علم سرامیک

چكيده:
در لعاب كاشي مونوپروزا در مقايسه با لعاب كاشي‌ دو پخت بايد كشش سطحي و ضريب انبساط حرارتي پايين‏تر ولي نقطة نرم شوندگي و واكنش‌پذيري بالاتر باشد. در اين تحقيق چهار لعاب شامل يك لعاب مبنا و سه لعاب منشعب از آن با متغير اكسيدهاي ZnO،MgO،CaO انتخاب شدند. با اعمال و پخت لعاب‏ها در دماي 1120 درجه سلسيوس و در شرايط صنعتي ظهور و شدت پين‏هول در آن‏ها بررسي گرديد. با استفاده از تنش سنج لعاب (Glaze stress tester) نوع تنش موجود در لعاب مشخص و نقطه نرم‏شوندگي تقريبي لعاب‏هاتعيين و بايكديگر مقايسه شدند.
واژه كليدي:مونوپروزا - تنش لعاب - نقطه نرم شوندگي - پين هول

 

 

 

1- مقدمه
اوايل دهه 1970 و مصادف با بحران انرژي استفاده از كوره‌هاي تونلي رولري به جاي كوره‌هاي تونلي سنتي مورد توجه قرار گرفتند. به اين ترتيب امكان پخت بدنه‌هاي كاشي كف در 45 تا 60 دقيقه فراهم شد[1].
ويسكوزيته لعاب كاشي مونوپروزا بايد در دماي پايين و به ويژه حوالي نقطه نرم‏شوندگي، بالا ولي در دماي بالا و شروع به ذوب بايد سريعاً كم گردد. يعني بايد تأخير در ذوب را در ابتداي ذوب با كاهش شديد ويسكوزيته در مرحله ذوب نهايي جبران نمود. با جايگزيني اكسيد‏هاي قليايي در لعاب توسط ZnO, MgO و CaO مي‏توان به اين هدف رسيد[2]. لعاب در مراحل پخت نهايي بايد ضمن پايين بودن ويسكوزيته‏اش داراي كشش سطحي كمي باشد تا به خارج شدن حباب‏هاي گاز موجود در لعاب كمك كند[3].
تفاوت كلي بين تركيب لعاب مونوپروزا و لعاب دو پخت سنتي به حضور اكسيدهايCaO, MgO, ZnO, B2O3, K2O, Na2O مربوط مي‌گردد. چون CaO در دماي پايين ويسكوزيته را افزايش داده و در دماي بالا آن را كاهش مي‌دهد، اكسيد مناسبي جهت مصرف درلعاب كاشي مونوپروزا مي‌باشد. هم‏چنين ZnO رفتاري شبيه CaO داشته و براي استفاده در لعاب مونوپروزا مناسب است. ضمناً اين اكسيد ضمن افزايش جلاي لعاب از حلاليت ZrO2 در لعاب جلوگيري كرده و اپك شدن لعاب را تقويت مي‌كند.

مونوپورزا B مونوپروزا A دو پخت سنتي اكسيدها
53 53 56 SiO2
8 8 1/8 Al2O3
9 9 6/12 B2O3
8 10 2/2 CaO
3 3 7/0 MgO
ــ ــ 1/7 Na2O
4 4 1/2 K2O
10 8 2/2 ZnO
5 5 5/8 ZrO2

جدول 1- مقايسه لعاب كاشي مونوپروزا و دو پخت سنتي ديوار[4]
بطوركلي از مقدار اكسيدهاي قليايي در لعاب مونوپروزا كاسته مي‏شود‌ زيرا استفاده از Na2O در لعاب نقطه نرم‏شوندگي لعاب را به شدت كاهش مي‌دهد ولي در مقايسه استفاده از K2O در لعاب عوارض كمتري دارد، چون اين اكسيد ضمن كاهش كشش سطحي لعاب در توليد Pinhole شدت كمتري دارد[2]. درجدول 1 آناليز شيميايي لعاب‏های كاشي ديواري دو پخت سنتی و مونوپروزا مقايسه شده‏اند.

2- فعاليت‏هاي تجربي
با توجه به خصوصيات لعاب كاشي مونوپروزا يك لعاب با فرمول زگر مناسب انتخاب شد‌‌[٥]. سپس با كاهش اكسيدهاي قليايي لعاب مبنا و افزايش مقادير مولي ZnO،MgO ،CaO در فرمول زگر آن سه لعاب جديد طراحي وساخته شد. فرمول زگر و كد لعاب‏ها در جدول 2 مشاهده مي‏شود.

جدول 2- فرمول زگر لعاب‏هاي ساخته شده

M1(لعاب مبنا) 138/2 SiO2 173/0 Al2O3 162/0 K2O
 218/0 B2O3 004/0 Fe2O3 421/0 CaO
 296/0 ZrO2  184/0 MgO
 002/0 TiO2  224/0  ZnO  
   009/0 Na2O
M2(بادرصد CaO افزوده)   
 138/2 SiO2 173/0 Al2O3 080/0 K2O
 218/0 B2O3 007/0 Fe2O3 503/0 CaO
 296/0 ZrO2  184/0 MgO
 001/0 TiO2  224/0   ZnO
   009/0 Na2O
M3 (بادرصد MgO افزوده)   
 227/2 SiO2 180/0 Al2O3 083/0 K2O
 227/0 B2O3 007/0 Fe2O3 439/0 CaO
 308/0 ZrO2  236/0 MgO
 001/0 TiO2  233/0  ZnO
   009/0 Na2O
M4 بادرصد)ZnO افزوده)   
 138/2 SiO2 173/0 Al2O3 080/0 K2O
 218/0 B2O3 007/0 Fe2O3 421/0 CaO
 296/0 ZrO2  184/0 MgO
 001/0 TiO2  306/0   ZnO
   009/0 Na2O

 

براي ساخت فريت‏ها از مواد اوليه ميكرونيزه يا عبور كرده از الك مش 170 استفاده شد. توزين مواد اوليه سازنده فريت‏ها با كسر 5 درصد از كائولين جهت افزودن به فريت پخته جهت تعليق با دقت 01/0 گرم صورت گرفت. ذوب فريت‏ها در كورة الكتريكي در دماي 1400 درجه سلسيوس و با سرعت گرم کردن 10 درجه سانتيگراد بر دقيقه صورت گرفت. مذاب فريت‏ها در آب سرد تخليه و پس از خشك كردن در دماي 100 درجه سلسيوس توسط Fast mill نرم‏سايي شدند و از الك مش 230 عبور داده شدند. آناليز شيميايي مواد اوليه مورد استفاده در ساخت لعاب‏ها در جدول3 آمده است.

3- نتايج و بحث
دوغاب لعاب‏ها از فريت‌ها و با وزن ليتر 1800 گرم بر ليتر ساخته شدند. به اين دوغاب 5 درصد كائولن خام بر مبناي خشك كه قبل از پروسه پخت جهت تعليق از بچ برداشته شده بود همراه با 1/0 درصد چسب CMC بر مبناي خشك اضافه شد.
 براي يافتن محدوده دماي كاربرد لعاب‏هاي آزمايشي و همچنين مشاهده محدوده بحراني دماي پخت (بالاتر و پايين‏تر از دماي مناسب كاربرد) از کوره گراديان استفاده شد.
در كوره گراديان با انتخاب هر دماي ماكزيمم يك منحني گراديان حاصل مي‏شود در نتيجه نمونه‏هاي آزمايشي در طول كوره قرارگرفته تحت اختلاف دماي حدود 500 درجه سلسيوس قرار مي‏گيرند.
 دراين تحقيق ماكزيمم دماي كوره 1150 درجه سلسيوس انتخاب شد و منحني گراديان مربوط به اين دما در شكل 1 مشاهده مي‏شود. نتايج پخت لعاب‏ها در كوره گراديان بر اساس منحني پخت آمده در شكل 1 در جدول 4 مشاهده مي‏شود:

 M1 M2 M3 M4
دماي ذوب به درجه سلسيوس 820-800 860-840 840-820 840-820
دماي ظهورحفرات درشت به درجه سلسيوس حدود 1020 حدود 980 حدود 1000 حدود 1000
دماي ظهورحفرات ته‏سوزني به درجه سلسيوس 1130-1000 1100-1000 1110-1060 1110-1050
محدوده دمايي عاري از عيب به درجه سلسيوس بيش از 1130 1130-1100 1130-1110 1130-1110

دمايي سطحش داراي حفره بود.پس از يافتن دماي پخت مناسب آن‏ها روي بدنه‌كاشي يکی از كارخانه‏های توليدكننده كاشي مونوپروزا به روش پاششي اعمال شدند و در كورة رولري در ماكزيمم دماي پخت 1120 درجه سلسيوس و زمان پخت 45 دقيقه پخته شدند.در شكل 2 لعاب‏هاي اپك سفيد پخته شده مشاهده مي‏شود. به منظور ارزيابي خواص لعاب‏ها تست‏هاي زير روي آن‏ها انجام شد:

مقاومت شيميايي: بر اساس EN 122: 1984 جهت سنجش مقاومت در برابر اسيد با افزودن و بررسي تاثير 7 روزه اسيدكلريدريك 3 درصد در دماي محيط صورت گرفت. مقاومت در برابر باز به تاثير محلول هيدروكسيد پتاسيم g/l 30 به مدت 7 روز روي لعاب‏ها مي‏پردازد. نتايج تست براي لعاب‏ها به جز M1 مثبت بود و آن‏ها در كلاس AA قرار گرفتند. دليل افزايش مقاومت شيميايي نتيجه حضور پررنگ‏تر اكسيدهاي ZnO ،MgO ،CaO در لعاب‏ها و كاهش همزمان K2O در آن‏ها مي‌باشد.

سختي: سختي لعاب‏ها با دستگاه ميکروسختي اندازه‏گيري شد و نتايج آمده در شكل 3 حاصل شد.
همانطور كه ملاحظه مي‌شود، لعاب M4 حاوي ZnO بالاترين سختي را نسبت به ساير لعاب‏ها دارا مي‌باشد.
سنجش تنش: دستگاه glaze stress tester كه در شكل 4 اصول كار آن مشاهده مي‏شود امكان تشخيص نوع تنش موجود در لعاب و وابستگي آن را نسبت به دما نشان مي‏دهد.
 در شكل 5 نتايج حاصل از سنجش تنش لعاب‏ها نشان داده شده است.
نمودار‏ها نشان دهنده تنش فشاري در لعاب‏ها مي‏باشند كه با افزايش دما از اين تنش كاسته مي‏شود. در محدوده دمايي 580- 500 درجه سلسيوس تنش در لعاب‏ها صفر شده و با افزايش دما تنش كششي در آن‏ها ظاهر مي‏شود. در محدوده 620- 580 درجه سلسيوس در نقطه مينيمم نمودار‏ها مجدداً از تنش كششي كاسته شده و مجدداً مسير كاهش تنش اتفاق مي‏افتد كه مربوط به تبديل کوارتز  آلفا به بتا در بدنه است. صفر شدن تنش لعاب‏ها در حدود 650 درجه سلسيوس و ايجاد تنش فشاري در لعاب‏ها با رسيدن به ماكزيمم خود كه در محدوده دمايي 720-670 درجه سلسيوس قرار دارد نشانگر دماي Tg لعاب‏ها است. با كاهش تنش در لعاب‏ها و حركت نمودار‏ها به سمت تنش صفر (محور افقي) عملاً در محدوده دمايي 780-750 درجه سلسيوس رسيدن به نقطه نرم شوندگي ديلاتومتري لعاب‏ها و رها شدن كليه تنش‏ها صورت مي‏گيرد.
درجدول 5 دماي Tg ونرم شوندگي لعابها آورده شده است.

 M4 M3 M2 M1
Tg به C° 700 690 690 670
دماي نرم شوندگي به C° 770 760 780 750

نتيجه‌گيري
1- با كاهش درصد اکسيد پتاسيم در تركيب، سطح لعاب‏ها صاف‏تر و عيوب حفره‏اي شدن سطح و سوراخ‏هاي ته‏سوزني كمتري در آن‏ها مشاهده مي‏شود.
2-  با جايگزيني K2O در لعاب‏ها توسطZnO ،MgO ،CaO نقطة نرم شوندگي آن‏هاافزايش يافت.
3- با ورود ZnO ،MgO  ،CaO به تركيب لعاب و كاهش K2O سختي ومقاومت شيميايي آن بهبود مي‌يابد.
4- حضور و افزايش ZnO در لعاب باعث كاهش جلاي آن، افزايش سختي و تمايل به ماتي آن مي‏شود.
5- استفاده از کوره گراديان نشان داد که با آن تشخيص دماهاي مناسب چون دماي پخت، بحراني چون بروز عيب و بيش از حد چون افزايش ويسكوزيته و شره كردن لعاب امكان پذير است.
6- با سنجش تنش موجود در لعاب به كمك دستگاه glaze stress tester ضمن مشخص نمودن نوع تنش امكان تشخيص هر چند تقريبي برخي از دماهاي تعيين كننده و مهم چون Tg و نرم شوندگي لعاب را نيز مشخص مي‏شود.
 
منابع
 1- Sacmi, “From Technology through Machinery to kilns for Tile” vol.1: products, Sacmi Imola, Italy , 1986.
2- قصاعي¸ح.; رضايي،ح.ر. ; بابايي،ل. ; موسوي‌فرد،ن. ; اطلاعي،ح.ر. “بررسي نتايج حاصل از ساخت كاشي و لعاب تك پخت سريع ديواري”. پنجمين كنگره سراميك ايران، آذر 1383 تهران.
3- www.sacmi.com “Wall Tiles”
4- Biffi,G. “Technology for the production of porous single fired ceramic wall tile”, Industerial Ceramics, vol 9. No.2 , 1989
5- تقي زاده، ل. «ساخت بدنه و لعاب كاشي تك پخت سريع ديواري» پروژه كارشناسي ارشد، دانشگاه علم و صنعت ايران دانشكده مهندسي مواد و متالورژي, تهران 1382
6-