Nghiên cứu sử dụng nguồn nguyên liệu fenspat vào gạch coto để hạ thấp nhiệt độ nung

Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

LờI CảM ƠN
Trớc tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thành Đông đã tận tình hớngdẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình nghiên cứu vừa qua

1


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

Mục Lục.
-Mở đầu
-Phần I: Cơ sở lí thuyết.
1.1- Cơ sở hoá lí của quá trình nung gốm sứ.
1.2- Các biện pháp thúc đẩy quá trình kết khối.
1.2.1-Nhiệt độ.
1.2.2-Độ sít đặc.
1.2.3-Thành phần hoá của phối liệu.
1.2.4-Thành phần pha.
1.2.5- Chất khoáng hoá.
-Phần II: Phần thực nghiệm.
2.1-Nội dung thực nghiệm.
2.2-Các loại nguyên liệu sử dụng để nghiên cứu.
2.3-Kết quả thí nghiệm và nhận xét kết quả.
-Phần III: Phần kết luận.

2

Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông
Mở đầu

1. giới thiệu chung về công nghiệp gốm sứ và vật liệu gốm sứ.
Công nghiệp gốm sứ là một trong những ngành cổ truyền đợc phát triển từ rất
sớm .Trên thế giới ,ngành khảo cổ học đã tìm thấy sản phẩm gốm cổ ở nhiều nớc rất
khác nhau .Trong các viện bảo tàng lớn nh Luân Đôn ngời ta vẫn giữ đợc sản phẩm
gốm cổ của Ai Cập ,ở viện bảo tàng Beclin cũng có mặt một số sản phẩm gốm cổ
trang trí của IRac
Các sản phẩm có rất nhiều màu sắc độc đáo,rất có giá trị mà ngày nay khoa học tiên
tiến cũng khó tạo ra.
Đến thời trung cổ,công nghiệp đồ gốm trên thế giới đã đạt đợc những thành tựu
rất lớn.Tên các trung tâm đồ gốm nổi tiếng hồi bấy giờ đã đợc lấy để đặt tên cho các
mặt hàng nh Fayence hay Majolika.
Trung Quốc là quốc gia có các sản phẩm gốm sứ đợc sản xuất từ những năm
600 trớc công nguyên, thời nhà Thanh hàng sứ Trung Quốc bớc vào thời kỳ cực thịnh.
Sau đó kỹ thuật sản xuất gốm sứ đã lan rộng ra các nớc Châu Âu và toàn thế giới. Các
loại sứ khác nhau lần lợt ra đời đã mở rộng phạm vi ứng dụng của nó tới rất nhiều các
lĩnh vực khác nhau, đặc biệt khi mà con ngời pháp minh ra điện thì đồ sứ mới trở
thành loại vật liệu kỹ thuật.
ở Việt Nam, đồ gốm cũng đợc sản xuất từ lâu, đặc biệt là các sản phẩm gốm từ
thời kỳ Trần. Các cơ sở gốm lâu đời và nổi tiếng của ta là Hơng Canh, Bát Tràng,
Móng Cái đều là các cơ sở sản xuất sứ dân dụng và mỹ nghệ, phần lớn các cơ sở
này trang bị còn rất thô sơ. Vào nửa cuối thế kỷ XX, một số xí nghiệp sứ dân dụng, sứ
vệ sinh đợc xây dựng. Đáp ứng yêu cầu về hàng tiêu dùng ngày một tăng hiện nay.
Quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá toàn diện trên toàn thế giới dẫ thúc đẩy

và đòi hỏi ngành gốm sứ phát triển theo. Đồ gốm sứ ra đời theo chiều dài của thời gian
đã và đang ngày một phát triển , mở rộng.

3


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

Vật liệu gốm sứ là những vật liệu vô cơ, phi kim mà có thể ở dạng tinh thể hoặc
vô định hình. Mặc dù đợc sử dụng từ cổ xa (ceramics đầu tiên đợc tạo thành bằng cách
nung vật liệu bằng đất, đặc biệt là đất sét sớm nhất là 24000 năm trớc công
nguyên). Nhng ceramics ở cả hai dạng quen thuộc và mới vẫn là vật liệu thiết yếu.
Gốm sứ hiện đại bao gồm các sản phẩm bằng đất sét có cấu trúc nh gạch đỏ,
ống dẫn nớc và gạch lát, đồ sứ xơng trắng (chén bát sứ, sứ vệ sinh, đồ sứ nói chung,
gốm sứ trang trí. ), vật liệu chịu lửa; thuỷ tinh(Bao gồm sợi dùng trong thông tin );
vật liệu mài và xi măng.
Sau đó chúng đợc gọi là ceramic cao cấp. Trong đó vật liệu có cấu trúc sử dụng
trong chi tiết máy và những phần khác để chống lại rất nhiều sự mài mòn, để làm dụng
cụ cắt gọt kim loại và dùng trong gốm y sinh nh thay thế xơng và răng.
Các công đoạn kĩ thuật để làm ra sứ mịn đặc trng bởi yêu cầu cao về chất lợng,
sự đồng nhất về nguyên liệu thô. Nó liên quan đến quá trình nghiền , làm giầu nguyên
liệu.
Gốm tinh đang đợc dùng ở phạm vi rộng trong nhiều nghành công nghiệp khác
nhau và các ngành kĩ thuật, điển hình là các dụng cụ và thiết bị cho nghiên cứu khoa
học. Sứ, bán sứ, Fayence và majolika sử dụng nhiều để sản xuất thiết bị vệ sinh.
Sứ cao cấp cũng sử dụng trong tụ điện, điện trở, vật liệu áp điện, vật liệu cách
điện, vật liệu từ tính, vật liệu siêu dẫn và điện cực. Gốm che phủ đợc dùng để bảo vệ
chi tiết máy móc và những bộ phận khác khỏi sự mài mòn nhanh hay sự ăn mòn.Ngoài

ra còn có các loại sứ cao cấp khác dùng làm màng lọc, chất xúc tác và đặc biệt quan
trọng là công nghiệp ôtô - vật liệu mang xúc tác.
Nhiều nhà khoa học vật liệu đã nỗ lực trong việc phát triển vật liệu gốm sứ mới
và cải tiến những thứ đã có. Điều này liên quan đến sự hiểu biết về tính chất vật liệu để
đáp ứng yêu cầu trong những ứng dụng mới. Ví dụ nh, chất kích thích thành phần
hoá học thêm vào là không có mặt trong vật liệu khởi đầu có thể thay đổi điện trở
suất của sứ bởi nhiều mức độ khác nhau, hoặc thay đổi kiểu dẫn điện từ electron sang

4


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

ion. Khi độ dẫn thay đổi rất nguy hiểm cho cảm biến điện hoá và các vật liệu dùng
trong sản xuất năng lợng sạch pin nhiên liệu oxihóa rắn.
Các nhà khoa học cũng đóng vai trò chủ chốt trong những quá trình phát minh
để kết hợp với các vật liệu khác bao gồm kim loại và chất bán dẫn để tạo ra những sản
phẩm mới . Sự hiểu biết sâu sắc về những tính chất là rất cần thiết để vợt qua nhng khó
khản nh sự không tơng đồng trong dãn nở nhiệt , nó có thể trở nên rất nguy hiểm khi
nhiệt độ thay đổi trong quá trình sản xuất và sử dụng một thiết bị.
Ngày nay,những sản phẩm làm hoàn toàn hay một phần bằng vật liệu gốm sứ có
ở mọi nơi xung quanh chúng ta. Trên tất cả các công trình xây dựng lớn nhỏ các loại
gốm sứ nh các loại gốm xây dựng, gạch ốp lát ceramics, granite chúng không chỉ
đảm bảo về độ bền cơ học mà còn mang lại vẻ đẹp có tính thẩm mỹ cao cho các công
trình. Trong mỗi gia đình, các loại sứ dân dụng nh chén, đĩa, bát...là không thể thiếu,
chúng có u điểm là không ảnh hởng đến sc khoẻ con ngời nh các loại đồ nhựa
,polimenên vẫn đợc a dùng và khó thay thế. Ngoài ra đáp ứng nhu cầu trang trí thì
các loại lọ hoa ,chậu hoa hay vật cảnh làm bằng sứ đợc sản xuất nhiều và thu hút mạnh

mẽ ngời tiêu dùng.Còn rất nhiều các loại gốm sứ khác với nhiều mẫu mã khác nhau,rất
đa dạng đang có mặt và khẳng định chỗ đứng trên thị trờng. Gạch cotto cũng nằm
trong số đó mang lại sự đa rạng cho các sản phẩm. Hiện gạch cotto bao gồm các sản
phẩm ốp lát thềm tờng, nền nhà. Cùng với các loại gạch ốp lát khác, nó đang cạnh
tranh và phát triển mạnh mẽ. Công nghệ gốm sứ hứa hẹn sẽ nổi bật trong các ngành
công nghệ của tơng lai.
2.Tình hình nghiên cứu ,ứng dụng và sản xuất gạch Cotto.
Thuộc loại sản phẩm gốm xây dựng đã có từ lâu trên thị trờng Gạch Cotto là
một loại gạch ốp lát đợc làm từ nguyên liệu chủ yếu là các loại đất sét và sản phẩm
này không tráng men. Mâù của gạch xuất phát từ nguyên liệu đầu, phụ thuộc vào
thành phần hoá học của từng loại đất sét. Nếu là đất sét trắng nh đất sét Trúc Thôn sản
phẩm sẽ cho mầu trắng, nếu là đất sét Giếng Đáy mầu của nó sẽ là mầu đỏ. Tuy nhiên,
ngoài thành phần hoá mầu của nó còn phụ thuộc vào điều kiện công nghệ nh nhiệt độ
5


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

nung; nếu nhiệt độ nung thấp thì mầu của sản phẩm đỏ, tơi non song cờng độ thấp; còn
khi nung ở nhiệt độ cao thì mầu gạch xám hơn nhng cờng độ gạch lúc này cao hơn.
Mầu sắc của gạch Cotto có thể thay đổi để làm đa dạng sản phẩm, dải mầu của
nó từ đỏ đến trắng. Sự thay đổi đó có thể bằng cách điều chỉnh thành phần phối liệu
hoặc thay đổi điều kiện công nghệ yếu tố này ít dùng.
Ngoài đòi hỏi về mặt thẩm mỹ phải phù hợp với thị hiếu thì gạch Cotto cũng có
những yêu cầu nhất định về tính chất nh:
- Độ bền cơ học: Tuỳ từng loại gạch, mà yêu cầu về độ bền khác nhau, đó là
một chỉ tiêu quan trọng vì nó quyết định tính chất của công trình, về cờng độ kháng
uốn phải 20 N/mm2.(theo tiêu chuẩn thử nghiệm ISO 10545-4)

Với điều kiện khí hậu nhiệt đới nh nớc ta chỉ số hoá mềm cũng quan trọng. Hệ
số hoá mềm là tỷ số cờng độ gạch (n) ngâm liên tục trong 7 ngày và cờng độ của nó
lúc khô. Để công trình bền vững:
n (trong nớc 7ngày)/n (trong không khí) 0.75.
- Độ hút nớc: Công trình xây dựng muốn bền chắc thì ngoài độ bền cơ học cha
đủ mà đòi hỏi gạch có độ hút nớc trong giới hạn nhất định. Độ hút nớc lớn quá sẽ làm
giảm độ bền cơ học, cũng không đợc nhỏ quá vì ảnh hởng đến khả năng bám, tốt nhất
là trong khoảng từ 3 % ữ 6%.(theo tiêu chuẩn thử nghiệm ISO 10545-3)
- Độ bền chống mài mòn(lợng mất theo thể tích) phải 393mm3%.(theo tiêu
chuẩn thử nghiệm ISO 10545-6)
Bên cạnh các loại gạch granite, ceramics thì gạch cotto cũng chứng tỏ đợc vị thế
của nó. Tuy không có độ nhẵn bóng, không có các màu nhân tạo song gạch cotto lại có
dải màu tự nhiên từ trắng đến đỏ của nguyên liệu. Hơn nữa giá cả cũng là một u thế
của gạch cotto. Chính vì vậy đã có nhiều công trình cải tiến, đổi mới công nghệ, điều
chỉnh thay đổi phối liệu trong các nhà máy gạch cotto. Những công trình nghiên cứu
này chủ yếu xuất phát từ cán bộ kĩ thuật của chính nhà máy đó nên đã làm lợi khá

6


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

nhiều cho sự tiêu thụ và cuốn hút khách hàng tạo ra sự cạnh tranh giữa các nhà máy
giúp các nhà máy đứng vững, đồng thời thúc đẩy sự phát triển hơn nữa trong tơng lai.
ở nớc ta, các nhà máy gạch cotto đang dần dần phát triển và nâng cao năng
suất, đồng thời sản xuất nhiều loại với các kích thớc khác nhau nh gạch lát nền, lát
thềm, ốp tờng đem lại cho ngời tiêu dùng nhiều cách lựa chọn cho một công trình
hoặc quần thể kiến trúc vẻ đẹp giản dị lại rất ấn tợng và đẹp mắt.

Hiện nay, phơng pháp sản xuất gạch cotto là phơng pháp dẻo phù hơp với chỉ số
độ dẻo của các mỏ đất sét chính ở nớc ta nh Trúc Thôn, Giếng Đáy Gạch cotto
không đợc dùng nhiều ở các nhà cao tầng nhng nó lại rất hợp với các công trình vừa và
nhỏ. Để có khu thềm vừa đẹp lại có độ ma sát vừa phải khi ngời và xe ra vào thì gạch
cotto là loại gạch khá lí tởng.
Cùng với sự phát triển của công nghiệp nói chungvà nghành vật liệu xây dựng
nói riêng thì sản phẩm gạch cotto cũng đang khẳng định là một mặt hàng đợc tiêu thụ
mạnh dù vẫn có những khó khăn, thách thức khi cạnh tranh với các sản phẩm khác có
giá trị sử dụng giống nhau.
ở Việt Nam, hiện nay có 2 nhà máy gạch cotto là nhà máy gạch cotto ở Hạ
Long và ở Bình Dơng. Nhu cầu tiêu thụ là không nhỏ, song khi mà phải cạnh tranh
cùng các loại gạch ốp lát khác thì vấn đề nghiên cứu cải tiến công nghệ là vấn đề cấp
thiết để vừa tăng năng suất vừa hạ giá thành. Hiện nay, xu hớng chung sản xuất gạch
cotto vẫn chủ yếu là từ nguyên liệu đất sét.
Thêm feldspar vào trong phối liệu sản xuất gạch cotto là một hớng nghiên cứu
đợc đánh giá là có tính lôgic và thích hợp về mặt khoa học. Tuy nhiên các công trình
nghiên cứu này hầu hết chỉ là những công trình nghiên cứu nhỏ, cha đợc áp dụng vào
thực tiễn.Do vậy việc tiếp tục nghiên cứu đa feldspar vào trong phối liệu là phù hợp
với xu hớng phát triển hiện nay về lĩnh vực gốm sứ nói chung và gạch cotto nói riêng.
Nghiên cứu đa nguyên liệu feldspar vào trong phối liệu gạch cotto nhằm giảm
nhiệt độ nung nhng vẫn đảm bảo một số tính chất quan trọng của sản phẩm nh độ bền

7


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

cơ, độ hút nớc là cần thiết. Khi đó, sẽ tiết kiệm đợc nhiên liệu đốt cũng nh các hoa

mòn khi nung. Hơn nữa, nguyên liệu feldspar trong nớc ta rất phong phú, có nhiều mỏ
feldspar lớn nh các mỏ feldspar Fai hạ, feldspar Lao Cai, feldspar Trực Bình Nếu tận
dụng đợc nguồn nguyên liệu trong nớc này thì nó sẽ giảm đợc giá thành sản phẩm tạo
điều kiện phát triển hơn nữa loại sản phẩm này.
Xuất phát từ các vấn đề nêu trên có thể đa ra 1 hớng nghiên cứu đó là:Nghiên
cứu sử dụng các nguồn nguyên liệu feldspar ở Việt Nam đa vào trong phối liệu gạch
cotto để hạ thấp nhiệt độ nung của sản phẩm.
Đây là 1 đề tài mà ngành khoa học vật liệu đang rất quan tâm. Nó có tính khả
thi cao và nếu việc nghiên cứu thành công thì đề tài này sẽ là một báo cáo khoa học có
giá trị và có thể đợc ứng dụng ngay vào trong thực tế sản xuất.

Phần I: cơ sở lí thuyết
8


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

I.1. Cơ sở hoá lý của quá trình nung gốm sứ.
*. Quá trình nung gốm sứ:
Sản phẩm gốm sứ chỉ nung đến kết khối, quá trình nung là không thuận nghịch
và hầu nh không đạt đợc cân bằng pha (tức là không thực hiện đến cùng)
a.Hiện tợng kết khối:
Kết khối là quá trình giảm bề mặt (bên trong và bên ngoài hay ở chỗ tiếp xúc
với nhau) của các phần tử vật chất do xuất hiện hay phát triển mối liên kết giữa các
hạt, do sự biến mất của lỗ xốp trong vật liệu để hình thành một khối thể với thể tích bé
nhất. Quá trình giảm bề mặt ngoài xảy ra đồng thời với sự xuất hiện hay tăng cờng các
cầu nối giữa các hạt vật thể dới tác dụng của áp suất hay nhiệt độ.
Sứ tốt : w 0 % ; Xbk 0% .

Gạch : w 8 ữ14% ; Xbk 20%
Đối với từng loại sản phẩm,trạng thái kết khối tốt là
khi các tính chất vật lí (tính chất cơ học, độ hút nớc độ xốp ,độ co , ..,) đạt mức cực
đại hoặc cực tiểu.

Cường độ cơ học

Khối lượng thể tích

- Quan hệ giữa quá trình kết khối và các tính chất vật lí trong quá trình kết
khối:
0

1

2

3

Độ co
4

9


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

Giai đoạn 1: nhiệt độ trớc kết khối.

Giai đoạn 2: nhiệt độ tiến triển kết khối.
Giai đoạn 3: nhiệt độ ở trạng thái kết khối.
Giai đoạn 4: nhiệt độ quá nhiệt.
- Động lực của quá trình kết khối chính là năng lợng bề mặt của các hạt tham
gia kết khối. Khi kết khối tốt thì năng lợng tự do bề mặt giảm đến tối thiểu.
* Năng lợng tự do:- Bề mặt các hạt rắn càng nhỏ thì năng lợng tự do càng lớn
trong quá trình nung có xu hớng liên kết với nhau tạo bề mặt lớn hơn và năng lợng tự
do của hệ giảm xuống.
- Có trong các khuyết tật bề mặt bên trong hạt rắn.
Khi xét quá trình kết khối thì ta xem xét các pha tồn tại trong sản phẩm khi
nung.
+ Nếu tồn tại các pha rắn, lỏng, khí thì quá trình chuyển khối chủ yếu do pha
lỏng quyết định, gọi là quá trình kết khối có pha lỏng tham gia hay kết khối pha lỏng
+ Nếu hệ chỉ có pha rắn và khí thì quá trình kết khối do pha rắn quyết định.
Đề tài này với sản phẩm gạch Cotto quá trình kết khối pha lỏng.

10


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

Hiện tợng kết khối pha rắn chỉ xảy ra lúc nung các loại gốm sứ đi từ các ôxit
tinh khiết.
b. Lý thuyết quá trình kết khối có mặt pha lỏng:
Trong điều kiện thực tế gốm sứ, ở nhiệt độ nung max đều có mặt pha lỏng. Lợng
pha lỏng này tùy thuộc vào tốc độ đốt nóng, thời gian nung sẽ càng gần với lợng cân
bằng với pha rắn.
Trong điều kiện thấm ớt tốt nó sẽ tạo ra cầu nối giữa các hạt rắn. Việc tạo ra cầu

nối giữa các hạt rắn sẽ dẫn tới lực kéo giữa các hạt. Lực này xác định theo:
F=. .R .sin .[R .sin ( 1/R1-1/R2) + 2sin( + )]
(Kĩ thuật hoá học vật liệu chịu lửa-Trang76- Bộ môn Silicat)
R2
R1




R

Lỏng
: Góc lỏng , tuỳ theo lợng chất lỏng sẽ tăng nếu tăng cầu nối
: Sức căng bề mặt ở ranh giới lỏng - khí
R : Bán kính hạt rắn( cầu )
: Góc thấm ớt
R1, R2: bán kính cong của chất lỏng
-Lực kéo phụ thuộc các yếu tố:
+ Khi hàm lợng pha lỏng cố định, nếu = 0 thì lực kéo max, nếu tăng thì lực
kéo giảm nhanh khi 900 .Từ lúc đó lực sẽ hay đổi dấu nghĩa là có lực đẩy hạt cầu.

11


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

Lực kéo không chỉ phụ thuộc vào mà còn phụ thuộc lợng pha lỏng với góc lỏng
. Trong điều kiện nh nhau thì nếu tăng lực kéo sẽ giảm , khi ( + /2) < 900 thì

sẽ có lực kéo , nếu ( + /2) > 900 sẽ có lực đẩy .
+Tăng bán kính hạt R và sức căng bề mặt của pha lỏng thì lực kéo tăng lên nh
công thức trên . Nh vậy tính chất pha lỏng có ý nghĩa quyết định đối với lực kéo
các hạt . Đồng thời khi và đã cho thì lợng pha lỏng có vai trò quan trọng và
đợc chứng minh bằng tính toán và thực nghiệm . Nừu tăng lợng pha lỏng khi
thấm ớt hoàn toàn bề mặt hạt cầu thì lực kéo giảm đi . Lực này đạt cực đại chỉ
khi lợng pha lỏng rất nhỏ .
Trong thực tế , hạt phối liệu của chúng ta thờng không phải là dạng cầu mà ở
dạng khối , tấm thấp Sự tiếp xúc giữa chúng có dạng mặt phẳng tiếp cận với
cạnh của khối tháp và ta coi nh sự tiếp xúc giữa hình côn với mặt phẳng . Trong
trờng hợp này lực kéo các hạt gần nhau xác định bằng :
F = . a . . [a.(1/R2- 1/R1) + 2 cos ]
(Kĩ thuật hoá học vật liệu chịu lửa-Trang77- Bộ môn Silicat)
a



R2

R1
Sơ đồ tiếp xúc giữa mặt phẳng và cạnh dạng côn
a : bán kính vòng thấm ớt của chất lỏng .
b :1/2 góc của côn .
Từ công thức trên ta thấy lực kéo tăng nếu tăng góc và tăng lợng pha lỏng vì
tăng R1 .
12


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

ý nghĩa của lợng pha lỏng đối với đại lợng kéo ở chỗ các cầu nối bắt đầu biến
mất do các lỗ ngấm đầy chất lỏng và lực kéo này giảm đến khi chất lỏng ngấm đầy
hoàn toàn các lỗ. Vì vậy trong trờng hợp tiếp xúc côn-mặt phẳng, nếu tăng lợng pha
lỏng lúc đầu lực kéo tăng lên, nhng sau đó lực kéo giảm nếu tiếp tục tăng lợng pha
lỏng. Lực kéo có tác dụng to lớn đến kết khối có pha lỏng, tuy nhiên không phải chỉ do
pha lỏng gây nên.Trong viên mộc các hạt đợc ép chặt vaò nhau bởi lực ép lúc tạo hình,
vì vậy thực tế của quá trình co đối với các tổ hợp hạt đợc ép sơ bộ đó là khả năng khi
có điều kiện để phân bố chống lại thể tích và tập trung pha lỏng ở các lỗ.
b.1. Mô hình kết khối pha lỏng không có phản ứng giữa rắn lỏng :
Độ co khi kết khối
L = ( 3 . . L0 ) . t / (4 . . r ).
: Sức căng bề mặt của lỏng .
: Độ nhớt pha lỏng .
r : Bán kính các hạt .
t : Nhiệt độ kết khối .



r

Pha lỏng
L0

L0 : Khoảng cách biến đổi giữa hai hạt

13

Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

L0 = + 2.r
Khi kết khối L0
*Vai trò của , :

Độ nhớt càng giảm tiếp xúc càng tăng

càng tăng kết khối (lỏng càng dễ chui sâu vào giữa các hạt) .
thay đổi không nhiều theo nhiệt độ .
Nếu lỏng từ 35 ữ 40% thì cha điền đầy các lỗ xốp trong sản phẩm .
b.2 Mô hình kết khối pha lỏng có tơng tác giữa rắn lỏng :
K
r

Nếu phản ứng hoá học tăng
thì K tăng và l tăng

l

Sự có mặt pha lỏng sẽ có điều kiện để hoà tan rắn trong chúng và kết tinh pha
rắn từ chúng . Các tinh thể phân tán cao (mịn) nhiều khuyết tật ở mạng tinh thể , các
hạt bị nén nhiều (ứng suất nén) sẽ có độ hoà tan lớn trong pha lỏng . Do đó pha lỏng
có khả năng vận chuyển pha rắn nên nó thấm ớt tốt pha rắn và pha rắn có thể tách ra
khỏi pha lỏng trên thành lỗ xốp.
Quá trình kết khối pha lỏng có phản ứng giữa rắn và lỏng tiến hành qua 3 giai
đoạn :
Giai đoạn 1: Từ nhiệt độ thấp đến nhiệt độ nhất định thì có pha lỏng xuất hiện ,

giai đoạn này phân bố lại các hạt để chúng có mật độ sắp xếp max và bề mặt lỗ nhỏ
nhất . Tuy nhiên không đảm bảo xít đặc hoàn toàn nếu các hạt có dạng cầu và lợng pha
lỏng ít. Càng tăng nhiệt độ, do sức căng bề mặt và độ nhớt pha lỏng thì các hạt xích lại

14


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

gần nhauvà tăng mật độ. Giai đoạn đầu của nó ứng với sự chảy nhớt và động học tính
theo phơng trình:
L/L = 1/3 . V/V T 1+y
(1+ y) là kết quả của sự thay đổi theo thời gian của lực liên kết (tác dụng của
lực đó vừa làm giảm bán kính trung bình của lỗ xốp vừa làm tăng kích thớc trung bình
của hạt), (1+y) luôn lớn hơn 1.
Mức độ xít đặc của vật liệu ở giai đoạn thứ nhất này phụ thuộc vào lợng pha
lỏng . Để xít đặc hoàn toàn theo cơ chế này thì lợng pha lỏng phải có khoảng 35% thể
tích.
Giai đoạn 2: Là giai đoạn hoà tan và kết tinh.
Pha lỏng có giảm tạo điều kiện cho phản ứng hoá học tăng cờng. Pha lỏng
tác dụng với pha rắn và đến trạng thái bão hoà thì các tinh thể đợc tách ra.

Các hạt nhỏ bán kính cong của vết nhô nhỏ thì hoà tan nhanh, các hạt lớn bán
Rắn
kính cong lớn hoà tan chậm Pha lỏng Rắn
có vai trò chuyển khối .
Kết quả : Các hạt bé, rất nhỏ có khả năng hoà tan hoàn toàn. Các tinh thể mới
tạo thành có bề mặt tơng đối bằng phẳng và bắt đầu sắp xếp chặt chẽ.

Lỏng
-Hoà tan xuất hiện tinh thể
Tốc độ ban đầu trong quá trình kết đặc trong cơ cấu hoà tan kết tinh có thể xác
tăng cả số lượng và kích thước
định bằng tốc độ khuếch tán vật liệu ở phần tiếp xúc, hoặc tốc độ phản ứng ở gianh
giới pha.
Đối với hạt dạng cầu, động học kết khối theo định luật khuếch tán xác định theo :
1

l 1 V 6.m..D.C. .V0 3 13
=
=
.r .T
l 0 3 V0
n.R.T

m, n :Hằng số.


: Chiều dày màng lỏng giữa các hạt.

D

: Hệ số khuếch tán trong lỏng.

15


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

C

: Độ hoà tan pha rắn trong lỏng.



: Sức căng bề mặt của lỏng.

V0

: Thể tích phân tử của chất rắn hoà tan.

r

: Đờng kính ban đầu của hạt cầu.

T

: Thời gian.

Từ đó ta thấy nếu tăng D (hệ số k trong C(độ tan)) và giảm kích thớc hạt thì kết
khối sẽ tăng cờng.
Cũng trong trờng hợp ấy sự phụ thuộc phơng trình vào tốc độ phản ứng ở gianh
giới pha có thể căn cứ theo phơng trình động học :
1

1
l 1 V 6.m...C. .V0 2

1
=
=
.p.r .T 2
l 0 3 V0
n.R.T


p : Hằng số.
Giai đoạn 3: Là giai đoạn kết thúc kết khối, quá trình hoà tan và kết tinh hoàn
toàn ở một nhiệt độ thích hợp và các tinh thể hình thành nên bộ khung vững chắc .
Độ nhớt pha lỏng và khả năng thấm ớt của nó rất quan trọng để tiếp tục điền đầy
lỗ xốp và làm tăng mật độ.

16


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

c . Sự biến đổi vật chất của các loại nguyên liệu khi nung .
Nguyên liệu của sản phẩm là đất sét nên ta xét biểu đồ DTA
9500

1190-1300

(h/ toả nhiệt )
6000
100 - 2000C

( h/ thu nhiệt )
(Caolinit)
9500
(h/ toả nhiệt )
(h/ thu nhiệt)
9000C
7000C
100 - 2500C
( Montmorilonit)
Sự biến đổi VC của đất sét khi nung của một số khoáng chính trong đất sét
- Khoáng Montmorilonit :
+ Hiệu ứng thu nhiệt thứ nhất : ở khoảng 100 0C - 2500C là hiệu ứng thu nhiệt
khá lớn do mất nớc lí học .
+ Khoảng thu nhiệt thứ hai : ở ~ 700 0C là lúc tách nớc giữa các tập cấu trúc
(nH2O) .
+ Hiệu ứng thu nhiệt thứ ba : Tách nớc hoá học H2O liên kết trong các tập cấu
trúc .
- Khoáng Caolinit :
+ Hiệu ứng thu nhiệt thứ nhất : Tách nớc giữa các hạt với nhau.
+ Hiệu ứng thu nhiệt thứ hai : Tách nớc hoá học .
17


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

* Về sản phẩm sau khi mất nớc hoá học ( 6000C) cho đến hiệu ứng toả nhiệt ở 9500C
- Tồn tại ôxit SiO2 và Al2O3 tự do ( dạng vô định hình )
6000C - 9500C

Al2O3. 2SiO2. 2H2O > Al2O3 tự do + 2SiO2 tự do
- Một số ý kiến cho rằng thời điểm này sẽ tạo Metacaolinit :
to
Al2O3. 2SiO2. 2H2O > Al2O3 . 2SiO2
Về sản phẩm của các phản ứng toả nhiệt :
a. Hiệu ứng ở 950oC :
-Có thể tạo nên khoáng Silimanit hoặc Mulit :
+ Từ các ôxit tự do :
Al2O3 + 2SiO2 > Al2O3 . SiO2 + SiO2
Silimanit
ở dạng vđh
3Al2O3 + 6SiO2 > 3Al2O3. 2SiO2 + SiO2
Mulit
ở dạng vđh
+ Từ Metacaolinit :
Al2O3. 2SiO2 > Al2O3. SiO2 + SiO2 vđh
Silimanit
3(Al2O3. 2SiO2) > 3Al2O3. 2SiO2 + 4SiO2 vđh
Mulit
+ Từ pha Spinel dạng khối ( hệ khối ) :
-Sau khi Caolinit phân giải thành các ôxit tự do SiO 2 và Al2O3 ( 9500C) thì Al2O3
vđh

chuyển sang dạng khác là 8Al2O3 - còn gọi là hệ Spinel dạng khối .

b. Hiệu ứng ở 11900C :
-Hiệu ứng này là do Mulit đợc kết tinh ồ ạt , theo đa số các nhà nghiên cứu ->
toả nhiệt .
c. Hiệu ứng toả nhiệt ở 13000C :
-Do SiO2 vđh đợc tạo thành từ các phản ứng ở trên kết tinh lại tạo thành Caistokalit .

Với vật liệu gốm thông thờng , đặc biệt là gạch Cotto thì hiệu ứng thứ ba không
tồn tại do không nung đến nhiệt độ đó .

18


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

I. 2 - Các biện pháp thúc đẩy quá trình kết khối :
I . 2. 1- Nhiệt độ nung .
-Nhiệt độ nung hợp lý là yếu tố quan trọng ảnh hởng quyết định đến quá trình kết
khối . Khi nhiệt độ nung thấp , pha lỏng tạo ra ít nên quá trình kết khối cũng chậm .
Để thúc đẩy quá trình kết khối thì nhiệt độ nung phải cao . Nh thế pha lỏng tạo ra sẽ
hoà tan pha rắn , pha rắn sẽ kết tinh lại đồng thời cũng bịt kín lỗ xốp ... Kết khối sẽ
tăng cờng .
-Tuy nhiên , nhiệt độ nung cũng không đợc cao quá vì khi pha thuỷ tinh nhiều quá
sẽ ảnh hởng đến cờng độ của sản phẩm .
-Tuỳ theo lợng pha lỏng và tính chất của nó thay đổi nhanh hay chậm mà chọn
nhiệt độ nung hợp lý nhất .
-Nếu pha lỏng là loại thuỷ tinh dài thì khoảng kết khối rộng do vậy sẽ nung rất
dễ . Ta sẽ nâng nhiệt cao hơn và không cần nhiều thời gian lu .Trờng hợp này có thể
nâng nhiệt độ lên 200C- 300C so với lý thuyết .
I . 2. 2- Độ sít đặc.
-Bán thành phẩm nếu có độ sít đặc càng cao kết khối càng thuận lợi . Quá trình
kết khối sẽ tốt và nhanh hơn khi nó đợc ép với áp lực thấp cho mật độ không cao vì
bản chất của quá trình kết khối là liên kết chặt chẽ các hạt với nhau và điền đầy các
lỗ xốp . Độ sít đặc cao tăng cờng quá trình kết khối nhng ở mức độ không cao , chỉ là
yếu tố phụ có ý nghĩa đáng kể khi nung các loại gốm đặc biệt mà quá trình kết khối

đơn thuần xảy ra ở trạng thái rắn .
I . 2. 3 - Thành phần hoá học của phối liệu :
-Thành phần hoá học chủ yếu trong nguyên liệu đất sét là các ôxit : SiO 2 , Al2O3
, Fe2O3 , CaO , MgO , K2O, Na2O ...
-Lý thuyết và thực nghiệm đều chỉ ra rằng thành phần hoá học là yếu tố chính
quyết dịnh độ chịu lửa của nó tức là quyết định nhiệt độ và khoảng kết khối .

19


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

-Thành phần ôxit SiO2 và Al2O3 sẽ làm tăng nhiệt độ nung của phối liệu vì chúng
có nhiệt độ khá cao , vì vậy nếu thành phần các ôxit này cao thì quá trình kết khối sẽ
chậm hơn .
- Các ôxit Fe2O3 , CaO, MgO cũng có tác dụng hạ thấp nhiệt độ nung song vai trò
của chúng là thấp với xơng gốm .
-

K2O. Na2O : Ôxit kiềm làm giảm nhiệt độ từ vùng nhiệt độ thấp đến vùng nhiệt độ
cao . Đặc biệt , khi có trong thành phần Felpat , chính vì vậy quá trình kết khối có
thể xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn . Kết khối sẽ tăng cờng mạnh khi có mặt thành phần
2 ôxit này với hàm lợng không cao . Đây cũng chính là mục đích của đồ án này .

I . 2. 4 - Thành phần hạt.
- Kích thớc và thành phần hạt chẳng những có tác dụng đến việc sắp xếp các hạt vật
chất trong sản phẩm lúc mới tạo hình mà còn là nhân tố khá quan trọng ảnh hởng
đến quá trình kết khối . Hiện tợng kết khối thực chất là quá trình xảy ra trên bề mặt

giữa bề mặt tiếp xúc của các hạt của vật thể . Đối với công nghiệp gốm sứ , khi
phân loại sản phẩm đã phân chia ra gần thô và tinh đã phần nào công nhận vai trò ,
tác dụng của thành phần và kích thớc hạt .
Thông thờng , cỡ hạt càng bé thì sự kết khối càng tốt . Nếu hạt đạt độ mịn yêu cầu
có thể hạ thấp nhiệt độ nung đến khoảng 200C - 350C .
Đối với sản phẩm gốm sứ , quá trình kết khối thờng có mặt pha lỏng thì kích thớc
hạt vật liệu lúc đầu ảnh hởng đáng kể đến độ hoà tan của pha rắn trong pha lỏng . Vì
vậy , làm thay đổi mạnh các tính chất của pha đó ( độ nhớt , sức căng bề mặt ...) .
Kết quả làm thay đổi mọi tính chất của sản phẩm .
I. 2. 5 - Thành phần pha - Nguyên liệu Feldspar .
Quá trình kết khối ở đây có mặt pha lỏng . Tác dụng của pha lỏng là rất quan trọng
và mang tính quyết định . Với hàm lợng pha lỏng hợp lý sẽ kết khối ở mức độ cao và
nhiệt độ thấp . Vì vậy cần thiết phải có các nguyên liệu khi nung tăng lợng pha lỏng .
Feldspar :

20


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

Thực tế , Feldspar thờng không ở dạng đơn khoáng riêng biệt mà phổ biến là các hỗn
hợp đồng hình . Chúng đợc chia ra các nhóm phụ sau :
+ Nhóm phụ Plagioclaz : là hỗn hợp đồng hình của trờng thạch Nattri ( albit ) và
trờng thạch Canxi ( anothit ) . Tập hợp tinh thể dạng tấm , màu trắng hoặc xám lục.
+ Nhóm phụ Orthoclaz : Là hỗn hợp đồng hình của trờng thạch Kali và Nátri .
Do kích thớc của Cation K+ và Na+ rất khác nhau ( K+=1,33 ,Na+=0,98 ) nên
trong dung dịch rắn của chúng tạo thành ở nhiệt độ cao dễ bị phân huỷ khi giảm nhiệt
độ tạo nên các Pecthit .

-Các hỗn hợp đồng hình của trờng thạch là rất phức tạp . Biểu đồ 3 cấu tử của các
Feldspar kalidạng đồng hình của Feldspar .
K2O.Al2O3.6SiO2
pecthit

Feldspar Na: . Na2O.Al2O3. 6SiO2
:

Plagioclaz

: Vùng cha tìm thấy dạng đồng hình

17000C
15000C
13000C Lencit +lỏng
lỏng
11000C
9000C
100% Feldspar kali

Feldspar
Lencit và lỏng
Feldspar +lỏng
+Feldspar

100%
feldspar natri

21

Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

-Trờng thạch Kali nóng chảy ở 11700C và phân huỷ thành Lencit và -pha lỏng .
Khoảng chảy của trờng thạch Kali là rất rộng ( > 300 0C ) . -Đó là loại thuỷ tinh dài ,
khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt của nó giảm mạnh . Trờng thạch Nattri nguyên chất
nóng chảy ở 11200C và ngay lập tức chuyển thành lỏng đồng nhất có độ nhớt rất bé .
Vai trò của Feldspar trong quá trình nung sản phẩm
-ở nhiệt độ thấp ( < 1000 0C ) Feldspar có vai trò là nguyên liệu gầy nhng ở
nhiệt độ cao hơn 10000C , Feldspar bắt đầu nóng chảy ra .
-Hạ thấp nhiệt độ kết khối của sản phẩm khi nung , đặc biệt trong trạng thái
nghiền mịn thì càng dễ chảy . Khi đó nó sẽ bít kín các lỗ xốp
- -Sau khi có Feldspar chảy lỏng với độ nhớt thích hợp thì hoà tan các cấu tử khác
nh SiO2 , tàn d đất sét , mà trong đó nồng độ Al 3+ , Si4+ bão hoà , từ đó sinh ra các
tinh thể Mulit thứ sinh . Khi đó sẽ làm thành bộ khung cứng cho xơng sản phẩm .
Do đó , một trong các biện pháp tăng cờng kết khối tốt nhất là thêm Feldspar vào
trong phối liệu , lúc đó sẽ giảm đợc nhiệt độ nung sản phẩm .

22


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

Phần II -Phần thực nghiệm
2.1 - Nội dung thực nghiệm .
Từ những vấn đề nghiên cứu nh trên thì hớng thực nghiệm sẽ đi sâu về những

vấn đề sau:
-Nghiên cứu về phối liệu thực tế của nhà máy gạch Cotto Hạ Long để tìm nhiệt
độ nung hợp lý của phối liệu đối chứng để đạt độ hút nớc W = 6% ( phối liệu của
công ty gốm xây dựng Hạ Long ) .
-Nghiên cứu phơng pháp đa feldspar vào trong phối liệu : định hớng của đề tài
sẽ là sử dụng hai loại phối liệu feldpar là feldspar Lào Cai và feldspar Fai hạ .
-Trên cơ sở phối liệu đối chứng ta điều chỉnh phối liệu có sử dụng feldspar để
tìm đợc nhiệt độ nung mà tại đó sản phẩm đạt đợc độ hút nớc W = 6% .
Để thực hiện mục đích trên ta tiến hành một số thí nghiệm nh trong phần 2.2
2.2-Một số phơng pháp thực nghiệm cụ thể:
2.1.1 - Phơng pháp xác định độ kết khối của sản phẩm .
- Để xác định độ kết khối của sản phẩm ta dựa vào việc xác định độ hút nớc( H) , độ
xốp biểu kiến(X) và khối lợng riêng của nó ().
a. Khái niệm :
- Độ hút nớc là tỷ lệ giữa khối lợng nớc ngấm và khối lợng mẫu tính bằng % .
- Độ xốp biểu kiến là tỷ lệ giữa thể tích lỗ hở với thể tích mẫu thử tính bằng % .
- Khối lợng thể tích là tỷ lệ giứa khối lợng mẫu khô và thể tích mẫu thử ( thể tích có
kể đến lỗ xốp ) tính bằng g/cm3 .
b. Dụng cụ thí nghiệm .
- Tủ sấy
- Cân kĩ thuật có độ chính xác 0,01 g
- Nồi và bếp dùng để đung sôi mẫu .
23


Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

- Cân thuỷ tinh

- Vải ẩm .
- Máy ép .
- Lò điện Trung Quốc .
- Máy nghiền bi sứ .
- Sàng 2mm
- Bi .
c. Chuẩn bị mẫu thử .
Với mẫu chuẩn :
- Đất sét đợc sấy khô đến trọng lợng không đổi trong tủ sấy . Cân lấy một khối lợng
đất sét cố định rồi đem trộn ẩm với độ ẩm là 6% . Sau khi ủ một ngày , mang mẫu
ra ép , khối lợng mỗi lần ép là 200 g. ép bằng máy ép sau 2 lần ép ( 2 bậc ) cách
nhau khoảng 10 giây .
- Lực ép ban đầu là 25 kg , lực ép lần 2 là 52 kg .
-

Sau khi ép mẫu , ta đem sấy rồi bắt đầu chia mẫu thành các mẫu nhỏ , sửa chữa và

mài nhẵn bề mặt rồi đem nung ở các nhiệt độ khác nhau .
d. Tiến hành thử .
- Sau khi nung mẫu đợc làm nguội và giữ trong bình hút ẩm rồi cân ngay khối lợng
mẫu ( G1) bằng cân kĩ thuật có độ chính xác 0,01 g .
- Cho mẫu ngậm đầy nớc vào lỗ hở bằng phơng pháp đung sôi : Đun sôi mẫu trong
vòng 3 giờ , sau đó làm nguội mẫu bằng nớc lạnh . Mực nớc trong nồi phải ngập
mẫu thử 2-3 cm và ở đáy có đặt vải để tránh mẫu chạm với đáy nồi khi đun và để
cho mẫu ngẫm đều nớc .
- Khi mẫu đã nguội , cân mẫu trong không khí ( G2) và trong nớc (G3) . Trớc khi cân
mẫu trong không khí , lấy mẫu ra khỏi nồi , dùng khăn ớt thấm nhẹ nớc còn đọng ở
ngoài mẫu thử .

24

Đồ án tốt nghiệp

Trơng Thành Đông

- Cân mẫu trong nớc bằng cân thuỷ tinh bằng cách thêm bên đĩa cân bên trái quang
treo để đặt mẫu thử . Quang dây mảnh nhúng ngập trong cốc nớc ( luôn giữ nớc
trong cốc ở mực cố định ) . Đặt đối trọng lên đĩa cân bên phải cho thăng bằng .
- Đặt mẫu vào quang dây và cân khối lợng G3 .
Với mẫu có thêm Feldspar
- Đất sét Felpat đợc sấy khô đến khối lợng không đổi trong tủ sấy . Trộn đất sét và
Felpat tuỳ theo thành phần dự kiến .
- Felpat đã đợc sấy khô mang đi nghiền trong máy nghiền bi sứ với tỷ lệ : liệu : bi :
nớc = 1: 1,5 : 1 .
- Sau khi nghiền , liệu đợc tháo vào khuôn thạch cao để hút bớt nớc . Sau đó tách liệu
khỏi khuôn thạch cao , sấy đến khối lợng không đổi
Phơng pháp trộn
- Pha loãng Feldspar thành dạng hồ với thành phần ẩm là 50% trong cốc thuỷ tinh
250ml . Rót hồ Feldspar đều trên bề mặt lớp đất sét . Trộn hỗn hợp bằng tay , sàng
các hạt này qua sàng 2

mm

. Với các hạt không lọt , lấy hòn bi sứ lăn tiếp đến khi

nào toàn bộ hỗn hợp lọt qua sàng .
- Sấy khô hỗn hợp rồi trộn ẩm , ủ . Các bớc tiếp theo giống nh với đất sét .
Công thức :
-Độ hút nớc: w=

G 2 G1
.100% .
G1

-Khối lợng thể tích: =

G1
.
G2 G3

-Độ xốp biểu kiến: X=

G 2 G1
.100%
G2 G3

2.1.2 - Phơng pháp xác định cờng độ cơ học .
ở đây ta xác định độ bền của sản phẩm .
Dụng cụ thí nghiệm :

25