TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BÀI GIẢNG CÔNG NGHỆ GỐM SỨ Giảng viên : HỒ THỊ NGỌC SƯƠNG TP Hồ Chí Minh - Năm 2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM – KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Chương TỔNG QUAN VỀ GỐM SỨ 1 GIỚI THIỆU VỀ GỐM SỨ (CERAMIC) Công nghệ sản xuất gốm sứ mang tính thực nghiệm, nguyên liệu phần lớn dạng tự nhiên lao động thủ công đóng vai trò to lớn tồn quan điểm xem ceramic trình sản xuất sản phẩm gốm thô, đất nung , gốm mỹ nghệ… Đặc trưng trình công nghệ trình nghiệt độ cao Khái niệm gốm sứ hiểu theo công nghệ sản xuất Các sản phẩm gốm sứ sản xuất từ nguyên liệu dạng bột mịn, tạo hình đem nung đến kết khối nhiệt độ cao 1.2 PHÂN LOẠI CÁC SẢN PHẨM GỐM SỨ Có nhiều cách phân loại sản phẩm gốm sứ, ví dụ gồm cách phân loại sau: - TP hóa pha gồm có hệ Al2O3.SiO2 , hệ MgO SiO2 , hệ Al2O3.SiO2.CaO, hệ thủy tinh - Độ xốp vật liệu gồm có vật liệu xốp, vật liệu sít đặc, vật liệu kết khối Cấu trúc hạt vật liệu gồm có gốm thô, gốm mịn, gốm đặc biệt Công dụng vật liệu gồm có gốm xây dựng, gốm mỹ thuật, gốm kỹ thuật,… Thành phần khoáng sản phẩm gồm có gốm mulit, gốm corund,… Truyền thống hình thành gồm có sành, đất nung, bán sứ, sứ Tuy nhiên sâu tìm hiểu cách phân loại theo cấu trúc hạt vật liệu, chia gốm thành ba loại: 1.2.1 Gốm thô KỸ THUẬT GỐM SỨ Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM – KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Còn gọi gốm xây dựng, phần lớn loại sản phẩm nhóm dùng làm vật liệu xây dựng, gồm lọai gạch ngói, vật liệu nhẹ nhân tạo, sành dạng đá 1.2.1.1 Gạch ngói Được dùng xây dựng, yêu cầu chất lượng tốt, giá thành thấp Có yêu cầu kỹ thuật đạt tiêu nhà nước như: - Gạch xây, độ bền chống nén quan trọng Yêu cầu 80kg/cm Hệ số hóa mềm ≥0.8 - Ngói, độ bền chống uốn tiêu quan trọng, cần đạt σuốn ≥ 70kg/viên - Độ hút nước -14% Bên cạnh đó, kích thước, độ cong vênh ngói đáng quan tâm 1.2.1.2 Vật liệu nhẹ nhân tạo Keramzit loại phụ gia nhân tạo để sản xuất bêtông nhẹ, có khả cách nhiệt tốt dùng làm panel xây tường Nếu nhà làm bê tông nhẹ giảm 50% trọng lượng nhà, tường panel keramzit mỏng ½ lần, sức lao động giảm 10 lần so với tường xây gạch Cấu trúc keramzit vật thể xốp có nhiều lỗ xốp nhỏ hình cầu ngăn cách màng thủy tinh mỏng Khối lượng keramit phụ thuộc vào độ phồng nguyên liệu Nguyên liệu chủ yếu sản xuất keramzit đất sét có chứa nhiều khoáng monmorilonit Yêu cầu nung keramzit phải nung nhanh 1.2.1.3 Sành dạng đá Có độ sít đặc cao, độ cứng lớn, cấu trúc mịn, xương không màu hay màu nâu Nhóm sản phẩm gồm gạch clinke, lát nền, ống dẫn thoát nước, sành dân dụng chum, vại… 1.2.2 Gốm mịn KỸ THUẬT GỐM SỨ Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM – KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Có xương kết khối cao, độ xốp bé, cấu trúc mịn thường bọc lớp men mỏng đẹp Được sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác dân dụng, mỹ nghệ, xây dựng, ngành công nghiệp khác Sản phẩm phân thành ba nhóm sành mịn, bán sứ, sứ 1.2.2.1 Sành mịn Là mặt hàng thông dụng sinh hoạt hàng ngày, gồm dụng cụ gia đình, hàng mỹ nghệ, gạch men, sành vệ sinh… 1.2.2.2 Bán sứ Tùy theo hàm lượng tràng thạch, bán sứ có xương không trong, chí có mầu sẫm Sản phẩm loại kết khối tốt, cường độ học cao, song độ kém, phần lớn mặt hàng dày Mặt hàng nung lần hai lần Nhiệt độ nung 1230 – 12900C Có thể hàng dân dụng Công nghệ sản xuất bán sứ giống hệt sản xuất sứ mềm 1.2.2.3 Sứ Là sản phẩm chứa đất sét, cao lanh, cát tràng thạch nung kết khối tạo xương tương đối trắng ( China) Độ cứng theo thang Mohs 6-7 , bền cơ, bền điện, bền nhiệt, bền hóa Có loại: Sứ dân dụng sứ mỹ nghệ, sứ vệ sinh, sứ hóa học, sứ cách điện cao 1.2.3 Gốm đặc biệt Là loại gốm có nhiều tính chất đặc biệt độ chịu lửa cao, độ bền bền hóa cao, có nhiều tính chất điện đặc biệt khác Gốm đặc biệt gồm loại: - Gốm đơn oxyt : Gốm corindon, gốm zircon, … - Sứ radio KỸ THUẬT GỐM SỨ Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM – KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC - Gốm bán dẫn - Gốm từ tính - Hợp kim – Gốm …  Gốm đơn oxyt Là loại sản phẩm làm loại oxyt có độ chịu lửa cao Oxyt dạng nguyên liệu tự nhiên hay nhân tạo Gồm loại gốm corindon, gốm zircon, gốm beri, gốm magiê … Gốm corindon Gốm corindon ( α – Al2O3) có tính chất sau: - Nhiệt độ chảy: 20500C - Khối lượng riêng 3.99 – (g/cm3) - Độ cứng thang Mohs : - Độ bền học nhiệt độ thường ép 30000 KG/ cm2 uốn 5000 KG/ cm2 Gốm corindon sử dụng lĩnh vực khác nhau, gạch chịu lửa corindon dùng lò điện nấu thép, lò silicat ngành công nghiệp khác Nồi chén coridon dùng để nấu kim loại oxyt nhiệt độ cao Trong ngành khí, sử dụng dao tiện corindon ưu việt loại dao khác Trong kỹ thuật vô tuyến điện tử, gốm corindon dùng làm vỏ cách nhiệt đèn chân không, đế đèn điện…Trên máy bay tên lửa, gốm corindon dùng để lót buồng máy động phản lực làm ống phun lửa, làm lớp mạ chịu nhiệt độ cao bảo vệ kim loại Mặt khác gốm corindon dùng làm đồ trang sức Gốm zircon Gốm zircon có nhiệt độ nóng chảy cao, khoảng 27000C Nhiệt độ biến dạng tải trọng 1.75kg/cm2 khoảng 2100 – 22500C Gốm zircon có độ bền cao, đến 30 lần đốt nóng 8000C làm nguội nước lạnh Cường độ ép ( nhiệt độ thường) khoảng 20000kg/cm2 Có độ bền hóa cao, nhiệt độ thường bền với loại khí Ở nhiệt độ KỸ THUẬT GỐM SỨ Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM – KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC cao(20000C) không tác dụng với kim loại kiềm, cacbonat, axit( trừ H 2SO4, HF) Dùng làm chén nung nấu chảy kim loại ( iridi 1440 0C), dùng nấu chảy platin 30 lần Sản phẩm dùng để lót lò nhiệt độ cao Sản phẩm Zircon ổn định lò nấu thép chịu 1200 lần nấu mà không cần sửa chữa Zircon oxyt dùng làm lớp mạ chịu nhiệt độ cao chống bào mòn cho chi tiết động phản lực 1.3 TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA GỐM SỨ 1.3.1 Tính chất Các sản phẩm gốm sứ có cường độ học cao, bền nhiệt gốm zircon chịu đựng nhiệt độ 18000C, bền hóa, bền điện Ngoài số loại gốm kỹ thuật có tính chất tính áp điện, tính bán dẫn độ cứng cao sau kim cương ví dụ gốm corindon có độ cứng theo thang Mohs 1.3.2 Ứng dụng Sản phẩm gốm sứ sử dụng lĩnh vực - dân dụng: chum, vại, chén ,tách… Xây dựng : gạch, ngói,… Kỹ thuật điện điện tử: Cầu chì, tụ điện,… Vô tuyến điện tử : làm vỏ cách nhiệt đèn chân không, đế đèn điện… Tự động hóa: Dao mài khí, sản xuất xe máy Y học : giả ( Zircon oxyt) Chương KỸ THUẬT GỐM SỨ Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM – KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC NGUYÊN LIỆU 2.1 NGUỒN NGUYÊN LIỆU 2.1.1.Nguồn nguyên liệu thiên nhiên 2.1.1.1 Đất sét Là nguyên liệu đất chứa nhóm khoáng alumo – silicat ngậm nước, có cấu trúc lớp (khoáng sét) với độ phân tán cao Các khoáng gồm: - Khoáng caolinhit: Al2(Si2O5)(OH)4 - Khoáng halloysit: Al2(Si2O5)(OH)4 2H2O - Khoáng montmorillonit: Al2(Si2O5)2(OH)2 - Khoáng pirophilit : Al2(Si2O5)2(OH)2 - Khoáng illit( mica) Thành phần hóa đất sét nằm giới hạn: SiO2 : 43 – 56% Al2O3 : 30 – 38% Fe2O3 : 0.1 – 1.5% MKN :10 – 15% Tính dẻo đất sét giải thích theo hai hướng, thành phần có khoáng có tính dẻo montmorillonit, halloysit đất sét có tính dẻo Mặt khác kích thước hạt nhỏ ( thuộc hệ keo) đất sét có tính dẻo Đất sét nguyên liệu cung cấp SiO2, Al2O3 , có vai trò quan trọng sản xuất vật liệu silicat, thành phần xương sứ cổ điển Tùy theo thành phần khoáng mà đất sét có nhiều tên gọi khác bentonite ( thành phần chứa chủ yếu khoáng montmorillonit), kaolanh(caolinhit),… a>Bentonite KỸ THUẬT GỐM SỨ Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM – KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Là đất sét, khoáng montmorillonit, cỡ hạt mịn bentonite dẻo, dùng làm chất bôi trơn mũi khoan khoan địa chất Trong công nghệ gốm sứ bentonite dùng với hàm lượng từ -4%, với lý phối liệu nhiều bentonite có tính dẻo cao dễ tạo hình, nhược điểm độ co rút lớn sấy dễ gây biến dạng sản phẩm b>Cao lanh Thành phần khoáng caolinhit, tính dẻo thực tế cao lanh có dẻo cao lanh có lẫn khoáng dẻo (halloysit), có lẫn hạt mịn Cao lanh dùng chung với đất sét để làm xương gốm sứ, nâng cao độ bền cho xương Mặt khác cao lanh dùng men, tạo độ ổn định cho men, chống lắng cho men c>Pirophilit Cũng đất sét, khoáng pirophilit.Thực tế, pirophilit bị xếp vào nhóm talc có thay đồng hình cấu trúc Bảng – Thành phần hóa học nguyên liệu SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO Na2O+ K2 O MKN Cao lanh (Lý thuyết) 46.6 39.5 13.9 Cao lanh (nóng chảy) 44.52 34.39 0.3 – 1.0 0.1 – 1.0 0.2 – 1.2 0.1 – 0.7 0.1 – 0.5 Đất sét chịu lửa 57.5- 68.3 31 - 38 0.6 -3.0 0.1 – 1.5 11 – 13.5  Xác định cỡ hạt đất sét: KỸ THUẬT GỐM SỨ Trang Đất sét Đất sét xốp làm sành 45 – 60 45 – 75 24 – 38 15 - 37 0.5 – 1.2 0.7 – 4.5 0.1 – 1.3 0.1 – 1.0 0.1 – 2.0 0.1 – 2.0 Đất sét làm gạch 60 -80 – 20 – 15 10 - 15 3–5 – 18 0–3 3–1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM – KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC -Theo phương pháp sàng : Đây phương pháp học đơn giản Người ta dùng sàng với kích cỡ mắt sàng khác để phân loại hạt đất sét Phương pháp không hiệu với loại hạt kích thước nhỏ 10µm Thực tế, thường phân loại phương pháp ướt -Theo phương pháp lắng: nguyên tắc dựa vào định luật Stốc Tốc độ lắng hạt nhỏ môi trường chất lỏng( nước) tỷ lệ với kích thước hạt CT (SGK Đỗ Quang Minh) Đo tốc độ lắng hạt, sau tính kích thước hạt Đây phương pháp thực tế dùng để xác định cỡ hạt đất sét Trong thực tế, giá trị đo bị sai số ( hạt đất sét hình cầu, độ nhớt môi trường biến đổi, tỷ trọng hạt khác nhau…) Phương pháp xác định kích thước hạt máy Laser 2.1.1.2 Nguyên liệu cung cấp SiO2 a> Cát Cát nguyên liệu cung cấp SiO2 ( 95 – 99.5%), thành phần lẫn nhiều tạo chất (Fe2O3 ) cát bị nhuộm màu Hình – Sự biến đổi thù hình cát quartz KỸ THUẬT GỐM SỨ Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM – KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Trong cát, SiO2 dạng thù hình bền nhiệt độ thấp (β–quartz) Khi biến đổi thù hình, thể tích riêng biến đổi lớn dẫn đến nứt vỡ sản phẩm Do để nghiền cát, người ta đem nung cát sau làm nguội nhanh, nghiền Những vết nứt hạt cát biến đổi thể tích đột ngột gây nên làm trình nghiền trở nên dễ dàng Cát dùng hạn chế xương gốm sứ, dùng nhằm tăng độ bền cơ, nhiên dùng nhiều khó khăn việc tạo hình( dễ phân lớp), dễ gây vết nứt cho xương Mặt khác, cát dùng men nhằm cung cấp thêm oxit silic b>Quartzite Là loại đá, thành phần có tinh thể quắc hình tròn axit silicic vô định hình làm chất kết dính Có hai loại quarzite tinh thể quartzite vô định hình Quarzite tinh thể có tính chất phản quang tốt, óng ánh, độ rắn theo thang Mohs 7, có màu xám đen, hồng tím (tùy hàm lượng tạp chất) Quartzite vô định hình có tính chất màu vàng xám, không phản quang, độ rắn theo thang Mohs -7 Có thể tồn quắczit tinh thể quartzite vô định hình, hàm lượng tinh thể vô định hình quắczit khác thành phần hóa không khác nhiều Có ứng dụng làm VLCL Đinas chứa SiO2 vô định hình, biến đổi thể tích, chứa tạp chất Đá quắczit dùng làm bi nghiền máy nghiền ướt 2.1.1.3 Tràng thạch a> Tràng thạch Là hợp chất silicat – alumin không chứa nước, thành phần có Na2O, K2O, CaO Công thức hóa: Na2O, Al2O3.6SiO2 , tràng thạch natri ( sodium feldspar) K2O, Al2O3.6SiO2 , Tràng thạch kali ( potash feldspar) CaO, Al2O3.6SiO2 , tràng thạch canxi ( cancium feldspar) KỸ THUẬT GỐM SỨ Trang 10 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM – KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC hay hao mòn Hơn nữa, việc không bảo quãn kỹ lưỡng chịu nhiệt độ cao đặc tính quý báu gạch ceramic Tùy vào yêu cầu sử dụng mà người ta phân biệt gạch ốp tường hay gạch lát Hiện nước ta có nhiều nhà máy gạch ceramic Đồng Tâm, Ý Mỹ, Nhà Ý, Royal, Kim Phong, Bạch Mã cung cấp cho thị trường nước hàng triệu viên/ năm Ngày gạch ceramic sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhau, đòi hỏi gạch ceramic phải có tính chất định độ bền hóa, độ bền học, độ hút nước… - Gạch lát nền: Yêu cầu có độ bền chống mài mòn cao, khả chống trơn trượt - định, độ hút nước thấp Gạch ốp tường: Yêu cầu độ hút nước thấp ( ốp bên ngoài), có khả chống băng giá, độ bền nhiệt cao 8.3.2 Nguyên liệu sản xuất - Cao lanh đất sét: Tùy theo điều kiện nguyên liệu, thói quen thị trường, có nơi dùng cao lanh, đất sét trắng để sản xuất gạch men với xương màu trắng, xám trắng, có nơi sử dụng đất sét đỏ để chế tạo xương đỏ chu Xu xương đỏ phát triển rẻ tiền, dễ kiếm Tuy nhiên nguồn sét không ổn định nên nhà máy sản xuất phải có kho chứa lớn bãi trung gian, nhằm hạn chế sai sót sản phẩm - Cát: Đưa vào phối liệu với phần nhỏ, nhằm giảm co ngót sản phẩm - Frít loại: Trong, đục, matt Muốn có loại sản phẩm mong muốn, người ta cần phải chọn loại frit cho phù hợp - Màu pigment: Xanh, đỏ, vàng - Bột làm mực in :bột frit mịn - ZrSiO4 - Tràng thạch - Talc KỸ THUẬT GỐM SỨ Trang 69 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM – KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC 8.3.3 Qui trình công nghệ 8.3.3.1 Nung nhanh lần Sản phẩm Phối liệu Đóng gói Kiểm tra Lò nung tunel Nghiền ướt In lụa Sấy phun Ép KỸ THUẬT GỐM SỨ Gạch mộc Sấy Trang 70 Tráng engob Tráng men TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM – KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC 8.3.3.2 Nung truyền thống – nhanh hai lần Sản phẩm Phối liệu Kiểm tra Đóng gói Lò nung tunel Nghiền ướt In lụa Sấy phun Ép Gạch mộc Sấy Nung non Tráng engob Tráng men 8.3.4 Thuyết minh qui trình công nghệ 8.3.4.1 Phối liệu mộc Đất sét loại: 90 ÷ 93% Phế phẩm: 5% Cát: 2÷3 % , cao 5% 8.3.4.2 Nghiền liệu Phối liệu đưa vào cối nghiền, sau bơm qua sàng 40 ( khử từ) vào bể chứa Từ bể chứa bơm vào bồn trung gian Từ bồn trung gian bơm Pitông bơm lên tháp sấy phun Sau khỏi cối nghiền, phối liệu có tính chất: - Độ nhớt: 20 – 40s ( 100ml) - Sót sàng 250 mesh: 8kg/cm2 8.3.4.5 Sấy bán sản phẩm Sau sấy: - Ẩm