1.4. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ GỐM SỨ [28]
1.4.3. Gia công nhiệt sản phẩm
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 trong mộc ceramic có thể phân thành ba loại:
• 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.
Chế độ sấy tối ưu là chế độ 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 thể được 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 thể được 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 thể ở pha lỏng), đồng thời xảy ra kết khối.
Các thông số của chế độ 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, sứ điện, 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 thể ở 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…