốc độ không đổi,
• Giai đoạn sấy tốc độ giảm.
Trong thực tế có thể coi giai đoạn một và hai như một.
Trong quá trình sấy cần phải kiểm soát nghiêm ngặt các thông số của quá trình sấy như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gia nhiệt… để tránh sự co ngót không đồng đều làm xuất hiện ứng suất cơ do chênh lệch độ ẩm. Nếu ứng suất cơ này đủ lớn, sản phẩm sẽ
bị biến dạng hoặc nứt vỡ.
Để tăng tốc độ sấy, người ta sử dụng kỹ thuật sấy gọi là quá trình sấy ẩm. Khi sấy ẩm, ban đầu mẫu được nung nóng nhanh trong môi trường ẩm, như vậy chưa xảy ra quá trình sấy. Mục đích là làm cân bằng độ ẩm trong mẫu và môi trường. Sau đó, khi độ ẩm môi trường giảm, quá trình sấy xảy ra. Hơi nước có thể bay hơi đồng đều với tốc độ lớn nhất mà không làm nứt vỡ sản phẩm. Các sản phẩm gốm sứ thường có hình dạng phức tạp, đòi hỏi có chất lượng cao thường được sử dụng phương pháp này. Tùy thuộc vào yêu cầu của sản phẩm mà kết hợp, lựa chọn các thông số, yếu tố
cho thích hợp. Vì trong quá trình sản xuất luôn tồn tại các mâu thuẫn: muốn tạo hình dễ kích thước hạt phải nhỏ, tuy nhiên kích thước hạt nhỏ sẽ làm độ co của mộc lớn; ngược lại, kích thước hạt thô sẽ khó tạo hình nhưng độ co khi sấy của hạt thô lại thấp. Chếđộ sấy tối ưu là chếđộ mẫu có độ bền cơ cao nhất mà không bị cong vênh hay nứt vỡ.
1.4.3.2. Phủ men
Men gốm là một lớp thủy tinh có chiều dày 0.15 – 0.4 mm được phủ lên bề mặt xương gốm. Lớp thủy tinh này hình thành trong quá trình nung và có tác dụng làm cho bề mặt sản phẩm trở nên sít đặc, nhẵn, bóng, tăng độ bền cơ, chống mài mòn và ăn mòn hóa học do môi trường.
Men gốm tuy bản chất là thủy tinh nhưng phối liệu không hoàn toàn giống, bởi thủy tinh thông thường khi nấu có thể chứa trong bể khuấy cho đồng nhất và khử bọt. Men khi nóng chảy phải đồng nhất mà không cần một sự trợ giúp khoa học nào, nên phối liệu phải không có vật chất nào không thể tạo pha thủy tinh.
1. Do đó, điều cần thiết đầu tiên là phải tạo được một hỗn hợp chảy lỏng đồng nhất ở nhiệt độ mong muốn.
Trong quá trình nóng chảy và ngay sau đó, các oxide trong men phản ứng với bề mặt xương gốm để tạo nên một lớp trung gian. Phản ứng này rất quan trọng vì nó
ảnh hưởng đến độ bền cơ học của men, nó không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học chung của men mà còn phụ thuộc vào từng oxide riêng.
2. Do đó, điều cần thiết thứ hai là thành phần hóa của men phải gần giống thành phần hóa của xương gốm.
Quá trình làm nguội (giảm nhiệt) xảy ra ngược với quá trình nung (tăng nhiệt). Nếu hệ số giãn nở nhiệt của men và xương không phù hợp nhau sẽ gây ra bong hoặc nứt men.
3. Do đó, điều cần thiết thứ ba là hệ số giãn nở nhiệt của men và xương phải phù hợp nhau.
Men nung xong phải cứng, nhẵn, bóng… Bên cạnh đó, tính trong suốt, không màu, tính sáng bóng của men không phải lúc nào cũng như mong muốn. Nếu xương gốm có màu thì phải dùng men đục để che bớt màu của xương.
4. Do đó, điều cần thiết thứ tư là thành phần hóa của men phải được điều chỉnh sao cho men có được các tính chất cơ, lý, hóa mong muốn.
Có các phương pháp phủ men trên bề mặt gốm như sau:
• Tráng men: Mộc thô được làm sach bề mặt rồi nhúng trong huyền phù men. Nhờ độ xốp bề mặt của mộc rất cao, huyền phù bị hút bám một lớp mỏng trên mộc. Khi nung lớp này sẽ chảy thành men. Với một số sản phẩm, men được dội xối lên bề
mặt mộc.
• Phun men: Huyền phù men được phun thành lớp bụi rất đều và có độ dày vừa phải bám lên bề mặt xương mộc. Phun men sẽ cho năng suất và chất lượng cao hơn phương pháp phủ, hơn nũa còn tiết kiệm nguyên liệu. Với sản phẩm gốm sứ đặc biệt, người ta dùng trường plasma phủ lớp men lên bề mặt. Huyền phù men thường có các cấu tử giống như các cấu tử của xương gốm sứ, nhưng mịn hơn và chứa nhiều thành phần dễ chảy hơn. Sau khi đưa men lên bề mặt, đem nung tới nhiệt độ xác định, men sẽ chảy tạo thành lớp thủy tinh mỏng chảy láng trên bề mặt thành phẩm.
Theo cách chế tạo men có thểđược chia thành:
• Men sống hoặc men nguyên liệu: men được đưa lên bề mặt xương như
những nguyên liệu mịn được gia nhiệt.
• Men chín hoặc men frit: men được nấu thành thủy tinh trước, nghiền mịn rồi
đưa lên bề mặt xương.
Trong cả hai trường hợp, men được nghiền rất mịn trong máy nghiền bi ướt, pha chế thêm các phụ gia cần thiết khác thành huyền phù.
• Men tự tạo là men tự sinh ra trong quá trình nung, không phải tráng trước. Cấu tử dễ chảy thường là các muối kim loại kiềm thổ sinh ra từ nhiên liệu hoặc được
đưa vào theo lửa ở giai đoạn nhiệt độ cao.
Theo cảm quan men có thểđược phân thành:
• Men trong: nếu lớp men là trong suốt, có thể nhìn thấy xương gốm qua lớp men.
• Men không trong: nếu lớp men không trong suốt, không thể nhìn thấy xương gốm qua lớp men. Men không trong có thể do tác dụng tạo đục của những hạt keo, trường hợp này thường gọi là men đục.
Men được coi là tốt nếu khi nung xong, xương gốm kết khối đúng yêu cầu, men bám dính tốt, láng đều trên bề mặt xương.
1.4.3.3. Nung
Nung là toàn bộ quá trình gia nhiệt sản phẩm gốm sứ với chế độ thích hợp: từ
nhiệt độ thường cho tới nhiệt độ cao nhất và sau đó làm nguội trong môi trường cần thiết. Nhờ đó, vật liệu trở nên rắn chắc, không bị biến dạng và có những tính chất cần thiết phù hợp với yêu cầu sử dụng.Các biến đổi hóa lý quan trọng nhất trong khi nung xảy ra chủ yếu ở trạng thái rắn (có thểở pha lỏng), đồng thời xảy ra kết khối.
Các thông số của chếđộ nung:
• Nhiệt độ nung: là nhiệt độ cao nhất cần thiết cho quá trình phản ứng kết khối đạt mức cần thiết mà sản phẩm không bị biến dạng.
Nhiệt độ của các lò nung các sản phẩm gốm thường trong khoảng:
- 950 – 11500C: nung các sản phẩm gốm thô như gạch, ngói xây dựng, một số loại gốm vệ sinh, gạch ốp lát…
- 1200 – 12500C: nung các sản phẩm bán sứ, sứ dân dụng… - 1280 – 13500C: nung các sản phẩm sứ mềm, sammốt…
- 1400 – 14500C: nung các sản phẩm sứ cứng, sứđiện, sứ kỹ thuật cao cấp… - 1500 – 17000C: nhiệt độ tương đối cao, thường nung các loại gốm từ oxide tinh khiết như corund, zircon…
• Thời gian nung: là toàn bộ thời gian cần thiết cho một chu trình nung, kể từ
lúc bắt đầu nâng nhiệt cho tới khi lấy được thành phẩm.
Xét về hiệu quả kinh tế, để tiết kiệm năng lượng, tăng năng suất, chu kì nung càng ngắn càng tốt. Tuy nhiên do các yêu cầu kỹ thuật khác nhau như: thời gian biến
đổi lý hóa cần thiết trong phối liệu, độ bền cơ của vật nung… mà ta không thể nung quá nhanh được. Trong kỹ thuật nung cần tính tới tốc độ tăng hoặc giảm nhiệt độ một cách thích hợp.
• Môi trường nung: tùy theo yêu cầu kỹ thuật cụ thể, môi trường khí trong lò có thểở chế độ oxy hóa (dư không khí), môi trường khử (thiếu không khí) hoặc trung tính. Ngoài ra còn có các yêu cầu đặc biệt khác như môi trường khí N2, nung trong chân không hoặc khí trơ…
1.4.4. Gốm sứ vệ sinh
Gốm sứ vệ sinh là các sản phẩm gốm sứ dùng trong xây dựng nhà với chức năng vệ sinh: chậu rửa, bồn tắm, bồn vệ sinh hoặc một số loại gạch ốp tường, lát nền.
Sứ vệ sinh ngoài hình dạng phải đáp ứng chức năng sử dụng và thẩm mỹ, phải có
độ hút nước nhỏ (<5%), độ bền cơ đủ lớn (bền uốn khoảng 400kG/cm2). Phần lớn các sản phẩm này thuộc về hệ bán sứ, fajans. Các sản phẩm thuộc hệ bán sứ cứng giá rất
đắt. Men phải có độ bền hóa cao trong môi trường nước thải. Tùy chủng loại cụ thể, các sản phẩm đưa ra thị trường cần phải đáp ứng những tiêu chuẩn khắt khe khác như độ cứng, độ bóng men, độ phẳng, sựđồng đều về kích cỡ...
Bảng 1.4: Một số thành phần sứ vệ sinh.
Thành phần xương Thành phần men Nguyên liệu
Caolanh 27 – 30 25 - 31 4 - 6 Đất sét dẻo 22 – 29 25 - 28 0 - 5 Cát 28 – 33 24 - 30 10 - 28 Tràng thạch 3 – 5 9 - 10 25 - 49 Mảnh 8 – 13 5 - 10 0 – 13.5 frit - - 0 - 10
Men và lớp lót men (engnob): Men cho sứ vệ sinh phải có độ bền hóa cao, độ
cứng 5.5 – 6 (theo thang Mohs). Chính men và màu sắc men, trong nhiều trường hợp, là yếu tố quyết định chất lượng sản phẩm.
Để tăng lớp men liên kết men và xương, nhất là khi hạ nhiệt độ nung hoặc ứng dụng biện pháp nung nhanh, cần dùng men frít, trong nhiều trường hợp cần phải dùng thêm men lót engob để tạo lớp trung gian. Men lót thường có thành phần gồm một lượng frít, đất sét và các thành phần khác có trong men (như chất tạo đục ZrO2.SiO2). Ngoài ra men lót (engob) còn có tác dụng trang trí, nhằm che cốt mộc có màu không mong muốn, tăng hiệu quả thẩm mỹ cho sản phẩm gốm sứ.
Các phương pháp tạo hình cho sản phẩm sứ vệ sinh:Do sản phẩm sứ vệ sinh thường có hình dạng phức tạp, không đối xứng, nên phương pháp tạo hình đổ rót vẫn chiếm vị trí quan trọng. Đổ rót còn có thể thực hiện kết hợp ép ở áp suất cao, kết hợp hút chân không, đun nóng hồ...
Quá trình biến đổi khi nung: Các sản phẩm sứ vệ sinh hiện nay thường theo công nghệ nung một lần. Nhiệt độ nung với sản phẩm bán sứ khoảng 1170 – 12800C hoặc 1230 – 12500C, fajans được nung trong khoảng 1160 – 12800C, khoảng nhiệt độ
nung mang tính tương đối. Tùy thuộc thành phần, qua trình biến đổi có thểđược mô tả
như sau:
Ở vùng nhiệt độ thấp là các quá trình sấy, cháy các hợp chất hữu cơ, biến đổi thù hình, tạo dung dịch rắn...
Pha lỏng do tràng thạch nóng chảy bắt đầu xuất hiện từ 9500C và tăng theo sự tăng nhiệt độ. Tinh thế mulit (thứ sinh) hình thành trong pha lỏng thuận lợi hơn, đặc biệt từ
12000C (đây là các tinh thể mịn kích thước 0.05 – 0.2 µm). Sự kết khối xảy ra chủ yếu nhờ sự có mặt của pha lỏng.
1.4.5. Gạch gốm ốp, lát
Cũng như sứ vệ sinh, gạch ốp lát thường được phân loại theo công dụng. So với gốm, sứ vệ sinh, các loại gạch lát nền cần có độ hút nước nhỏ hơn giúp chống thấm, độ
bền cơ cao, và tùy theo chức năng sử dụng mà cần những tính chất khác nhau nhưđộ
cứng, độ chống mài mòn, độ bền hóa...
Các loại gạch gốm ốp lát thường có dạng tấm phẳng, tương đối mỏng (khoảng 8 mm), do đó phương pháp tạo hình chủ yếu là ép bán khô cho năng suất rất cao. Có thể
nung gạch ốp lát theo công nghệ nung hai lần hoặc một lần. Nếu theo công nghệ nung hai lần, sản phẩm được nung trước một lần ở khoảng 12000C, tráng men, rồi nung lại ở
nhiệt độ thấp hơn khoảng 900 – 9500C. Theo phương pháp nung một lần, mộc thô
được tráng men rồi nung. Hiện tại nhờ những tiến bộ về khoa học kỹ thuật, phương pháp nung nhanh một lần trở nên phổ biến và mang lại nhiều hiệu quả kinh tế cao hơn.