علم سرامیک

چکیده : تحقیق حاضر به بررسی جایگزینی اکسیدروی نانو در ترکیب لعاب مونوپروزا پرداخته است. اکسیدروی مورد استفاده، قبلا به روش مکانوشیمیایی تهیه شده بود. مقایسه صورت گرفته بین لعاب حاوی اکسیدروی معمولی و لعاب حاوی اکسیدروی نانو، نشان از یک بهبود کلی در بعضی از پارامترهای مطلوب لعاب دارد. افزایش نسبی سفیدی ضمن حفظ ضریب انبساط حرارتی و مقاومت شیمیایی از پارامترهای مطرح می باشند.

تصاویر SEM ضمن تائید چسبندگی مناسب لعاب به انگوب، افزایش میزان ذرات ریز نامحلول لعاب را نیز تائید می کند. درصد بالاتر اکسیدروی فاز زمینه گزارش شده در آنالیز نقطه ای (EDAX) نیز مبین انحلال و پراکندگی مناسب اکسیدروی نانو در زمینه لعاب می باشد.

محقق: داود قهرمانی(۱) ، مجتبی عزیزی(۲)، محمدحسن امین(۳)

۱- مقدمه

سرامیک های کف و کاشی های دیوار سیستم های چندلایه ای هستند که هر لایه از طریق واکنش های حالت جامد و تبدیل های فازی در مخلوطی از پودرها بدست آمده است. لایه سطحی که مخلوطی آمرف از اکسیدها و افزودنی های غیرآلی       می باشد لعاب نامیده می شود.[۱]

لعاب، زیبایی ظاهری کاشی را تامین کرده و چون سطح واسط میان محیط و بدنه سرامیکی است، بخش عمده فشارهای وارد شده از محیط را تحمل می کند. بنابراین خصوصیات لعاب بر روی نحوه و زمان کارکرد کاشی تاثیر بسیار زیادی دارد.[۲]

اکثر لعابهای سفیدی که برای پوشش کاشی کف و دیوار به کار می روند حاوی زیرکونیوم می باشند. در این لعابها کدری در نتیجه تبلور چندین فاز بلوری از جمله سیلیکات زیرکونیوم در طول مرحله پخت محصول سرامیکی حاصل می شود.[۳]

همزمان بودن پخت بدنه و لعاب کاشی مونوپروزا باعث می شود برای رسیدن به کیفیت بهتر کاشی به نکاتی توجه شود:

مرحله اول(A) افزایش دما در منطقه پیش گرم کن با سرعت کمتر و پس از عبور از منطقه تغییرات فازی کوارتز با سرعت بیشتری صورت می گیرد. این مرحله نیاز به حدود ۱۲ دقیقه زمان دارد. چون سوختن مواد آلی بین ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد است پس در حضور آنها باید این مرحله به آرامی صورت گیرد (شکل ۱).

سپس در دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد برای خروج مواد فرار از بدنه و نیز ایجاد تخلخل مورد نیاز در بدنه از سرعت گرم کردن کاسته می شود. معمولا خروج CO2 از دمای ۷۰۰ درجه سانتیگراد اغاز شده و تا ۸۷۰ درجه سانتیگراد ادامه می یابد که بیشترین سرعت آن حوالی ۸۲۰ درجه است. در محدوده دمایی ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتیگراد بایستی کلیه مواد فرار و گازهای ناشی از تجزیه کربناتها که بطور معمول  CO2می باشد در فاصله زمانی ۱۰ دقیقه خارج گردند.[۳]

شکل۱- منحنی پخت کاشیهای مونوپروزا [۵]

ویژگی لعاب کاشی مونوپروزا این است که نباید قبل از خروج مواد فرار سیستم نرم شود یعنی نباید ذوب شدن لعاب مانع خروج مواد فرار گردد. پس لعاب کاشی مونوپروزا باید دارای نقطه نرم شوندگی بالا باشد اما پس از شروع به ذوب باید سریعا ویسکوزیته اش کاهش یابد، یعنی باید تاخیر در ذوب را با کاهش شدید ویسکوزیته جبران نماید.

تفاوت کلی بین لعاب مونوپروزا و لعاب دو پخت سنتی به اکسیدهای CaO ,B2O3 ,ZnO ,K2O Na2O مربوط می گردد:

چون CaO در دمای پایین ویسکوزیته را افزایش داده و در دمای بالا آنرا کاهش می دهد، اکسید مناسبی جهت لعاب کاشی مونوپروزا می باشد. ZnO رفتاری شبیه CaO دارد و برای کاربرد در لعاب مونوپروزا مناسب است چون از حلالیت ZrO2 جلوگیری کرده و اپک شدن را افزایش می دهد و از طرف دیگر جلای لعاب را بهبود می بخشد. [۴ و ۵]

B2O3 از اکسیدهایی است که از آن باید کم استفاده شود، چون نقطه نرم شوندگی لعاب را شدیدا کاهش می دهد. با توجه به فراریت اکسید بور در دمای بالاتر از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد همواره کاهش مقدار این اکسید در هنگام ساخت فریت وجود دارد. چون پخت کاشی های مونوپروزا معمولا در دمای ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد صورت می گیرد، امکان تبخیر اکسید بور در این دما، هر چند پخت سریع است، وجود دارد که باعث بروز عوارضی از قبیل ناهموار شدن سطح لعاب می گردد.

استفاده از  K2Oدر لعاب مونوپروزا مفید است، چون این اکسید کشش سطحی کمی داشته و پینهول را کاهش می دهد.

استفاده از Na2O در لعاب مونوپروزا توصیه نمی شود چون نقطه نرم شوندگی لعاب را به شدت کاهش می دهد. باید به این نکته توجه داشت که Na2O و K2O در کنار هم با تشکیل یوتکتیک نقطه نرم شوندگی لعاب را شدیدا کاهش می دهند، به همین دلیل حضور همزمان این دو اکسید در لعاب مونوپروزا توصیه نمی شود.[۴ و ۵]

با توجه به نقش مهم اکسیدروی، پروژه حاضر به بررسی استفاده از اکسیدروی میکرون در مقایسه با اکسیدروی نانو پرداخته است.

۲- فعالیتهای تجربی

اکسیدروی میکرون دارای اندازه ذرات ۴۰ تا ۵۰ میکرون و سایز ذرات نانو اکسیدروی ۲۴ تا۳۰ نانومتر در طی انجام تست BET  برآورد شده است.

از جمله روشهای مختلف تولید نانو اکسیدروی می توان به روش رسوب بخار شیمیایی، روش سل ژل پیرولیز پاششی که از روشهای سنتز فاز گازی می باشد و همچنین روش مکانوشیمیایی نیز اشاره کرد. نانو اکسیدروی مصرفی در این پروژه، به روش مکانوشیمیایی توسط شرکت فناوران کاتالیست ساخته شده است.

مواد اولیه مصرفی برای تهیه فریت مونوپروزا شامل موارد موجود در جدول(۱) می باشد. طبق فرمول زگر جدول(۲)، دو فرمول یکسان، یکی با اکسیدروی میکرون شکوهیه (R) و دیگری با اکسیدروی نانو (S) تهیه و داخل بوته های آلومینایی ریخته شدند و بعد از پخت در دمای ۱۴۵۰ درجه سانتیگراد با سرعت حرارت دهی ۱۰درجه سانتیگراد بر دقیقه و نگهداری ۳۰ دقیقه در ماکزیمم دما، از داخل کوره خارج و در آب سرد ریخته شدند (پخت دو فرمول همزمان و تبرید نیز همزمان صورت گرفت) و بدین ترتیب فریت ها تهیه و سپس داخل خشک کن خشک شدند.

سپس هر دو فریت پس از توزین به همراه ۳/۰ درصد تری پلی فسفات سدیم (TPP) (به عنوان روانساز)، ۱۰درصد کائولن زدلیتز (جهت تعلیق پذیری دوغاب لعاب)، ۰۵/۰ درصد چسب کربوکسی متیل سلولز (CMC) و نیز ۴۰ درصد آب، توسط فست میل تحت سایش تر قرار گرفت تا مانده روی الک ۴۵ میکرون هر فرمول به حدود پنج درصد رسید و نیز دانسیته جهت اعمال بر روی بدنه انگوب (لعاب آستری) خورده، gr/cm3 85/1 تنظیم شد. توسط ابزار اسلش دو محفظه ای (Orifice یا اصطلاحاً لعاب زن خطی) این دوغابها تحت شرایط یکسان بر روی بدنه های خام انگوب خورده اعمال گردید و سپس جهت خشک شدن در خشک کن قرار گرفت.

پس از خشک شدن، نمونه ها داخل کوره رولری شرکت کاشی نارین میبد تحت دمای ۱۱۱۰درجه سانتیگراد و سیکل ۴۸ دقیقه (کوره ۹۵ متری شرکت سیتی ایتالیا) پخت شدند.

کاشی های پخت شده به منظور بررسیهای تست های شیمیایی، طیف سنجی، اندازه گیری ضریب انبساط حرارتی، تست شوک حرارتی، تست اتوکلاو و نیز بررسیهای فازی تهیه شدند.

همچنین از کاشیهای پخت شده به منظور بررسیهای ریزساختاری مقطع عرضی تهیه و مانت گردید. به منظور اندازه گیری ضریب انبساط حرارتی لعاب، دستگاه دیلاتومتری (NETZSCH, DIL 402) استفاده شد و ابعاد نمونه های مورد آزمایش mm4450 بود. از دستگاه طیف سنج (GRETAG MACBETH-CFX) جهت بررسی شدت سفیدی هر نمونه استفاده گردید. شناسایی فازها توسط دستگاه پراشگر پرتو ایکس (Simens, model D-500) صورت پذیرفت. بررسیهای میکروسکوپی بر روی نمونه ها نیز با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی ساخت شرکت فیلیپس (Philips) از کشور هلند و مدل XL30 بود.