علم سرامیک

1- آسیاب کردن(بالمیلینگBall Milling)

این پروسه تاثیر بسزایی در کیفیت نهایی قطعه می­گذارد زیرا که دانه­بندی دوغاب بستگی به این مرحله دارد. عدم رعایت اصول این پروسه می­تواند محصول نامناسبی را به ما دهد. این امر بخصوص در مورد بدنه­های سفید که سخت­تر از بدنه­های قرمز هستند موجب شکست و ترک s شکل در اثر سیلیس و پایین آمدن کیفیت لعاب در اثر فلدسپار می­شود. اگر عمل سایش بیش از حد روی مواد اولیه انجام گیرد عیوبی از قبیل هوادارشدن، پوسته­ای شدن و تغیر شکل کریستالی و یا آمورف شدن پدید می­آید و بر عکس اگر سایش خوب انجام نگیرد با مشکل پرس، افزایش ضایعات بدلیل شوک حرارتی، کاهش استحکام، فرسایش زودرس قالب­ها و ... روبرو هستیم.

- خرد کردن خشک و مرطوب(تر)

مواد خام تشکیل دهنده بدنه­های سرامیکی یا به صورت خشک و یا به صورت مرطوب خرد یا سایش می­شوند.

تکنیک خرد کردن تر(آسیاب) عموماٌ به منظور بدست آوردن دانه­بندی بسیار ریز و همگن نمودن بهتر پوردها به کار گرفته می­شود. از طرف دیگر، وقتی که مواد خام بسیار خالص در اختیار داریم یا زمانی که موادی را آماده را آماده می­سازیم که کیفیت بالایی ندارند، سایش خشک ترجیح داده می­شود.

در طی سایش تر، مواد خام به منظور کهش بیشتر اندازه ذرات، در آب پخش می­شوند. از این گذشته، استفاده از مواد شیمیایی که میزان آب دوغاب را کاهش می­دهد و فواید اقتصادی متعاقب آن باعث میشود که ذراتی با قطر از 10 میکرون بدست آورند.

انتخاب مناسب­ترین تکنولوژی خرد کردن، تا حدی به توزیع اندازه ذرات مورد نیاز برای تولید محصول بستگی دارد ولی عوامل دیگر نیز باید در نظر گرفته شوند.

تکنولوژی خرد کردن خشک معمولا برای آسیا کردن مخلوط­هایی که حداکثر از دو یا سه نوع رس تشکیل شده­اند و خواص فیزیکی و ساختار مینرالی مشابه دارند، به کار برده می­شود.

خرد کردن تر برای مخلوطهای طبیعی آرژیلیتی که اندازه مواد سخت به اندازه مواد سخت به اندازه­ای است که امکان گرانول­سازی مناسب از طریق سیستم­های خرد کردن خشک وجود ندارد، به کار برده می­شود.

همچنین زمانی آماده­سازی بدنه به روش تر انجام می­شود که ترکیبات سرامیک از چند ماده مختلف فیزیکی متفاوت(سختی، وزن مخصوص، اندازه ذرات) تشکیل شده باشند.

همچنین به منظور خارج کردن ناخالصی­هایی که قابل انحلال در آب هستند، آن­ها را به روش تر آسیا می­کنند. در این مورد، ماده ابتدا حل شده و سپس از طریق غربال مناسب الک می­شود.

بالاخره، زمانی که محصولات شیشه­ای شده تولید می­شوند یا سیکل پخت بسیار سریع است، تکنولوژی ترسایی ترجیح داده می­شود. در واقع، سایش تر امکان تصحیح آسان ترکیبو دستیابی به پودر اسپری درایرشده مناسب شده مناسب برای پرس را امکان­پذیر می­سازد.

از مطالب فوق به این نتیجه می­رسیم که از نقطه نظر تکنولوژیکی هیچگونه رقابت و دوگانگی بین تکنولوژی سایش خشک و تر وجود ندارد. اگر آنالیز مواد خام به دقت انجام شود و خصوصیات تکنیکی فراورده چنانکه باید و شاید به حساب آورده شوند، تنها یک انتخاب امکان­پذیر است.

- اتفاقات در حین بالمیلینگ

گفته شده در حین بالمیلینگ اتفاقات گسترده­ای داریم:

1-    تغییر فرم الاستیک و پلاستیک ماده

2-    انرژی لازم جهت غلبه بر نیروی چسبندگی بین ذرات تشکیل دهنده ماده

3-    انرژی مصرف شده به خاطر اصطکاک بین ذرات

4-    انرژی مصرف شده به خاطر ارتعاش عناصر آسیاب شونده

- محیط آسیاب کننده

1- گلوله

منظوراز محیط شکل، اندازه و جنس گلوله­ها و جنس جداره می­باشد. در مورد شکل گلوله­ها، ثابت شده که اگر دو گلوله کروی را در نظر بگیریم حین آسیاب شدن حرکت زیر را دارد که این حرکت در آسیاب ذرات موثر است بخصوص وقتیکه شکل گلوله­هایا استوانه­ای باشد بنابراین در حال حاضر که در ایران از گلوله­های بی­قاعده استفاده میشود نباید توقع این حالت را داشت.

در مورد جنس گلوله­ها باید گفت که اکثراً در مورد بدنه از گلوله­های سیلیسی(سایلکس) با دانسیته 2056 گرم بر سانتیمتر مکعب و سیلیسی-فلدسپاری استفاده می­شود و برای لعاب از گلوله­های آلومینا بالا(آلوبیت) 3.4-3.5 گرم بر سانتیمتر مکعب و گلوله پرسلانی2.6-2.7 گرم بر سانتیمتر مکعب استفاده می­شود. در آسیاب از چند اندازه گلوله با درصدهای مختلف استفاده می­شود و بهترین حالت 50 درصد گلوله با سایز متوسط، 25 درصد با سایز بزرگ و 25 درصد با سایز کوچک می­باشد.

2- آستری(لاینیگ)

شرح انواع مختلف آستری بر اساس سه عوامل زیر است:

جنس ماده تشکیل دهنده آستری، الگو و نمای آستری و سیستم چیدن و مونتاژ کردن آن.

در حال حاضر اکثراً از جداره­هایی از جنس بازالتی(در حوالی طبس)، بخاطر سختی بالا، استفاده می­شود اما جداره­های سیلیسی و اخیرا لاستیکی نیز موجود است. جداره بازالتی از راندمان بازالتی از راندمان بالاتری نسبت به سیلیسی برخوردار است و همچنین مشکل سیلیسی­ها گران بودن و سنگین بودن آن­ها می­باشد. جداره سیلیسی و بازالتی در بلوک­های 20*20*20 سانتیمتر در داخل بالمیل توسط سیمان سفید سنگ فرش می­شود.

به علت مشکلاتی که جداره­های فوق دارند امروزه از جداره­های لاستیکی استفاده می­کنند. این مواد در اندازه 4*5 سانتیمتر و بوسیله پیچ ومهره در درون بالمیل قرار می­گیرند( این مواد اکثراً از سوئد و سویس وارد می­شوند). از مزایای این مواد می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

1-    دانسیته کم(1.1 گرم بر سانتیمتر مکعب) و ضخامت کم و در نتیجه داشتنفضای بیشتر در آسیاب

2-    خوردگی کمتر و در اثر سوختن خارج می­شوند و در نتیجه ناخالصی کمتری را وارد می­کند.

3-    سر و صدای کمتر

4-    هزینه نصب کمتر

اما به این نکته باید توجه کرد که این جداره­ها فقط در مورد آسیاب بدنه قابل استفاده است و بدلیل ایجاد حفره در اثر سوختن آن­ها برای لعاب بکار نمی­روند.

اگر جداره لاستیکی نباشد می­توان از گلوله­های(قلوه سنگ) سیلیسی و در مورد لعاب برای جداره پرسلان از گلوله­های پرسلانی و برای جداره آلوبیتی گلوله­های آلوبیتی استفاده کرد.

معمولاً سعی می­شود که سختی جداره از سختی گلوله­ها بیشتر باشد زیرا اگر گلوله سختی کمتری داشته باشد خورده شده و خورده شدن آن­ها مسئل­ای ندارد ولی اگر جداره خورده شود تعویض آن هزینه بیشتری دارد.

3- دانسیته گلوله

 مشخص است که هر چه دانسیته گلوله بیشتر باشد انرژی جنبشی حجم مشخصی از گلوله­ها بیشتر و در نتیجه عمل آسیاب بهتر و با راندمان بالاتر انجام می­گیرد.

میزان گلوله در آسیاب

معمولاٌ ذکر می­شود برای حصول به بهترین راندمان آسیاب، در آسیاب55-150 درصد از قطر آسیاب را باید گلوله ریخت.

4- مقدار مواد اولیه­ای که باید در آسیاب شارژ شوند

حداقل ماده­ای که می­توان شارژ کرد برابر فضای خالی بین گلوله­هاست که برابر 22 درصد می­باشد و ماکزیمم مقدار آنقدر است که در نهایت 25 درصد فضای خالی بالای گلوله خالی بماند که برابر 42 درصد می­شود. با توجه به دانسیته حقیقی مواد می­توان وزن شارژ شونده را نیز حساب کرد. هر چه میزان مواد اولیه زیادتر شود راندمان آسیاب بالاتر می­رود ولی فرسایش جداره و گلوله نیز بیشتر می­شود.

روانسازی

یکی از فاکتورهایی که در کیفیت فرمولاسیون دخیل است روانسازی خاک می­باشد. روانسازی خاک باعث مصرف آب کمتر در دوغاب و در نتیجه بالا رفتن راندمان اسپری درایر می­شود و همچنین پودر بدست آمده بهتر پرس می­شود ظاهراً علت این امر این است که گرانول­های بدست آمده دانسیته بیشتری دارند زیرا ساختمان لایه مقوایی پودر بهم می­خورد و در نتیجه استحکام خام وپخته بیشتر می­شود.به همین دلایل ترجیح داده می­شود که قبل از ورود به اسپری درایر دوغاب را روانسازی کنیم.

معمولاً روانسازهایی که استفاده می­شوند سیلیکات سدیم، کربنات سدیم و تری پلی فسفات سدیم هستند که می­توان به طور منفرد یا مخلوط( با نسبت 3 سیلیکات سدیم و1کربنات سدیم و یا نسبت 2 تری پلی فسفات سدیم  به 1 سیلیکات سدیم) استفاده شوند.

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

2- اسپری درایر(spray dryer)

خشک کردن پاشیدنی فرآیند شناخته شده­ای برای جدا کردن آب یا هر مایع دیگری از محلول یا سوسپانسیون می­باشد.

فرآیند فوق در ماشین­آلات خاصی به نام اسپری درایر صورت می­گیرد که عمدتاً برای تولیدات صنعتی به کار می­رود. تبخیر هر مایع پس از حرارت دادن مناسب آن و با توجه به قوانین فیزیکی آغاز می­شود.

به طور کلی اسپری درایرها به دو گروه اصلی تقسیم می­شوند:

1-  اسپری درایر با حرارت مستقیم، که گرمای مورد نیاز برای تبخیر مایع بوسیله گازهای حاصل از احتراق یا با هوایی که به اندازه کافی گرم شده، فراهم می­شود که باعث تبخیر مایعات می­گردد.

2-    اسپری درایر با حرارت غیرمستقیم، که گرما از طریق هدایت یا رسانش به ماده مورد نظر انتقال می­یابد.

هدف از استفاده از اسپری درایر، تهیه پودری با دانسیته ظاهری یکنواخت، توزیع اندازه ذرات ثابت و رطوبت یکسان می­باشد.

از مزایای اسپری درایر می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

1-  به سرعت دوغاب را خشک کرده و به صورت گرانول در می­آورد زیرا هر چه سرعت خشک کردن بیشتر باشد سریعتر خنک می­شود که این خود چند مزیت دارد: اولاً محصول خشک رطوبت جذب نکرده یا از دست نمی­دهد. ثانیاً در خاک­هایی که مواد پلاستیک همچون مونت موری لونیت دارند هر چه محصول خنک­تر باشد آب بین لایه­ای حذف نشده و در نتیجه پلاستی­سیته خاک کم نمی­شود.

2-  مورفولوژی گرانول­های خروجی از اسپری درایر به شکل کروی(  شکل1 ) می­باشد در صورتیکه در آسیاب خشک، ذرات به شکل  2  می­باشند در نتیجه پودر گرانوله قابلیت فرم­پذیری بیشتری در حین پرس دارد.

3-     توزیع یکنواخت اندازه ذرات

4-    توزیع یکنواخت میزان رطوبت

5-  اقتصادی بودن این روش نسبت به روش رقیب که عبارت است از آسیاب کردن مواد سپس فیلتر پرس و خشک کردن کیک­ها و سپس آسیاب و افزودن رطوبت.

مراحل مختلف کار در اسپری درایر عبارت است از:

a-     توزیع اندازه ذرات و میزان بزرگی گرانول­های تولیدی با استفاده از نازل.

b-    تماس بین دوغاب اسپری شده و هوای خشک­کننده

c-     تبخیر و شکل­گیری ذرات و خشک شدن

از مزایای اسپری درایر، سریع خشک کردن آن و درنتیجه بالا نرفتن دمای پودر است بنابراین در اینجا به مراحل تبخیر می­پردازیم که به صورت زیر است:

1-  دوغاب به داخل محفظه پاشیده شده ودمای آن به 100 درجه­سانتیگراد می­رسد(1 اتمسفر). دمای مواد ورودی به اسپری درایر 22-40 درجه­سانتیگرادکه به سرعت به 100 درجه­سانتیگراد می­رسد.

2-    بعد از رسیدن به این دما، تمام آب موجود سریعاً تبخیر می­شود.

3-  به مجرد این­که فرآیند تبخیر صورت می­گیرد بخار ایجاد شده که تحت فشار 1 اتمسفر قرار دارد تا دمایی که امکان تعادل حرارتی با گاز ورودی باشد گرم می­شود.

4-  بعد از تبخیر رطوبت، نتیجه کار دانه­های گلوله­ای شکل می­باشد که هنوز می­تواند حرارت جذب کند( بسته به اینکه چه مدت در محفظه اسپری درایر توقف کند) سپس باقی مانده رطوبت از آن خارج می­شود و پودر خروجی حدود 7 درصد دارد زیرا پودر خشک را نمی­توان پرس کرد.

d-    جدا شدن ذرات پودر از هوای خشک کننده و تخلیه از اسپری درایر

در عمل برای افزایش سرعت تبخیر در اسپری درایرspray dryer احتیاج به افزایش سطح مخصوص دوغاب داریم و این عمل با تبدیل دوغاب به قطرات ریز انجام می­گیرد که برای این تبدیل سه روش موجود است:

1)   افشانکی: این روش که اسپری کردن تحت فشار توسط نازل می­باشد بیشترین کاربرد را در صنایع کاشی دارد و در تهیه گرانول­هایی با سایزهای بزرگتر موفق­تر از انواع دیگر است و اندازه گرانول­های خروجی در دامنه60-550 میکرومتر می­باشد و بیشترین تمرکز را در این محدوده گرانول­هایی دارند که در محدوده300-400 میکرومتر می­باشند.

2)   استفاده از دیسک­های گریز از مرکز: اندازه گرانول­های خروجی از اسپری درایر در محدوده 60-150 میکرومتر می­باشد و به همین دلیل توزیع باریک و یک اندازه ذرات، پودر حاصل دارای فشردگی کم و در نتیجه وزن مخصوص کمی می­باشد که این می­تواند باعث بروز عیوبی در حین تولید و پرس شود این عیوب عبارتند از: استحکام خام کم و در

نتیجه میزان ضایعات زیاد قبل از مرحله پخت و افزایش عیب هواددار شدن.

3)   اسپری کردن با هوای فشرده: این روش بندرت در صنایع کاشی وسرامیک بکار می­رود و بیشتر در صنایع داروسازی کاربرد دارد.

قابل ذکر است که درجه حرارت محفظه اسپری درایر در محدوده 450-650 درجه سانتیگراد است و اگر دما بیش از 650 درجه سانتیگراد باشد مسئله ایمنی و زنگ زدن مطرح است و اگر کمتر از 450 درجه سانتیگراد باشد اقتصادی نیست.

مهمترین عوامل در انتخاب اسپری درایر:

1-    در اسپری درایر باید حتی المقدور میزان رطوبت پودر خروجی ثابت باشد.

2-    دامنه توزیع دانه­بندی ثابت وقابل تنظیم باشد.

اگر رطوبت پودر خروجی خارج از حد بهینه بود برای برطرف کردن این مشکل دو راه حل موجود است:

1-  اگر اختلاف رطوبت در پودر خروجی نسبت به حالت بهینه در حد کمی بود بهترین کار تنظیم فشار پمپ دوغاب خواهد بود مثلاً اگر رطوبت زیادتر بود باید فشار پمپ را کمتر کرد.

2-    در مواردی که این اختلاف زیاد باشد با تغییر درجه حرارت محفظه می­توان رطوبت را به حد مطلوب رساند.

فاکتورهای موثر بر توزیع دانه بندی گرانول­های تولیدی عبارتند از:

1-    درصد آب دوغاب: هر چه درصد آب بیشتر باشد قطرات ریزتر تولید شده و در نتیجه دانه­بندی به سمت ریزتر می­رود.

2-    ویسکوزیته دوغاب: ویسکوزیته بیشتر به معنی آب کمتر و در نتیجه دانه­بندی درشت­تر می­شود.

3-  فشار پمپ: هرچه فشار پمپ بیشتر شود ذرات ریزتر می­شوند ولی اگر این فشار بیش از حد زیاد شود منجر به تشکیل ابر دوغابی در بالای اسپری درایر می­شود و این باعث اتصالات و ادغام قطرات و در نتیجه درشت­تر شدن گرانول­ها میشود.

4-    قطر نازل(افشانک): با زیاد شدن قطر نازل، میزان رطوبت گرانول­ها بالا رفته و در نتیجه گرانول­ها درشت­تر می­شوند.

5-  ابعاد محفظه اسپری درایر: پابت شده است که هر چه محفظه اسپری درایر بزرگتر باشد گرانول­های بزرگتری بوجود خواهد آمد. زیرا دوغاب بیشتری اسپری شده و این ایجاد قطرات درشت­تر می­کند که این باعث درشت­تر شدن گرانول­ها می­شود.

6-  ضخامت حلزونی نازل: هر چه ضخامت حلزونی بیشتر باشد ارتفاع ابر اسپری شده بیشتر و در نتیجه تمایل به تجمع دوغاب در ابر دوغابی افزایش می­یابد این امر منجر به بزرگتر شدن قطرات و در نهایت بزرگتر شدن گرانول­ها می­شود.

7-  دمای هوای داغ ورودی: هر چه بیشتر باشد ذرات ریزتر می­شوند. با کم بودن دما، عمل ادغام وچسبیدن و قطرات بیشتر صورت می­گیرد.

8-  میزان باز بودن دریچه: اگر زیاد باز باشد دمای اسپری­درایر پایین آمده و ذرات درشت­تر می­شوند و اگر بیش از اندازه بسته باشد امکان منفجر شدن محفظه مطرح می­شود.

9-    تعداد نازل: به علت اسپری شدن دوغاب بیشتر، گرانول­ها بزرگتر می­شوند.

10-میزان انقباض قطرات

11-ترکیب دوغاب

12-ذرات زیر 63 میکرون: اگر این مقدار زیاد باشد گرانول­های تولیدی درشت­ترند و این بدین دلیل است که ذرات درشت­تر بخاطر نیروی وزن بیشتر، سریعتر به سمت پایین سقوط می­کنند.

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

- تعيين مشخصه هاي دوغاب

این روش در مورد کلیه دوغابهاب لعاب و بدنه  اعم از کاشی دیوار ، کاشی کف و پرسلان کاربرد دارد.

رطوبت  تجهيزات مورد استفاده  شامل - ترازو با دقت 1/0 گرم ، - دستگاه رطوبت سنج براي روش دوم ، - خشك كن با دماي 110˚C  ، - بشر براي دوغاب و آزمونه مورد نياز مقداري نمونه از گرانول ، دوغاب ، بيسكوئيت خام يا خاك  بوده و محاسبه رطوبت به دو روش صورت ميگيرد

دانسيته  تجهيزات مورد نياز -  استوانه مندرج تا cc200 ، -  بشر cc 300 ، -  ترازوي ديجيتال با دقت 1/0 گرم  ، -  پيكنومتر بوده و آزمونه مورد نياز  نمونه از دوغاب بدنه يا لعاب میباشد

ويسكوزيته تجهيزات مورد نياز - ويسكوزيمتر ريزشي با نازل شماره 8 و 4  ، - بشر ، - كرنومتر ، - استوانه مدرج بوده و آزمونه نمونه از دوغاب بدنه ،لعاب يا رنگ می باشد.

زبره تجهيزات مورد نياز - بشر cc  1000 ، - خشك كن با دماي  110˚ c ±  5˚ c ، - ترازو ديجتال با دقت 1/0 گرم ،  

- پيكنومتر 100 cc ، - الك با شماره مش مشخص ( بطور مثال 325 ) ، - كاسه يا بشر بوده و آزمونه مورد نياز -  حدود cc

700 نمونه دوغاب بدنه يا لعاب و - نمونه دوغاب بدنه يا لعاب يا رنگ میباشد.