علم سرامیک

    
   
 کائولن

مشخصات کیفی کائولن مورد مصرف هر صنعت به تبعیت از صفات مورد نظر محصول نهایی متغیر است. این تفاوت حتی در صنایع مشابه بعلت تغیرات شدید کیفی کائولن استخراجی و یا فرآوری شده معادن کاملاً‌مشهود است.

مشخصات کیفی کائولن مورد مصرف هر صنعت به تبعیت از صفات مورد نظر محصول نهایی متغیر است. این تفاوت حتی در صنایع مشابه بعلت تغیرات شدید کیفی کائولن استخراجی و یا فرآوری شده معادن کاملاً‌مشهود است، ویژگی صنعت، محدوده تغییرات مورد قبول را تعیین می‌نماید و فرمول سازی مواد مصرفی یکی از رایج‌ترین راه حل‌ها در اینگونه صنایع است.
مرغوبترین کائولن‌ها تا حدود 20 درصد ناخالصی را دارا می‌باشند که به منظور کاهش این ناخالصی‌ها بطرق مختلف فرآوری می‌گردد و در هر روش نوعی خاص از این ماده حاصل می‌شود و هر کدام مصرف ویژه خود را دارد که علاوه بر صفات خاص ژنتیکی، نوع فرآوری نیز محصول را از یکدیگر متمایز می‌نماید. کائولن کلسینه شده، کائولن شیته شده توسط آب، حرارت نخورده،‌پودر شده، دانه بندی شده و کائولن پر کننده و طبقه‌بندی‌های مختلف کائولن از نقطه نظر نوع فرآوری می‌باشند.
کائولن در صنایع مختلف به عنوان ماده اولیه اصلی و در برخی دیگر به عنوان ماده جنبی در کنار سایر مواد بکار می‌رود. قیمت مناسب و ویژگی‌های این ماده معدنی در هر صنعت جلوه‌های خاص خود را دارد.
دلیل کاربرد فراوان کائولن در صنعت، دارا بودن ویژگی های زیر است:
•پرکننده و پوشش دهنده مناسب
•از نظر شیمیایی در گستره وسیعی از تغییرات pH بدون تغییر باقی می ماند.
•به عنوان جذب کننده مناسب مرکب و رنگ ها.
•به عنوان سخت کننده در صنایع پتروشیمی.
•داشتن رنگ سفید که آن را به صورت ماده رنگی قابل استفاده می سازد.
•جلای خاص و قابلیت سفیدکنندگی.
•خواص کاتالیزوری.
•دارا بودن خاصیت پرکنندگی و پوششی بسیار خوب.
•نرم کننده سطح و غیرسایشی بودن آن.
•قابلیت اندک هدایت جریان الکتریسیته و گرما.
•ارزانی قیمت آن.
بیشترین مصارف کائولن در پر کننده، پوشش دهنده با جلای خاص و سفید کننده، منبسط کننده، ایجاد کننده مقاومت در مقابل سایش، رقیق کننده، سخت کننده در صنایع پتروشیمی، نرم کننده سطح و به عنوان کاتالیزور در صنایع مختلف،کاغذسازی، سرامیک، مرکب و رنگ سازی، دیرگداز، پلاستیک، لاستیک، دارویی، فایبرگلاس، صنایع نسوز، مصالح ساختمانی، حشره کش، جذب کننده، مواد پاک کننده، مواد غذایی، تهیه داروها، صنایع کشاورزی و تهیه کودهای شیمیایی است.
در ایران از این ماده معدنی در آجرهای شاموتی، پوشش داخلی کوره ها، دیگ های گرمایی و کاشی استفاده می شود.
حدود 50 درصد از کائولن در کاغذسازی به عنوان پرکننده و روکش (پوشش دهنده سطح)،20 درصد در صنایع سرامیک و دیرگداز، 10 درصد در لاستیک سازی به عنوان پرکننده و 20 درصد در رنگ سازی پلاستیک استفاده می شود.قدرت جذب مرکب و پوشش دهندگی خوب و پر کردن سطوح ناهموار کاغذ از خمیر سلولز و ایجاد شفافیت در کاغذاز مزایای استفاده از کائولن در صنعت کاغذسازی می‌باشد.
قیمت مناسب کائولن طی سال های اخیر سبب شده است تا صنایع مصرف کننده این محصول علاقه مند به استفاده از کائولن شوند. کائولن یا خاک چینی به رنگ سفید بیشترین کاربرد را در تولید چینی و سرامیک دارد.

سنگ کائولن برحسب نوع پیوندهایش به دو گروه پیوند نرم و سخت طبقه بندی می شود:
مصارف سنگ کائولن با پیوند نرم عمدتاً در صنایع کاشی، چینی و سرامیک سازی است.
مصارف سنگ کائولن با پیوند سخت در صنایع لاستیک سازی و کاغذ سازی می باشد.
رنگدانه:
کائولن که به عنوان رنگدانه مورد استفاده قرار می‌گیرد به نوع پرکننده و پوشش کاغذ تقسیم می‌شود که این تقسیم‌بندی براساس درخشندگی، اندازة ذرات و ویسکوزیته آن است. کائولن کانی پرکنندة ارزان، سفید یا نزدیک به سفید است که در یک دامنه وسیع از PH خنثی است. غیر ساینده و اندازه ذرات کوچک ولی فابل کنترل، هدایت گرمایی و الکتریکی کم و درخشندگی خوب است، در کاغذ، پلاستیک، رنگ، لاستیک، چسب، بتونه و... کاربرد دارد.
ترکیب شیمیایی آن بحرانی نیست به جز اینکه در رنگ تاثیر می‌گذارد، همچنین جذب روغن یا نفت آن بویژه برای رنگ یا لاستیک مهم است. خواص فوق به همراه شکل دانه‌ها، ویسکوزیته و PH به آن اجازه می‌دهد تا به‌عنوان رنگدانة پوششی کاغذ بکار رود. درخشندگی، صافی و پذیرش جوهر در کاغذهای چاپ و نوشتاری، هنری و... از خواص آن است.
در پلاستیک، کائولن برای ایجاد سطح صاف، پایداری در جهات مختلف و مقاوت در برابر مواد شیمیایی مصرف می‌شود (PVC، پلی‌استر ترموپلاستیک، نایلون و...).
کاغذسازی :
استفاده از کائولن در کاغذسازی باعث نرمی کاغذ خواهد شد و جذب جوهر، درخشندگی، ارزانی و پوشش مناسب از دیگر مزیت های استفاده از کائولن در صنایع کاغذسازی است.
کاغذ حتی اگر خلل وناهمواری های بین الیاف سلولزی آن بوسیله پر کننده معدنی پر شده باشد به منظور استفاده در فرآیندهای کارهای چاپی مدرن، تا زمانی که پوشش سطح را نداشته باشد مناسب نیست. استفاده از پر کننده در خمیر کاغذ بخشی از شکاف ها و درزهای بین الیاف سلولز را پر کرده، لذا بسیاری از نقاط ریز مرکب چاپ در این نقاط بدرستی قرار نگرفته و کیفیت کار چاپ کاهش می‌یابد. پوشش سطحی در روی کاغذ بعث نرمی، جلاء و قدرت جذب مرکب چاپ می‌شود. پوشش مناسب باعث افزایش کاربرد کاغذ می‌گردد.
کائولن به سرعت در آب (حتی در آبهای سخت) پراکنده شده و به وسیله ماشین‌های مدرن پوشش دهنده، پوشش نازک به کاغذ داده می‌شود. کائولن پوششی مناسب برای کاغذهای پرجلا، کاغذهای سبک با پوشش LWC و کاغذهای مناسب گراور به روش غلتگی (افست) می‌باشد.
در صنعت تولید کاغذ،کائولن مورد استفاده باید به سرعت در آب معلق گردد. اندازه ذرات و دانه‌بندی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. درجه روانی (ویسکوزیته) و درصد ذرات با ابعاد کمتر از 2 میکرون دارای اهمیت بیشتر هستند.
کائولن پوششی درجه یک 92 درصد ذرات آن کمتر از 2 میکرون و درخشندگی آن حداقل 87 درصد است. کائولن پوششی درجه دو 80 درصد ذرات آن کمتر از 2 میکرون ودرخشندگی آن حداقل 5/85 درصد می‌باشد.
بطور خلاصه می‌توان خواص زیر را برای کائولن جهت مصرف در صنایع کاغذسازی در نظر گرفت:
الف ـ شفافیت: حداقل شفافیت برای مصرف کائولن بعنوان پر کننده 80 درصد و برای رس بعنوان پوشش 85 درصداست که این عمل در مقایسه با استاندارد شفافیت مشخص می‌شود.
ب ـ اندازه ذرات: دقیق‌ترین روش برای تعیین اندازه ذرات و پراکندگی آنها به اصل استوک استوار است بعبارت دیگر از روی سرعت ته‌نشین شدن در سیال قطر ذرات کنترل می‌شود. تعیین اندازه ذرات از روی زمان نشست آنها انجام می‌گردد.
ج ـ ویسکوزیته: درجه روانی کائولن در پوشش اکغذ بسیار مهم است. در صنایع کائولن دو آزمایش ویسکوزیته انجام می‌گردد که عبارتند از HSV و LSV،‌که برای تعیین این دو مورد به ترتیب از ویسکازیمترهای هرکولس و فیلد براک استفاده می‌شود.
د ـ باقیمانده سرند: 325 مش بعنوان مواد ساینده یا باقیمانده سرند مصطلح می‌باشد. طریقه عملی بدین صورت است که 100 گرم نمونه را کوبیده و خوب مخلوط نموده توسط مواد شیمیایی پراکنده می نمایند. سپس وزین درصد مواد جامد را در مخلوط اندازه‌گیری نموده،‌ مجموع باقیمانده روی سرند را وزن کرده و درصد آن را محاسبه می‌نمایند.
رنگ سازی :
استفاده از کائولن در رنگ سازی پلاستیک سبب کنترل ویسکوزیته می شود. 10 % کائولن در رنگ سازی مورد مصرف دارد و باعث بالا رفتن قدرت پوشش‌دهی، روان کنندگی و پخش‌کردن رنگ می‌شود. در رنگ سازی از کائولن مرغوب و خالص به صورت ماده رنگی و پرکننده بهره می گیرند. در رنگ‌هایی که با آب شسته می‌شِوند نیز انواع کائولن درشت‌دانه نوع مات و انواع کائولن ریزدانه نوع شیشه‌ای را ایجاد می‌کنند.
جایگاه صنعت رنگ سازی در مصرف کائولن، همچون صنعت لاستیک سازی در طی سالیان اخیر بوده است. افزایش رقابت بین کربنات کلسیم و کائولن، باعث کاهش سهم مصرف کائولن بعنوان پر کننده در صنعت رنگ سازی بوده است. بیشترین میزان رشد مصرف کائولن در صنعت رنگ سازی در کشورهای ایالات متحده امریکا و اروپا بوده که حدود دو درصد در سال برآورد گردیده است. پیش بینی می‌شود که بطور کلی و در آینده نزدیک میزان رشد مصرف کائولن در این صنعت، یک درصد باشد. البته در صورت وجود رشد اقتصادی در کشورهای آسیائی همچون گذشته، این رشد به 5/1 درصد خواهد رسید.
مصرف کائولن در صنایع رنگ سازی در ایالات متحده امریکا از 228 هزار تن در سال 1991 به 329 هزار تن در سال 1997 رسید و در سال 1998 به 268 هزار تن کاهش یافت. از آنجایی که تولید رنگ در ایالات متحده امریکا حدود 30 درصد از کل تولید جهانی است. بنابراین مصرف کائولن در صنایع رنگسازی در جهان در سال 1998 معادل 840 هزار تن برآورد گردیده است.
اصولاً‌ کائولن بعنوان یک بسط دهنده و ماده اصلی رنگ سفید بصورت جایگزین اکسید تیتانیوم در تولید رنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. کائولن کلسینه شده اصلی‌ترین کائولن بکار برده شده در صنایع رنگسازی است روشن بودن رنگ ضمن ناشفاف بودن،‌از خصوصیات کائولن مصرفی در صنایع رنگ سازی است و مشابهت خاصی با کائولن مصرفی در صنایع کاغذ دارد. سطوح صاف کائولینیت، بویژه در صنایع رنگ سازی با آرایشی خاص بر روی یکدیگر قرار گرفته که موجب استقامت ورقه رنگ شده و به آن عمر طولانی می‌دهد. بزرگترین تقاضا برای کائولن در صنعت رنگ، ساخت رنگ های مات داخلی ساختمان است. اداره استانداردهای ایالات متحده امریکا توصیه نموده که برای رنگ های خانگی حداقل 20 درصد نسبت از کائولن استفاده گردد.
معمولاً‌ تا 10 درصد وزنی رنگ های براق را می‌توان کائولن اضافه نمود. کائولنی که در رنگ سازی مصرف می‌گردد باید از نظر رنگ روشن و از حداقل ناخالصی برخوردار باشد. ضریب تعلیق بالایی در آب داشته و نمک های محلول آن پایین باشد. از نظر درخشندگی بین 90-80 درصد و ذرات آن 80-70 درصد زیر 2 میکرون باشد.
لاستیک سازی :
در صنعت لاستیک سازی نیز کائولن را به عنوان ماده پرکننده به کار می برند. کائولن مقاومت در برابر سایش و صلبیت آن را افزایش می‌دهد.از کائولن خالص و نرم در لاستیک های نرم نظیر کاشی های لاستیکی و کائولن ناخالص در تهیه در لاستیک های سخت نظیر پاشنه و کف در کفش ها و لاستیک خودرو ها استفاده می شود.
مصرف کائولن در صنایع لاستیک‌سازی در سال 1998 معادل 08/1 میلیون تن بوده است. در طی سالهای 1990 الی 1998 مصرف جهانی لاستیک از 02/5 میلیون تن در سال 1991 به 61/6 میلیون تن در سال 1998 رسید و این نشاندهنده رشد متوسط سالیانه 9/3 درصد در طی دهه 90 میلادی بوده است. بر اساس گزارش راسکیل رشد سالیانه 1 درصد برای آینده‌ای نه چندان دور جهت مصرف کائولن در این صنعت پیش‌بینی می‌شود. مصرف کائولن در صنایع پلاستیک‌سازی موجب کاهش قیمت لاستیک می‌گردد. چون کائولن از لاستیک طبیعی و یا الاستومر بسیار ارزانتر است. کائولن مصرفی در صنایع لاستیک از نوع کائولن مرغوب نمی‌باشد. در ایالات متحده امریکا، کائولن مصرفی در این صنعت از نوع تغلیظ شده بوسیله هوا می‌باشد. در صنایعی که ذرات درشت مزاحم است مانند صنایع لاستیک که بوسیله اکستروژن شکل داده می‌شوند. از کائولن کلسینه شده هم در صنایع لاستیک سازی بعنوان پوشش استفاده می‌گردد. از خصوصیات عمده کائولن مصرف در صنعت لاستیک سازی این است که 5/99 درصدذرات باید زیر 44 میکرون باشند.
سرامیک‌سازی:
20 % کائولن به عنوان یکی از مواد اولیه و اساسی در صنایع کاشی، چینی و سرامیک‌سازی است. کائولن از انواع نسوزهای آلومینیایی است که میزان Al2O3 در آنها بسته به نوع آنها متغیر است. انواع کم آلومینا کائولن تکلیس‌شده، فلینت (45-35%) و انواع پرآلومینا مانند آندالوزیت، کیانیت و سیلیمانیت (60-40%). قدیمی‌ترین وشاید متداول ترین روش کاربرد کائولن در صنعت، استفاده از این کانه در ساخت انواع محصولات سرامیکی می‌باشد. گل چینی بیش از چهار هزار سال است که در ساخت سرامیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. درصنعت سرامیک سازی از مجموعه روش‌های فرمول سازی مواد،‌ شکل دادن و روش‌های حرارت دادن و پخت استفاده می‌شود.بنابراین دامنه تغییرات نوع کائولن مصرفی وسیع می‌باشد بعبارت دیگر نوع محصول و روش تولیدنوع کائولن را تعیین می‌نماید.
کائولن بدلیل ترکیب خاص شیمیایی در صنعت سرامیک مورد استفاده قرار می‌گیرد در مقابل حرارت حالت شیشه‌ای آن تغییر نمی‌کند و درخشندگی و شفافیت خاصی در محصول ایجاد می‌نماید. در تهیه سرامیک مهمترین عامل نسبت اختلاط کائولن، سیلیس و کمک ذوب (Flux) در بدنه سرامیک‌ها می‌باشد. ویژگی کائولن مصرفی در صنعت سرامیک عموماً مربوط به ناخالصی‌های زیان‌آور موجود در آن است که باعث تغییر رنگ محصول بعد از پخت می‌گردد. مهمترین و مضرترین ناخالصی‌ها اکسید آهن می‌باشد. از دیگر عناصر مضر می‌توان از مس، کروم و منگنز نام برد. این مشکل زمانی نمود پیدا می‌شودکه این مواد بصورت ریزدانه در رس قرار گرفته باشند، در اینصورت بصورت بدنه محصول پس از پخت ظاهر گردیده و در پخت بیسکویت چنانچه مقدار اکسیژن کوره پایین بیاید. اطراف لکه حفره‌هایی بوجود می‌آید. مقدار 3O2Fe مجاز در سرامیک بین 6/0 تا 7/0 درصداست. اکسید آهن در کائولن جهت ساخت پرسلان باید کمتر از 5/0 درصد باشد زیرا تیتانیوم با آهن در بدنه سرامیک عکس‌العمل نشان می‌دهد و موجب کاهش شفافیت می‌گردد.درجه آلکالی بودن اثر خاصی بر روی شیشه‌ای بودن محصول دارد،‌زیرا بدنه سرامیک را متخلخل می‌نماید. کائولنی که در پرسلان بکار می‌رود پتاس آن باید کمتر از 5/1 درصد و مقدار تیتانیوم و سیلیس آن حداقل باشد.
وجود بعضی از کانی‌ها در کائولن مضر است،‌رس‌های طبیعی متورم کننده مانند مونت موریونیت که آب را در شبکه خود نگهداری می‌نمایند در روانی و شکل‌گیری قالب اثر می‌گذارد.در صنعت سرامیک کائولن ریز دانه ترجیح داده می‌شود. زیرا ریزدانه بودن موجب افزایش پلاستیسیته و افزایش مقاومت بدنه خام می‌گردد. انتخاب نوع دانه بندی بسیار مهم است، اگر چه ریز و نرمه بودن کائولن درجه ریخته‌گری را کاهش می‌دهد ولی در طول پخت موجب انقباض می‌گردد. به منظور استفاده کائولن در صنایع سرامیک سازی، آزمایشات مدول شکست، میزان شکل پذیری، رنگ پس از حرارت و انقباض در طول حرارت، میزان قالب پذیری و تعیین ویسکوزیته بر روی کائولن انجام می‌پذیرد.