مروري بر خواص و كاراكترهاي فيزيكي كاشي‌هاي پرسلانی

مهندس امید هلاکویی
كاشي‌هاي پرسلاني خانواده پرمصرفي از محصولات سراميكي هستند كه به واسطه تنوع كاربري آن‌ها ، در زمره مهم‌ترين محصولات و تكنولوژي‌هاي توليد كاشي قرار مي‌گيرند. مقاله حاضر پيكان توجه خود را معطوف برخي عيوب عارض فرايند پخت، واكنش‌هاي حين پخت، فازهاي تشكيل دهنده و تغييرات پيروپلاستيك بدنه‌هاي پرسلان نموده است.

 

برسی عيوب

در سيکل‌های پخت سريع پرسلان لازم است تا به منظور حصول شفافيت بالای لعاب، دوغاب لعاب از زبره بسيار پائينی برخوردار باشد.

اين زبره پائين ممکن است به بروز عارضه خزش بيانجامد.

در اين شرائط به منظور ممانعت از بروز خزش استفاده از چسب‌هايی از قبيل کربوکسی متيل سلولز ضروری است. بازه مصرف چسب می‌بايست به نحوی انتخاب گردد که موجب افزايش بيش از حد ويسکوزيته دوغاب نگردد. 0/1 تا 0/3 درصد گستره مصرف مناسبی می‌باشد. دوغابی با ويسکوزيته بالا معمولاً موجب ايجاد سطوح چکشی و ديمپل زده بر روی سطح می‌گردد.

تاول يا Blister انبوهه‌ای از حباب‌ها هستند که معمولاً با بقايای کوارتز و کريستوباليت همراهند. علت بروز آن‌ها يا ماند نامکفی در بازه حرارتی 900 درجه (به منظور خروج کامل اجزاء آلی) و يا پخت بالا می‌باشد. اين نقصان رژيم حرارتی به‌واسطه عدم تناسب واکنش‌های Fe3+ و يا پيشرفت ديگر واکنش‌های گازی حادث گرديده و به بروز نوعی تخلخل ثانويه می‌انجامد.

مقاومت مکانيکی و شيميائی لعاب‌ها را می‌توان به کمک افزايش محتوای سيليس بهبود بخشيد، منتها اين عمل موجب کوتاه شدن بازه پخت می‌گردد.

عارضه خزش را می‌توان با استعانت از روش “استحكام سازی فيبری” و به کمک استفاده از مقادير کمی ولاستنايت در فرمول لعاب بهبود بخشيد.

واکنش‌های حين پخت

550 درجه: دی‌هيدروکسيلاسيون کائولينيت

572 درجه: تبديل آلفا کوارتز به بتا کوارتز

700 درجه: تشکيل Sanidine (ترکيبی از فلدسپارهای قليائی)

980 درجه: تبديل متاکائولن به ساختار اسپينل

990 درجه: مساعدت سيليس آمورف به تشکيل مذاب یوتکتيک.

1075 درجه: آغاز تشکيل مولايت ( اوليه )

1200 درجه: اشباع مذاب از سيليس. جوانه‌زنی کريستوباليت: فاز شيشه‌ای يا ذرات کوارتز

1200 درجه: رشد و نفوذ مولايت به درون بقايای فلدسپار

تشکيل مولايت

تشکيل مولايت اوليه:

تشکيل مولايت Epitaxial بر روی کائولينيت

حضور آشکار مولفه‌های رس‌گونه.

تشکيل مولايت ثانويه

مولايت اوليه نقش هسته اوليه واکنش را ايفا می‌نمايد.

ديفوزيون قليائي‌ها موجب به‌جای ماندن يک مذاب آلومينوسيليکات می‌گردد.

رشد و نفوذ مولايت Perismatic به درون بقايای فلدسپار

ناخالصي‌های موجود می‌توانند بر تشکيل مولايت اثر بگذارند.

تشکيل مولايت سوم:

تنها در پرسلان‌های حاوی آلومينا امکان تشکيل دارد.

آلومينا نقش يک پرکننده داخلی “حقيقی” را ايفا می‌نمايد.

حضور آلومينای انحلال يافته در مذاب

جوانه‌زنی و رشد مولايت در سطح تماس آلومينا

تشکيل فاز شيشه

آناليز کمی XRD:

Mullite

Quartz

Corundom

Glossy

15%

15%

3%

67%

 

 

ترکيب فاز شيشه

‌ای:

SiO2

Al2O3

CaO

MgO

K2O

Na2O

12.3

1.24

0.08

0.04

0.67

0.21

 

ارزيابی وضعيت فازها:

مولايت بين 1100 تا 1150 درجه تشکيل می‌شود.

بالای 1150 درجه سطح مولايت، ثابت باقی می‌ماند.

در زير 1000 درجه، کوارتز کاهش می‌يابد (یوتکتيک 990 درجه).

ثابت باقی ماندن مولايت بيانگر ثابت باقی ماندن آلومينا در فاز شيشه است.

کاهش ميزان کوارتز بيانگر خطی در دياگرام فاز از گوشه SiO2 است.

چه عاملی تشکيل فاز مولايت را کنترل می

‌نمايد؟

آلومينا

مولايت اوليه از متاکائولن.

آلومينا از بقايای فلدسپار.

انحلال در فاز شيشه:

به‌واسطه حلاليت آلومينا محدود می‌شود.

معمولاً به کمک حرارت کنترل می‌گردد.

ناخالصي‌های موجود در مواد رسي‌ آلومينا را کاهش می‌دهند.

سطح مولايت توسط حلاليت آلومينا در فاز شيشه‌ای کنترل می‌گردد.

سطح آلومينا در فاز شيشه‌ای توسط سطح قليائي‌ها کنترل می‌شود.

نسبت R2O :Al2O3 تقريباً ثابت است. بنابراين :

سطح سيليکا در فاز شيشه‌ای، وبه تبع آن سطح انحلال کوارتز به طور کامل توسط حرارت و زمان ماند در پيک حرارت (که به منظور اشباع فاز شيشه‌ای از سيليکا ضروری است) تعيين می‌گردند.

نقش کوارتز

کوارتز به عنوان تامين کننده سيليس مورد نياز فاز شيشه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. کوارتز هم‌چنین محدودکننده مقاومت کاشي‌های پرسلان نیز می‌باشد. هم‌چنین کوارتز مي‌تواند در ترکیب به کريستوباليت تبديل گردد.

اثر توزيع دانه‌بندی بر روی انحلال کوارتز:

غلظت کوارتز باقی مانده در بدنه پخته شده مستقل از سايز اوليه ذرات کوارتز است.

به هنگام اشباع مذاب شيشه‌اي از SiO2 انحلال کوارتز متوقف می‌گردد.

کوارتز اضافی به شکل ذرات کوارتز گسسته باقی می‌ماند.

تغييرات پيروپلاستيک

چه عواملی باعث تغييرات پيروپلاستيک می گردند؟

فرض می‌شود که اجزاء تشکيل دهنده فاز شيشه‌ای سيستمی همگن را تشکيل داده باشند. اين فرض برای يک بدنه پخته شده پرسلان که سيکل مناسب پخت را پشت سر گذارده باشد صادق است، اما نمی‌تواند برای اولين مراحل پخت نيز صادق باشد.

اين نوسانات ترکيبی، منجر به تشکيل فازهای شيشه‌ای با ويسکوزيته‌های متفاوت می‌گردد.

در خلال پخت، ذرات فلدسپار شروع به ذوب نموده و مذاب یوتکتيکی را تشکيل می‌دهند که از آلکالي‌ها غنی و بنابراين ويسکوزيته کمی دارد.

در اين مرحله با افت ناگهانی ويسکوزيته، ناحيه فاز شيشه‌ای مواجهيم که که در درون يک ماتريس با ويسکوزيته بالاتر قرار دارد (بقايای رس‌ها و ذرات کوارتز). ناحيه شيشه‌ای با ويسکوزيته کم شروع به جريان يافتن می‌نمايد.

تغييرات پيروپلاستيک در چه بازه حرارتی به وقوع می پيوندند؟

مذاب‌های یوتکتيک در 990 درجه و در سيستم K2O-Al2O3-SiO2 تشکيل می‌شوند. کريستاليزاسيون مولايت ظاهرا در 1150 درجه تکميل می‌گردد. تغيير شکل‌های به‌وقوع پيوسته عمدتاً به اين بازه حرارتی منتسب مي‌گردند.

چه عواملی تغييرات پيروپلاستيک را کنترل می‌نمايند؟

ويسکوزيته سيستم:

و نه الزاما ويسکوزيته فاز شيشه‌ای.

مولايت ويسکوزيته سيستم را افزايش می‌دهد.

ميزان فاز شيشه تشکيل شده در خلال پخت بر روی تغییرات پیروپلاستیک تاثیر دارد و ميزان تشکيل اين فاز به سطح قليائي‌ها مربوط می‌گردد.

آلومينا ميزان تشکيل فاز شيشه را کاهش می‌دهد‌.

ويسکوزيته فاکتوری تابع حرارت است:

s=3he

مکانيسم تغييرات پيروپلاستيک

همگنی فاز شيشه توسط نرخ ديفوزيون قليائي‌ها تعيين می‌شود. فلدسپار و نفلين سيانايت منابع اوليه تامين قليائي‌ها هستند.

تغيير شکل‌های حاصل از تغييرات ويسکوزيته عاملی وابسته به زمان می‌باشد. سطح تغيير شکل‌ها با افزايش زمان افزايش می‌يابند.

سيستم تغيير شکل‌ها سيستمی ديناميک است که در آن نرخ ديفوزيون قليائي‌ها بر حسب زمان تغيير شکل، هر دو به نرخ گرمايش مرتبطند.

 

ارتباط Warping و Bloating با تغييرات پيروپلاستيک

Warping عبارت است از شيرينکيج ديفرانسيلی حاصل از فشردگی ناهمگن ذرات.

تنش‌های فشاری موجب تغيير شکل می‌گردند.

تنش‌های کششی موجب ترک خوردن می‌گردند.

Bloating درنتيجه انبساط حباب‌های گاز پديد می‌آيد.

اثر مشترک فشار گاز و ويسکوزيته فاز شيشه‌ای.

عارضه با تشکيل حفره‌های کروی آشکار می‌گردد.

معمولاً در يک مقياس گسترده و فراگير مشاهده می‌شود.

Bloating معمولاً درنتيجه گرمايش سريع بدنه به‌وجود می‌آيد. شيمی بدنه و نيز امکان رشد حباب‌ها در ناحيه‌ای که حاوی فاز شيشه‌ای با ويسکوزيته کمتر است از عوامل بروز عارضه‌اند.

ديگر عوامل موثر بر Bloating :

ويسکوزيته پائين فاز شيشه قادر به ايستادگی در برابر فشار درون حفره‌ها نيست. اگر فاز شيشه از Si اشباع شده باشد، لازم است تا ويسکوزيته بالا نگاه داشته شود. افزايش فاصله جدايش بين ذرات، زمان ديفوزيون لازم را افزايش مي‌دهد.

سيستم مجدداً به حالت هتروژن (ناهمگن) تبديل شده است