Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia nhân tán đến tính chất của Hồ Cao Lanh

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 75 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA PHÂN TÁN ĐẾN ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA HỒ CAO LANH AN INVESTIGATION INTO THE EFFECTS OF SOME DISPERSANTS ON THE CHARACTERISTICS OF KAOLIN SLURRIES Nguyễn Văn Dũng, Phan Nhật Linh, Huỳnh Nhất Thạch Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Võ Kỳ Anh Công ty CP sứ COSANI Đà Nẵng TÓM TẮT Phối liệu sứ vệ sinh thường chứa một hàm lượng khá lớn cao lanh. Vì vậy nghiên cứu tính chất hồ (huyền phù) cao lanh có ý nghĩa rất quan trọng để cải thiện tính chất của hồ sứ vệ sinh. Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của các phụ gia phân tán như natri polyacrylat và natri silicat đến tính chất của hồ cao lanh Trại Mát và Hiệp Tiến (Lâm Đồng). Chất đa điện giải natri polyacrylat làm tăng hàm lượng pha rắn của hồ cao lanh (tương ứng sẽ giảm hàm lượng nước cần thiết trong hồ) từ đó tạo điều kiện để tăng khối lượng thể tích và cường độ mộc. Tuy nhiên việc sử dụng loại phụ gia phân tán nào phải dựa vào việc nguyên liệu cao lanh đó có chứa nhiều khoáng caolinit hay không và yếu tố nào là ưu tiên (độ nhớt hồ, tốc độ bám khuôn hay cường độ mộc) thì mới có thể chọn được loại và lượng phụ gia phân tán thích hợp. ABSTRACT Sanitary ware recipes usually contain a large amount of kaolin content. Therefore, it is important to improve the properties of sanitary ware slurries by studying the properties of kaolin suspension. The article deals with the influence of some dispersants such as sodium silicate and sodium polyacrylate on the properties of Traimat’s and Hieptien’s kaolins (in Lamdong Province). The results show that the poly-electrolytes may increase the solid phase content and thus decrease the water content in the kaolin slurry and then increase the slurry density and the strength of the unfired body. However, it is possible to choose appropriate dispersants by depending on whether there is much kaolinite in the kaolin and which priority (the viscosity of the slurry, the casting rate or the unfired body strength) is given. 1. Mở đầu Phối liệu của sứ vệ sinh thường chứa 50% khối lượng nguyên liệu sét (bao gồm đất sét 30 - 35%, cao lanh 15 - 20%), 25% tràng thạch và 25% quartz (xem giản đồ ba cấu tử sản xuất sứ trong hình 1). Sứ vệ sinh được tạo hình bằng phương pháp đổ rót, hồ phải có độ nhớt đủ nhỏ để có thể tạo mộc trong khuôn dễ dàng. Khi rót hồ vào khuôn, khuôn với cấu trúc xốp mao quản sẽ hút nước ra nhờ lực mao dẫn và hình thành nên lớp mộc ở ranh giới giữa hồ và khuôn. Khi lớp mộc đạt được độ dày cần thiết, hồ thừa được tháo ra ngoài và mộc được sấy, co lại, tách ra và được lấy ra khỏi khuôn. Khuôn thạch cao sau đó được sấy khô lượng nước hấp thụ để sử dụng lại nên yêu cầu hàm lượng nước trong hồ phải càng thấp càng tốt. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 76 Các tính chất của hồ đổ rót như hàm lượng pha rắn, tốc độ bám khuôn và cường độ mộc phụ thuộc vào tỉ lệ giữa đất sét/cao lanh trong nguyên liệu sét. Cao lanh với hàm lượng caolinit cao tạo cho sứ những tính chất rất tốt như độ trắng cao sau nung, có hình dạng và phân bố cỡ hạt thích hợp, thành phần khoáng hoá đáp ứng yêu cầu nên là nguyên liệu không thể thay thế trong phối liệu sứ vệ sinh. Nói chung, để xương sứ vệ sinh trắng và có chất lượng cao thì hàm lượng cao lanh trong phối liệu phải cao. Tuy nhiên, nó lại làm cho phối liệu có độ dẻo và cường độ mộc thấp. Để tăng độ dẻo và cường độ mộc thì phải cấp phối thêm vào đất sét, nhưng đất sét lại có nhược điểm là đưa thêm vào các tạp chất như Fe2O3 và TiO2 làm giảm chất lượng của sứ. Mặt khác, đất sét chứa ít hay không chứa khoáng caolinit, mà thay vào đó là các loại khoáng sét khác có khả năng hấp thụ nước trong các lớp cấu tạo và làm tăng thời gian hình thành mộc trong khuôn. Như vậy, độ trắng, cường độ và thời gian tạo mộc phụ thuộc trực tiếp vào lượng cao lanh có trong phối liệu. Như đã phân tích ở trên, dễ dàng thấy rằng tính chất lưu biến của hồ cao lanh đóng vai trò cực kỳ quan trọng vào sự thành công và hiệu quả của quá trình đổ rót sứ vệ sinh. Hồ phải có độ nhớt thấp và ổn định trong khoảng 5 - 10 P, trong đó hàm lượng pha rắn và chất điện giải là các yếu tố quan trọng quyết định độ nhớt của hồ. Hình 1. Giản đồ ba cấu tử sản xuất sứ theo Hinz 1- Vùng sứ vệ sinh và sứ cứng 2- Vùng tấm lát 3- Vùng sứ mềm 4- Vùng sứ làm răng Trong ngành sứ vệ sinh, chất điện giải natri silicat và chất đa điện giải natri polyacrylat thường được sử dụng nhất. Đối với chất điện giải natri silicat, cơ chế giải keo tụ là cation natri (Na+) sẽ thay thế cho các cation hoá trị hai trong lớp điện tích kép của mixen khoáng sét, tạo ra lực đẩy tĩnh điện (electrostatic) và gây ra sự phân tán của hệ mặc dù hồ có hàm lượng pha rắn cao. Đối với chất đa điện giải natri polyacrylat sẽ có những nhóm anion hoặc cation được hấp phụ lên bề mặt mixen tạo ra rào cản không gian và lực đẩy tĩnh điện (electrosteric) làm cho chúng được phân tán tốt và đồng nhất hơn. Đề tài nghiên cứu và so sánh ảnh hưởng của các phụ gia phân tán natri polyacrylat và natri silicat lên hàm lượng pha rắn trong hồ cao lanh cũng như các tính chất khác như độ nhớt, tốc độ bám khuôn và cường độ mộc. Cao lanh nghiên cứu là cao lanh Trại Mát và Hiệp Tiến khai thác tại Lâm Đồng. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 77 2. Thực nghiệm 2.1. Nguyên liệu Nguyên liệu nghiên cứu là cao lanh Trại Mát và Hiệp Tiến (Lâm Đồng). Một số tính chất kỹ thuật của chúng như thành phần kích thước hạt, thành phần hóa, thành phần khoáng hợp lý được cho trong bảng 1, bảng 2 và bảng 3. Phụ gia phân tán là chất đa điện giải natri polyacrylat. Chất điện giải truyền thống trong hồ sứ vệ sinh là natri silicat được dùng để so sánh. Bảng 1. Thành phần kích thước hạt và các kích thước đặc trưng của cao lanh Trại Mát và Hiệp Tiến Lâm Đồng) Kích thước đặc trưng (µm) Cao lanh d10 d50 D90 Trên sàng (% KL) 45 µm Dưới sàng (% KL) 2.7 µm Cao lanh Trại Mát 1,36 7,98 47,94 5,81 24,32 Cao lanh Hiệp Tiến 1,20 7,16 40,09 2,32 25,23 Bảng 2. Thành phần hóa của cao lanh Trại Mát và Hiệp Tiến (Lâm Đồng), % khối lượng % khối lượng Cao lanh Trại Mát Cao lanh Hiệp Tiến SiO2 50,02 50,41 Fe2O3 1,73 34,43 TiO2 0,05 0,31 Al2O3 33,87 0,16 CaO 0,03 0,04 MgO 0,12 0,13 Na2O 0,07 0,06 K2O 1,21 0,50 Mất khi nung 12,9 13,36 Bảng 3. Thành phần khoáng hợp lý của cao lanh Trại Mát và Hiệp Tiến (Lâm Đồng), % khối lượng Khoáng Cao lanh Trại Mát Cao lanh Hiệp Tiến Caolinit 82,15 86,07 Tràng thạch kali 7,15 2,97 Tràng thạch natri 0,59 0,51 Thạch anh 6,76 8,39 Khoáng khác 3,36 2,07 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 78 2.2. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện như trong qui trình ở hình 2. Đầu tiên, hồ cao lanh đặc được xử lý bằng cách thêm vào chất điện giải natri polyacrylat hoặc natri silicat để đạt được độ nhớt mong muốn và hồ có thể đổ rót. Bắt đầu thí nghiệm cho 2,0 ml dung dịch natri silicat hoặc 1,35 ml dung dịch natri polyacrylate vào 210 ml hồ cao lanh có hàm lượng pha rắn 64-68%. Nước sử dụng là nước máy. Độ nhớt của hồ được xác định bằng nhớt kế Gallenkamp (0G) và sau đó chuyển đổi sang đơn vị đo độ nhớt là Poise. Hình 2. Qui trình xác định hàm lượng phụ gia phân tán tối ưu Sau đó đo khối lượng thể tích của hồ bằng bình khối lượng riêng và xác định tốc độ bám khuôn và cường độ mộc. Cường độ mộc của cao lanh được khảo sát bằng cách đổ hồ vào khuôn thạch cao. Mộc hình thành có kích thước 200x20x15 mm, sau đó tháo khuôn. Đối với cao lanh Trại Mát, việc tháo khuôn được tiến hành sau 30 phút và mộc ở trạng thái bán ẩm. Đối với cao lanh Hiệp Tiến, nếu sử dụng phụ gia phân tán là thủy tinh lỏng thì tháo khuôn sau 45 phút, nếu dùng natri polyacrylat thì sẽ tháo khuôn sau 3 giờ. Tốc độ bám khuôn được đánh giá qua bình phương chiều dày mộc hình thành. Mộc tiếp tục được sấy ở 600C qua đêm, tiếp theo sấy ở 1050C đến khối lượng không đổi và đem xác định cường độ mộc. Cường độ uốn của mộc được tính theo công thức sau : σu = 102bh l3f 2 × × (kg/cm2) Ở đây : f là lực tác dụng (kg lực), l là khoảng cách giữa hai gối đỡ (cm), b và h là chiều rộng và chiều cao của mẫu (cm). 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Ảnh hưởng của loại phụ gia phân tán lên hàm lượng pha rắn và khối lượng thể tích của hồ cao lanh Chúng ta biết rằng hàm lượng pha rắn và khối lượng thể tích là các thông số quan trọng, nếu không đạt thì mộc sẽ không có được độ sít đặc cũng như cường độ cần thiết cho các công đoạn tiếp theo. Ảnh hưởng này của các yếu tố này được thể hiện trên đồ thị hình 3. Hồ cao lanh Trại Mát khi dùng phụ gia natri polyacrylat có hàm lượng pha rắn và khối lượng thể tích tương ứng là 64,31% và 1675 g/l so với 64,18% và 1667 g/l khi dùng natri silicat. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 79 Hồ cao lanh Hiệp Tiến khi dùng phụ gia natri polyacrylat có hàm lượng pha rắn và khối lượng thể tích tương ứng là 67,12% và 1681 g/l so với 66,98% và 1673 g/l khi dùng natri silicat. Như vậy chất đa điện giải natri polyacrylat tạo điều kiện để hồ có hàm lượng pha rắn và khối lượng thể tích cao hơn so với chất điện giải natri silicat. Ngoài ra nó còn làm cho pha rắn phân tán tốt hơn. Hàm lượng pha rắn và khối lượng thể tích cao tạo điều kiện cho quá trình hình thành mộc tốt hơn, mộc sít đặc và có cường độ cao hơn. 3.2. Ảnh hưởng của loại phụ gia phân tán lên độ nhớt hồ cao lanh Ảnh hưởng này được thể hiện ở đồ thị hình 4a) và 4b). Cơ chế phân tán pha rắn của natri polyacrylat là do lực đẩy tĩnh điện và việc hình thành chướng ngại không gian của những nhóm anion cao phân tử hấp phụ lên bề mặt hạt. Cơ chế này cho phép tăng hàm lượng pha rắn mà không cần phải thêm nước Đối với hồ cao lanh Trại Mát, khảo sát hàm lượng phụ gia natri polyacrylat trong khoảng 0,4-0,9% khối lượng và natri silicat trong khoảng 0,5-1,5% ta thấy natri polyacrylat tỏ ra hiệu quả hơn nên chỉ cần dùng lượng ít hơn (khi dùng với hàm lượng 0,7% sẽ cho hồ có độ nhớt 7,5 P). Đối với hồ cao lanh Hiệp Tiến, khảo sát hàm lượng phụ gia natri polyacrylat trong khoảng 0,45-0,59% và natri silicat trong khoảng 1,11-1,7% khối lượng ta có kết quả tương tự như trên, tuy nhiên lượng natri polyacrylat cần dùng ít hơn. Điều này chứng tỏ hiệu quả của natri polyacrylat có thể phụ thuộc vào thành phần khoáng của cao lanh, nếu hàm lượng khoáng caolinit càng lớn thì hiệu quả của chất đa điện giải này càng tốt như trong trường hợp đối với cao lanh Hiệp Tiến. a ) b) Hình 4. Ảnh hưởng của phụ gia phân tán natri polyacrylat và natri silicat lên độ nhớt của hồ cao lanh Trại Mát (a) và cao lanh Hiệp Tiến (b) Hình 3. Ảnh hưởng của loại phụ gia phân tán lên hàm lượng pha rắn và khối lượng thể tích hồ cao lanh. TM là ký hiệu cao lanh Trại Mát, HT là ký hiệu cao lanh Hiệp Tiến TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 80 3.3. Ảnh hưởng của phụ gia phân tán lên tốc độ bám khuôn và cường độ mộc Đứng về mặt thương mại thì quá trình đổ rót có tốc độ bám khuôn càng cao càng tốt. Tốc độ bám khuôn cao hơn chứng tỏ lượng nước trong hồ được khuôn thạch cao hút trong khoảng thời gian ngắn hơn. Tốc độ bám khuôn phụ thuộc vào độ xốp và khả năng thẩm thấu của khuôn, loại phụ gia phân tán, thành phần khoáng của phối liệu và khối lượng thể tích của hồ. Ở đây đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của loại phụ gia phân tán đến tốc độ bám khuôn của hồ như thế nào. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trên đồ thị hình 5a) và 5b) khi sử dụng phụ gia phân tán với hàm lượng tối ưu như trong phần 3.1. Đối với hai loại cao lanh trên, tốc độ bám khuôn khi dùng natri silicat tốt hơn khi dùng natri polyacrylat. Đặc biệt, đối với cao lanh Trại Mát các loại phụ gia phân tán đều cho tốc độ bám khuôn cao hơn hẳn so với cao lanh Hiệp Tiến, chứng tỏ khi hàm lượng các khoáng tạp tăng lên thì tốc độ bám khuôn của phụ gia càng tốt. Như vậy tốc độ bám khuôn của hồ phối liệu sẽ cao hơn hồ cao lanh khi dùng các loại phụ gia phân tán. Ảnh hưởng của phụ gia phân tán đến cường độ mộc của hồ cao lanh được thể hiện trên hình 6a) và 6b). Các phụ gia phân tán đều làm tăng cường độ mộc, đặc biệt đối với cao lanh Hiệp Tiến thì natri polyacrylate có hiệu quả cao, tăng cường độ mộc từ 23 đến 31 kg/cm2 khi hàm lượng sử dụng từ 0,49 - 0,56% khối lượng. a) b) Hình 5. Ảnh hưởng của phụ gia phân tán lên tốc độ bám khuôn của hồ đối với cao lanh Trại Mát (a) và cao lanh Hiệp Tiến (b) a) b) Hình 6. Ảnh hưởng của phụ gia phân tán đến cường độ mộc của hồ cao lanh Trại Mát (a) và cao lanh Hiệp Tiến (b). TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 81 4. Kết luận Qua quá trình nghiên cứu chúng tôi nhận thấy ảnh hưởng của các phụ gia phân tán đến tính chất của hồ cao lanh Trại Mát và cao lanh Hiệp Tiến khá phức tạp. Nói chung, chất đa điện giải polyacrylat làm tăng hàm lượng pha rắn của hồ cao lanh (tương ứng sẽ giảm hàm lượng nước cần thiết trong hồ) từ đó tạo điều kiện để tăng khối lượng thể tích và cường độ mộc. Natri polyacrylat làm giảm độ nhớt rất tốt đối với hồ cao lanh Trại Mát và cao lanh Hiệp Tiến. Hiệu quả của natri polyacrylat có thể phụ thuộc vào thành phần khoáng của cao lanh, nếu hàm lượng khoáng caolinit càng lớn thì hiệu quả của chất đa điện giải này càng tốt như trường hợp của cao lanh Hiệp Tiến. Đối với cao lanh Trại Mát các loại phụ gia phân tán đều cho tốc độ bám khuôn cao hơn hẳn so với cao lanh Hiệp Tiến, chứng tỏ khi hàm lượng các khoáng tạp tăng lên thì tốc độ bám khuôn của phụ gia càng tốt. Như vậy tốc độ bám khuôn của hồ phối liệu sẽ cao hơn hồ cao lanh khi dùng các loại phụ gia phân tán. Các phụ gia phân tán đều làm tăng cường độ mộc, đặc biệt đối với cao lanh Hiệp Tiến thì natri polyacrylate có hiệu quả cao, tăng cường độ mộc từ 23 đến 31 kg/cm2 khi hàm lượng sử dụng từ 0,49 - 0,56% khối lượng. Như vậy việc sử dụng loại phụ gia phân tán nào phụ thuộc vào việc nguyên liệu cao lanh đó chứa nhiều khoáng caolinit hay không, yếu tố nào là ưu tiên (độ nhớt hồ, tốc độ bám khuôn hay cường độ mộc) hay có thể sử dụng phối hợp cả hai loại phụ gia phân tán để đạt được hiệu quả cao nhất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Thuận Đăng, Hướng dẫn lấy mẫu và thử các tính chất cơ lý vật liệu xây dựng, Nhà xuất bản Giao thông vận tải, Hà Nội 2001. [2] Đỗ Minh Nhật, Trần Thị Doan, Lại Thị Mỵ, Thí nghiệm chuyên ngành silicat, Bộ môn Silicat, Trường ĐHBK Hà Nội, 2005. [3] Mustafa Salih Eygi, Gunduz Ates, An investigation on utilization of poly- electrolytes as dispersant for kaolin slurry and its slip casting properties, Ceramics International, 2 July 2007. [4] Domenico Fortuna, Ceramic Technology SANITARYWARE, Gruppo editorial Faenza editrice s.p.a, September 2000. [5] Nguyễn Văn Dũng, Công nghệ sản xuất gốm sứ, NXB KH&KT, Hà Nội, 2009.