Tiểu luận Nghiên cứu chất điện giải trong gốm sứ

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... i DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... ii LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GỐM SỨ ............................................................... 2 1.1 Gốm sứ ................................................................................................................... 2 1.1.1 Khái niệm ............................................................................................................ 2 1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển .......................................................................... 3 1.2 Phân loại ................................................................................................................. 4 1.1.3 Quy trình sản xuất gốm sứ ................................................................................... 5 1.1.3.1 Các nguyên liệu ................................................................................................ 6 1.1.3.2 Gia công và chuẩn bị phối liệu ......................................................................... 6 1.1.3.3 Tạo hình ............................................................................................................ 7 1.1.3.4 Sấy .................................................................................................................... 8 1.1.3.5 Trang trí sản phẩm ............................................................................................ 8 1.1.3.6 Nung ................................................................................................................. 9 1.3 Vai trò của chất điện giải ........................................................................................ 9 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................. 12 2.1 Phương tiện ............................................................................................................. 12 2.1.1 Nguyên liệu.......................................................................................................... 12 2.1.2 Thiết bị và dụng cụ .............................................................................................. 12 2.2 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 12 CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM .................................................................................. 14 3.1 Thiết lập đơn phối liệu ............................................................................................ 14 3.2 Gia công và chuẩn bị phối liệu ............................................................................... 14 4.2 Tiến hành thí nghiệm .............................................................................................. 15 4.2.1 Xác định độ lưu động của hồ bằng nước ............................................................. 15 4.2.1.1 Cách tiến hành .................................................................................................. 15 4.2.1.2 Kết quả thí nghiệm ........................................................................................... 15 4.2.2 Xác định độ lưu động của hồ pha loãng bằng chất điện giải ............................... 15 4.2.2.1 Cách tiến hành .................................................................................................. 15 4.2.2.2 Kết quả thí nghiệm ........................................................................................... 16 4.3 Nhận xét và kết luận ............................................................................................... 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 23 Nghiên cứu chất điện giải trong gốm sứ GVHD: Nguyễn Việt Bách i DANH MỤC HÌNH Hình 1-1 Một số sản phẩm làm từ gốm sứ ................................................................... 2 Hình 1-2 Sơ đồ quy trình sản xuất gốm sứ ................................................................... 5 Hình 1-3 Mô hình cấu trúc mixen hạt sét ..................................................................... 10 Hình 2-1 Cốc đo độ nhớt vicozimet ............................................................................. 13 Hình 3-1 Máy nghiền bi siêu tốc .................................................................................. 14 Hình 3-2 Ảnh hưởng của chất điện giải tới thời gian chảy của huyền phù phối liệu 1..18 Hình 3-3 Ảnh hưởng của chất điện giải tới thời gian chảy của huyền phù phối liệu 2..21 Nghiên cứu chất điện giải trong gốm sứ GVHD: Nguyễn Việt Bách ii DANH MỤC BẢNG Bảng 3-1 Đơn phối liệu gốm sứ ................................................................................... 14 Bảng 3-2 Kết quả xác định bằng chất điện giải Na2SiO3 phối liệu 1 ........................... 16 Bảng 3-3 Kết quả xác định bằng chất điện giải NaOH phối liệu 1 .............................. 17 Bảng 3-4 Kết quả xác định bằng chất điện giải Na2SiO3 phối liệu 2 ........................... 19 Bảng 3-5 Kết quả xác định bằng chất điện giải NaOH phối liệu 2 .............................. 20 Nghiên cứu chất điện giải trong gốm sứ GVHD: Nguyễn Việt Bách 1 LỜI MỞ ĐẦU Trong đời sống con người gốm sứ là một loại đồ dùng rất phổ biến ở mọi thời đại luôn luôn có mặt và đáp ứng được nhu cầu thẩm mỹ trong đời sống lẫn nhu cầu trong sinh hoạt đời thường, không những thế gốm sứ còn là vật liệu quan trong các nghành công nghiệp khác. Vì vậy, gốm sứ là một trong những vật liệu quan trọng trong đời sống con người. Hiện nay, gốm sứ rất phong phú và đa dạng nhiều mẫu mã đòi hỏi các nghành sản xuất gốm sứ phải cạnh tranh về số lượng, chất lượng, mẫu mã và giá cả thị trường như vậy đòi hỏi nghành sản xuất gốm sứ phải đưa ra các giải pháp tối ưu để giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nguyên vật liệu và thời gian sản xuất để có thể cạnh tranh trong thị trường, vì vậy ở đề tài tiểu luận nghiên cứu chất điện giải dùng trong gốm sứ này nhằm vào các vật liệu sản xuất từ gốm sứ dùng cho đời sống sinh hoạt tiết kiệm được thời gian sản xuất cũng như nguyên liệu trong quá trình phối trộn hồ gốm sứ, vì thế chất điện giải dùng để cắt giảm thời gian pha trộn và bớt đi lượng nước sử dụng rất quan trọng trong khâu gia công phối liệu gốm sứ. Chất điện giải sử dụng trong đề tài nghiên cứu này là Natri silicat (Na2SiO3) hay còn gọi là thuỷ tinh lỏng và Natri hidroxit (NaOH) với mục đích để chọn ra chất nào tối ưu nhất trong quá trình pha loãng hồ gốm sứ, bớt đi lượng nước nhiều nhất và thời gian pha loãng tối ưu nhất. Nghiên cứu chất điện giải trong gốm sứ GVHD: Nguyễn Việt Bách 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GỐM SỨ 1.1 Gốm sứ 1.1.1 Khái niệm Gốm sứ (Ceramic) là các vật liệu vô cơ không kim loại có cấu trúc dị thể, thành phần khoáng và hoá khác nhau, được sản xuất trên cơ sở nguyên liệu dạng bột mịn, tạo hình, sấy rồi đem nung đến kết khối ở nhiệt độ cao tạo thành các vật liệu đồ gia dụng, đồ mỹ nghệ hay trong xây dựng. Khái niệm gốm sứ cần được hiểu theo nghĩa rộng,bao gồm một lớp rất lớn các sản phẩm công nghệ được ứng dụng trong các lĩnh vực hết sức khác nhau. Đặc trưng cơ bản của quá trình công nghệ ceramic là quá trình nhiệt độ cao. Nhờ nhiệt độ cao, các quá trình phản ứng pha rắn và kết khối (có thể có pha lỏng với độ nhớt cao) xảy ra trong phối liệu, tạo nên sản phẩm độ bền cơ và các tính chất cần thiết khác. Hình 1-1 Một số sản phẩm làm từ gốm sứ Nghiên cứu chất điện giải trong gốm sứ GVHD: Nguyễn Việt Bách 3 1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển Gốm sứ là một trong những nghành công nghiệp có từ rất lâu đời. Tính từ 24.000 năm trước công nguyên, các đồ vật được làm từ đất sét và các chất liệu khác với hình thù khác nhau, sau đó chúng được nung với nhiệt độ cao để tạo thành vật dụng trong đời sống. Thời xưa, người ta dùng các loại giỏ đan để đựng nước, nước dưới sông có lẫn sét, khi nước được đổ ra ngoài thì còn lại các lớp đất sét bám vào giỏ đan, khi để giỏ dưới ánh nắng lâu ngày, lớp đất sét khô lại. Khi bóc lớp đất sét khô ra người ta thấy có dạng hình như chiếc giỏ. Từ đó, người ta phát hiện ra công dụng của sét. Các lò nung đồ gốm được làm từ gạch cách nhiệt, hỗn hợp rơm và đất sét bởi người Ai Cập cổ. Sau đó họ dùng đất sét mịn và hàm lượng thạch anh cao để làm cho sản phẩm đẹp và tinh tế hơn. Để tạo bề mặt ngoài nhẵn bóng họ dùng một hòn đá nhãn sát lên bề mặt sản phẩm gốm và đồng thời phủ lên các sản phẩm gốm màu khác nhau. Tiếp đó, để sản phẩm không bị rổ bề mặt thì họ phủ một loại chất liệu lên bề mặt gốm đó chính là men tráng ngày nay gồm thạch anh, soda và một loại khoáng chất chưa đồng. Sau khi phủ lớp men lên sản phẩm họ có độ sáng bóng như gương. Tại Hy Lạp thì phát triển mạnh các sản phẩm gốm mỹ thuật với nghệ thuật trang trí bằng những hoa văn tinh xảo và đồng thời được trang trí bằng những hình ảnh mô tả cuộc sống đời thường và các câu chuyện về các vị thần, anh hùng của họ. Khoảng 10.000 năm sau, tại Ấn Độ và Mesopotamia xuất hiện những viên gạch đầu tiên và cùng thời điểm này con người biết sử dụng gốm sứ cho việc trữ nước và thực thẩm. Vào khoảng 8000 năm trước công nguyên người Ai Cập phát hiện ra thuỷ tinh, khi đó người ta nung đồ gốm ở một nhiệt độ cao, tạo nên lớp men màu trên đồ gốm đến những năm 1500 trước công nguyên, thuỷ được sản xuất độc lập khỏi gốm. Tại Trung Quốc sản xuất gốm sứ sáng màu được làm từ một loại sét dẻo và tinh khiết được gọi là cao lanh. Quá trình nung từng màu riêng biệt khi vẽ chúng tạo ra các màu sắc trang trí trên đồ gốm. Các vật dụng làm từ gốm tại Trung Quốc được ưa chuộng tại Châu Âu. Nghiên cứu chất điện giải trong gốm sứ GVHD: Nguyễn Việt Bách 4 Cuối thế kỉ 16, đồ gốm sứ trở nên phổ biến do việc thông thương qua lại giữa các nước trở nên dễ dàng với các tuyến đường thương mại qua Manila, đưa gốm sứ từ Trung Quốc sang Mexico và Châu Âu. Nữa đầu thế kỷ 19, các vật liệu gốm sứ cách điện trở nên phổ biến trong các lĩnh vực di động, radio, truyền hình, máy tính và vật liệu thuỷ tinh,Từ đó gốm sứ là trở nên phổ biến và tiện dụng với đời sống con người. 1.1.2 Phân loại Vật liệu gốm có nhiều cách phân loại khác nhau tuỳ theo các mục đích sử dụng và quan điểm. Dưới đây là một số cách phân loại chủ yếu: - Theo thành phần hoá học và pha: vật liệu hệ Al2O3 – SiO3, hệ MgO – SiO2, hệ Al2O3 – SiO2 – CaO, thuỷ tinh - Theo độ xốp của vật liệu: vật liệu xốp, sít đặc, kết khối, - Theo cấu trúc hạt vật liệu: gốm thô, gốm mịn - Theo công dụng của vật liệu: gốm xây dựng, gốm mỹ thuật, gốm kỹ thuật, - Theo truyền thống hình thành: đất nung, sành sứ, bán sứ, fajans - Theo thành phần khoáng chính trong dản phẩm: gốm mulit, gốm corund, Để hiểu rõ bản chất vật liệu và những biến đổi trong đó, xem xét các vật liệu ceramic theo thành phần hoá học và thành phần pha của chúng là thuận lợi nhất. Nghiên cứu chất điện giải trong gốm sứ GVHD: Nguyễn Việt Bách 5 1.1.3. Quy trình sản xuất gốm sứ Hình 1-2 Sơ đồ quy trình sản xuất gốm sứ Nguyên liệu dạng tự nhiên hoặc kỹ thuật được phối liệu theo những tỷ lệ thành phần và cỡ hạt cần thiết theo đơn phối liệu, nghiền đủ mịn, tạo hình bằng những phương pháp khác nhau rồi đem nung. Tùy thuộc vào chủng loại sản phẩm, có thể có công nghệ nung sản phẩm một lần hoặc hai lần. Nếu kể tới nung màu trang trí trên men, sản phẩm có thể phải qua lửa lần thứ ba. Với các sản phẩm gốm thô thông thường như gốm thô, gốm mỹ nghệ, phổ biến là phương pháp nung một lần. Sản phẩm được tạo hình, trang trí và nung hoàn thiện trong một lần nung duy nhất. Với phương pháp nung hai lần, sản phẩm được tạo hình thành mộc. Mộc được nung trước một lần (khoảng 800 – 900 oC), đem tráng men, sau đó nung lần thứ hai, gọi là nung hoàn thiện (thường từ 1200 oC trở lên). Khái niệm nhiệt độ nung sản phẩm Tạo hình Sấy Trang trí sản phẩm Nung Sản phẩm Gia công – phối liệu Nguyên liệu Nghiên cứu chất điện giải trong gốm sứ GVHD: Nguyễn Việt Bách 6 thường chỉ nhiệt độ nung lần này (trong một số ít trường hợp, nhiệt độ nung lần thứ hai không phải là nhiệt độ nung cao nhất). Để tăng hiệu quả thẩm mỹ, người ta trang trí lên men, rồi nung lần thứ ba ở nhiệt độ thấp hơn (thường khoảng 720 – 800 oC, hoặc thấp hơn), để màu bám chặt vào men. 1.1.3.1 Các nguyên liệu Nguyên liệu chính để sản xuất gốm sứ gồm 2 loại phổ biến đó là nguyên liệu dẻo gồm cao lanh, đất sét; và nguyên liệu gầy gồm thạch anh (quartz), tràng thạch (fenspat), hoạt thạch (talc), Ngoài ra, nguyên liệu khác là hợp chất của CaO, BaO, MgO, Các nguyên liệu kỹ thuật: B2O3 , TiO2 , Al2O3 Nguyên liệu được phối liệu theo những tỷ lệ thành phần có trong nguyên liệu dẻo và gầy cần thiết theo đơn phối liệu, được nghiền mịn, tạo hình, trang trí bằng những phương pháp khác nhau rồi đem nung. Tùy thuộc vào loại sản phẩm, có thể có công nghệ nung sản phẩm một lần hoặc hai lần. Với phương pháp nung một lần, sản phẩm được tạo hình, trang trí và nung hoàn toàn trong một lần nung duy nhất. Với phương pháp nung hai lần, sản phẩm được tạo thành mộc. Mộc được nung trước một lần (khoảng 800 – 900 oC), đem tráng men, sau đó nung lần thứ hai (thường từ 1200 oC trở lên). Để tăng hiệu quả thẩm mỹ, người ta dùng màu để trang trí trên men rồi nung lần thứ ba với nhiệt độ thấp hơn (khoảng 720 – 800 oC) để màu bám chặt vào lớp men. Khi sản xuất chất màu và men màu, thường dùng các oxit mang màu như: Cr2O3, CoO, MnO2, PbO, K2O, Na2O, Al2O3 , B2O3 , SnO2, Li2O, CaO, MgO, ZnO... 1.1.3.2 Gia công và chuẩn bị phối liệu - Nghiền: là quá trình nghiền có tác dụng trộn, làm tăng diện tích bề mặt hạt vật liệu tránh sự kết tụ lại, ngoài ra nó còn tăng mức hoạt hóa bề mặt vật liệu và làm đồng nhất phối liệu do kết hợp trộn nguyên liệu đồng thời trong máy nghiền. Trong tự nhiên đất sét có độ mịn cao hơn các loại nguyên liệu khác, còn tràng thạch nói chung có thể có cỡ hạt thô hơn cát do đóng vai trò là chất chảy. Thường phải tiến hành nghiền theo nhiều giai đoạn: nghiền thô, nghiền nhỏ và nghiền mịn. Độ mịn Nghiên cứu chất điện giải trong gốm sứ GVHD: Nguyễn Việt Bách 7 cần thiết cho nguyên liệu sau khi nghiền thường được xác định bằng cách cho qua hết sang 1000 lỗ/cm2 - Chuẩn bị phối liệu: để chuẩn bị phối liệu tốt đòi hỏi hai yêu cầu cơ bản. thứ nhất, đạt độ chính xác cao nhất về thành phần hóa học và tỉ lệ các cỡ hạt, thành phần phối liệu và các tính chất kỹ thuật của nó để sản phẩm sau nung đảm bảo đúng tính chất mong muốn. Thứ hai, đạt độ đồng nhất cao về thành phần hóa, thành phần hạt, lượng nước tạo hình thích hợp, chất điện giải, phụ gia Muốn đạt tới yêu cầu đó cần tìm hiểu thật kỹ về các đặc tính của các loại nguyên liệu. Căn cứ vào chỉ tiêu chất lượng từng loại sản phẩm cần sản xuất để tính phối liệu từ nguyên liệu, lựa chọn dây chuyền và công nghệ tối ưu. - Kiểm tra kỹ thuật: mỗi giai đoạn trong quá trình gia công chuẩn bị phối liệu đều phải qua kiểm tra kỹ thuật một số chỉ tiêu cơ bản như: độ chính xác và đồng nhất về thành phần hóa, thành phần hạt, độ ẩm, độ dẻo, cường độ mộc, độ co sấy, màu sắc đất mộc sau nung, tính chất phối liệu sau nung, đối với hồ đổ rót cần kiểm tra them độ lưu động và tỉ trọng của hồ 1.1.3.3 Tạo hình Với các sản phẩm dùng nguyên liệu đất sét như gốm sứ ta có thể phân loại các phương pháp tạo hình sau: - Tạo hình từ huyền phù đổ rót: các sản phẩm ceramic thường được tạo hình bằng phương pháp đổ rót hỗn hợp phối liệu dạng huyền phù vào khuôn thạch cao, hoặc các khuôn chất dẻo. Huyền phù đổ rót chứa một lượng nước rất lớn khoảng 40 – 50% trong đó có hoặc không có đất sét. - Tạo hình dẻo: phương pháp tạo hình dẻo bao gồm vuốt bộ trên bệ quay, gắn ráp trong khuôn thạch cao, xoay trên máy bàn tua dao bản, ép dẻo bằng các loại máy ép với độ ẩm của phối liệu từ 22 – 26%. - Ép: từ hỗn hợp bột khô (≤ 3%) hoặc hơi ẩm (4 – 9% nước) cho vào khuôn kim loại, ép nóng với áp suất cao vừa đủ sẽ tạo một khối sít đặc và rắn chắc. Sau đó cắt gọt bán sản phẩm (mài, phay, tiện), do các ceramic rất dòn và cứng nên các phương pháp này ít dùng. Chỉ áp dụng với một số quá trình đặc biệt, hoặc với những vật liệu mới Nghiên cứu chất điện giải trong gốm sứ GVHD: Nguyễn Việt Bách 8 đòi hỏi mức chính xác cao về kích thước sản phẩm. Phương pháp này phổ biến với các sản phẩm gốm sứ hiện đại. 1.1.3.4 Sấy Mục đích của quá trình này là loại bỏ nước lý học hay hóa học. Bao gồm nước hấp phụ, nước hydrat và nước trương nở ở các khoáng sét ba lớp. Quá trình sấy được đặc trưng bởi những yếu tố sau: sự thay đổi nhiệt độ của bán thành phẩm, hàm ẩm của nó, sự thay đổi tốc độ sấy, thời gian sấy, sự phát sinh hiện tượng co ngót và các ứng suất co ngót. Sự điều chỉnh cường độ bốc hơi nước ở những giai đoạn sấy khác nhau được đặc trưng bằng một chế độ sấy thích hợp. Đó là tổng hợp các biện pháp nhằm đảm bảo thời gian nhỏ nhất cần thiết để sấy sản phẩm có tính đến những tính chất, hình dạng kích thước của chúng và những đặc điểm của thiết bị sấy, cũng như cách đưa nhiệt đến sản phẩm một cách hợp lý với tổn thất nhiệt nhỏ nhất và hư hỏng sản phẩm ít nhất. Thông thường sấy sản phẩm gốm sứ bằng phương pháp sấy đối lưu. Động lục sấy là hỗn hợp khí được gia nhiệt bằng hơi nước bảo hòa. 1.1.3.5 Trang trí sản phẩm Để trang trí sản phẩm gốm sứ người ta có thể dùng phương pháp tráng men hoặc phun men. - Tráng men: xương được làm sạch bề mặt rồi nhúng vào huyền phù men. Nhờ độ xốp của xương rất cao, huyền phù bị hút bám một lớp mỏng trên bề mặt xương. Khi nung lớp này sẽ nóng chảy thành men. Với một số sản phẩm, men được dội, xối lên bề mặt xương. - Phun men: huyền phù men được phun thành lớp bụi rất đều và độ dày vừa phải bám lên bề mặt xương mộc. Phun men cho năng suất và chất lượng cao, tiết kiệm nguyên liệu. Huyền phù men thường có các cấu tử giống như các cấu tử của xương gốm sứ, nhưng mịn hơn và có 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 một lớp thủy tinh mỏng chảy láng trên bề mặt thành phẩm. Nghiên cứu chất điện giải trong gốm sứ GVHD: Nguyễn Việt Bách 9 1.1.3.6 Nung - Vai trò của quá trình nung: là khâu rất quan trọng trong kỹ thuật sản xuất gốm sứ vì nó ảnh hưởng đến chất lượng và giá thành sản phẩm. - Cơ sở lý thuyết của quá trình nung: sản phẩm gốm sứ chỉ nung đến kết khối, quá trình nung là không thuận nghịch và hầu như không đạt cân bằng pha. Quá trình nung kéo theo những biến đổi vật lí và phản ứng hóa học. - Hiện tượng kết khối: là quá trình làm giảm bề mặt của các phân tử vật chất do xuất hiện mối liên kết giữa các hạt, do sự biến mất lỗ xốp trong vật liệu để hình thành khối vật thể có thể tích bé nhất. Các dấu hiệu đánh giá kết khối là sự co rút, giảm thể tích, thay đổi độ hút nước, tăng trọng lượng riêng và tăng độ bền cơ của vật liệu sau khi gia nhiệt. Dưới tác dụng nhiệt độ tăng dần, trong phối liệu dạng bột sẽ xảy ra một loạt quá trình hóa lý phức tạp như: tách ẩm, biến đổi thù hình, phản ứng hóa học ở pha rắn, pha lỏng xuất hiện và tham gia quá trình biến đổi hóa học hoặc lý học Các quá trình này xảy ra phức tạp và khó tách biệt. Động lực của quá trình kết khối là sự giảm năng lượng tự do bề mặt giữa các hạt tiếp xúc với nhau. Giai đoạn đầu của kết khối gắn liền với sai sót dạng lỗ trống trong cấu trúc tinh thể. Nếu kết khối có mặt pha lỏng có thể sẽ chảy tràn vào lấp kín các lỗ xốp hoặc bao quanh hạt rắn, làm tăng quá trình khuếch tán ở vị trí tiếp xúc. Điển hình cho quá trình kết khối có mặt pha lỏng và những biến đổi hóa lý ph