VIỆN NGHIÊN CỨU SÀNH SỨ THỦY TINH CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT GỐM SẠCH BỀN NHIỆT BỀN HÓA PHỤC VỤ ĐỜI SỐNG CNĐT: NGUYỄN TIẾN ĐIỆP 8329 HÀ NỘI – 2010 1 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 3  PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 1.1. Giới thiệu công nghệ sản xuất sứ gia dụng 8 1.2. Độ bền nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng 10 1.2.1. Khái niệm 10 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng 10 1.3. Độ bền cơ học và các yếu tố ảnh hưởng 11 1.3.1. Biến dạng đàn hồi của vật liệu gốm 11 1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cơ của vật liệu gốm 12 1.4. Các phương pháp làm tăng độ bền cơ, bền nhiệt 14 1.4.1. Tăng độ bền cơ 14 1.4.2. Tăng độ bền nhiệt 14 1.5. Men và tính chất của men 15 1.5.1. Khái niệm 15 1.5.2. Tính chất của men 16 1.6. Đặc điểm của một số hệ vật liệu gốm bền nhiệt, bền cơ 18 1.6.1. Hệ vật liệu bền nhiệt cordierite Mg 2 Al 4 Si 5 O 18 (2MgO.2Al 2 O 3 .5SiO 2 ) 18 1.6.2. Hệ Mullit (3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) 18 1.6.3. Hệ Corindon, corindon-Mulit 19 1.6.4. Hệ vật liệu zirconia ổn định ZrO 2 . 19 PHẦN II. THỰC NGHIỆM 22 2.1. Trình tự thực nghiệm: 22 2.2. Lựa chọn nguyên liệu 22 2.2.1. Các nguyên liệu dẻo 22 2.2.2. Các nguyên liệu gầy 23 2.2.3. Các nguyên liệu khác 23 2.3. Các thiết bị dùng để thí nghiệm 24 2 2.4. Xây dựng các bài phối liệu nghiên cứu 24  2.4.1. Bài phối liệu thăm dò 24 2.4.2. Các bài phối liệu nghiên cứu 26 2.4.2.1. Khảo sát phối liệu lần 1 26 2.4.2.2 Khảo sát phối liệu lần 2 30 2.4.2.3 Khảo sát phối liệu lần 3 32 PHẦN III. CHẾ THỬ SẢN PHẨM 37 PHẦN IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39 1. Kết luận 39 2. Kiến Nghị: 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 3 PHẦN MỞ ĐẦU Ngành sản xuất gốm sứ gia dụng đã ra đời từ rất lâu, cách đây hàng nghìn năm. Theo lịch sử phát triển của ngành sản xuất gốm sứ thì ngành sản xuất gốm gia dụng nói riêng cũng ngày càng được phát triển mạnh mẽ và nâng cao về chất lượng và số lượng. Các sản phẩm gốm sứ gia dụng trước đây như: bát, đĩa, chén, ấm…, với quy trình công nghệ sản xuất, quá trình nung luyệ n tạo nên các sản phẩm có khả năng làm việc ở nhiệt độ thường không cao và có độ bền cơ không cao. Các sản phẩm này dễ bị sứt vỡ và không chịu được sự biến đổi nhiệt độ lớn. Do đó, không đạt được nhiều yêu cầu kỹ thuật mới đặt ra. Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật các công nghệ sản xuất mới ra đời bên cạnh việc phát triển các sản phẩm sứ gia dụng dùng ở nhiệt độ thường với điều kiện sinh hoạt thường ngày của người dân. Chúng ta còn đang mở rộng phát triển sứ gia dụng trong một số lĩnh vực khác như: Các sản phẩm làm nồi đun nấu trực tiếp trên ngọn lửa bếp ga, điện, than…, có thể sử dụng được trong lò vi sóng sử dụng để nấu chín thức ăn,… nhưng vẫn đảm bảo sản phẩm không bị nứt vỡ hay biến dạng, đồng thời đảm bảo các quy định về an toàn vệ sinh thực phẩm, môi trường không gây độc hại, nguy hiểm đến sức khỏe của người sử dụng. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài: Vật liệu gốm bền sốc nhiệt chất lượng cao dùng làm đồ đ un nấu đã được sản xuất ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới như Mỹ, Nhật, Đức, Hàn Quốc, Vào thập niên cuối thế kỷ 20, song hành với việc phát triển sản phẩm lò vi sóng, nồi cơm điện và các sản phẩm đun nấu giá trị cao, các nước này đã có sự tập trung đầu tư nghiên cứu dòng vật liệu gốm sạch, độ bền nhiệt cao. So với gốm truyền thống chúng có những đặc tính kỹ thuật tốt hơn rất nhiều đặc biệt là độ sạch và tính bền sốc nhiệt do được đi từ nguyên liệu có độ sạch cao và quá trình tổng hợp có xử lý tạo các khoáng bền nhiệt cao như mullit, cordierite, coridon – periclaz, zirconia - tinh thể dạng monoclinic Các khoáng này có khả năng chịu bền sốc nhiệt cao, chịu tác động trực tiếp ngọn lửa cao nhiệt tố t. Một số loại còn có khả năng chịu bền xung nhiệt cao như 4 gốm tổng hợp có bổ xung bột ZrO 2 , bột thủy tinh thạch anh Hiện nay, Trung Quốc là nước sản xuất và sử dụng nhiều nhất loại sản phẩm này do tính chất của vật liệu gốm rất được ưa chuộng cho đun nấu những món ăn Á Đông. Tình hình nghiên cứu ở trong nước Dòng sản phẩm gốm chất lượng cao, có xử lý nhiệt tạo các khoáng với tính bền sốc nhiệt và bền cơ cao, giúp cho số lầ n sử dụng không bị hạn chế. Ngoài ra sản phẩm này có thể được tráng một lớp men với các tính chất nhiệt, hóa tốt cho phép tăng tính thẩm mỹ và vệ sinh khi sử dụng. Loại sản phẩm này ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là nhấp khẩu ở các nước như Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc… Nhu cầu về dòng sản phẩm gốm chất lượng cao dùng làm dụng cụ đun nấu như nồi đun, nồi om, nồi hấp, nồi sắc thuốc trên thị trường Việt Nam và các nước Á Đông ngày càng gia tăng. Trong khi đó, số lượng sản phẩm trên thị trường hiện không đủ cung cấp chưa đáp ứng được nhu cầu của thị trường. Hiện nay, Việt Nam chưa có đơn vị nào nghiên cứu theo hướng ứng dụng vật liệu gốm và men bền sốc nhiệ t vào làm dụng cụ đun nấu cao cấp. Trước tình hình phát triển của công nghệ sản xuất gốm sứ gia dụng trong nước và nước ngoài ngày càng mạnh mẽ. Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng cho gốm gia dụng, đặc biệt là độ bền cơ, bền nhiệt là rất cần thiết và có tính thực tiễn cao. Vì vậy, Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp – Bộ Công Thương đã đăng ký và được Bộ Công Thương giao thực hiện đề tài khoa học công nghệ : “Nghiên cứu sản xuất sản xuất gốm sạch bền nhiệt, bền hóa phục vụ đời sống” theo hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 211.10.RD/HĐ-KNCN ngày 19 tháng 3 năm 2010. 5 Mục tiêu của đề tài: - Xác định nguyên liệu, bài phối liệu cho sản xuất sản phẩm gốm sạch bền hóa, bền nhiệt cao. - Nghiên cứu xác lập quy trình kỹ thuật, các thông số công nghệ cho sản xuất gốm sạch bền hóa, bền nhiệt cao. Nội dung nghiên cứu: - Khảo sát nguyên liệu và phân tích thành phần hóa, khoáng phục vụ nghiên cứu và sản xuất. - Thử nghiệm, xác định đơn phối liệu và thông s ố tổng hợp vật liệu trong phòng thí nghiệm. - Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất các loại sản phẩm gốm sứ đun nấu bền nhiệt cao. Sản xuất thử nghiệm. - Đánh giá chất lượng, thử nghiệm sản phẩm. 6 PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khái niệm Gốm sạch: Thuật ngữ Gốm sạch hiện chưa có định nghĩa một chính xác xong với phạm vi đề tài nghiên cứu khái niệm này được xác định như sau: Kỹ thuật sản xuất Gốm sứ đã có hàng ngàn năm và các dụng cụ gốm sứ dùng để đun nấu (cooking ware) cũng đã được sản xuất từ rất lâu nhưng chất lượng và mức độ vệ sinh an toàn thực phẩm thì chưa được quan tâm đúng mức. Các sản phẩm thường thấy từ cổ truyền ( tìm thấy khi khai quật các di chỉ cổ vật) và của các làng nghề truyền thống hiện nay như: Phù Lãng, Bát tràng, Bạc Liêu… Đều là sản phẩm dạng Gốm thô chủ yếu từ đất sét nung, không tráng men hoặc men muối. Các sản phẩm này có độ xốp khá lớn độ hút nước cao nên khi đun nấu thực phẩm bị thẩm thấu vào trong rất khó vệ sinh, nếu các lần sử dụng cách nhau xa thì rất dễ nhận ra các váng màu trên bề mặt và có mùi hôi mặc dù đã vệ sinh rất kỹ. Chưa xét đến các nguồn đất sét hiện nay bị ô nhiễm nguyên liệu đầu không được kiểm soát các chất độ hại có thể bị mang vào sản phẩm và thôi ra trong quá trình sử dụng sẽ gây hại đến sức khỏe con người. Do vậy khái niệm gốm s ạch mà đề tài đề cập đến là loại gốm có các tính chất như sau: Là hệ gốm mịn có độ hút nước thấp nhỏ hơn 1%, Sản phẩm được tráng men toàn bộ hoặc tại các phần tiếp xúc với thực phẩm. Nguyên liệu để sản xuất phải được chọn lựa, chế biến nhằm loại bỏ triệt để nhất hàm lượng các chất độc hại nh ư các kim loại nặng đặc biệt là Chì và Cadimi… Lớp men phải được tính toán sao cho không bị rạn nứt, độ bền nước, bền hóa cao để không bị thôi ra trong quá trình sử dụng. Hệ xương phải có độ bền nhiệt và bền cơ học cao để sản phẩm khi sử dụng được an toàn. 7 Đề tài sẽ trình bày rõ thông số kỹ thuật trong báo cáo khoa học trên cơ sử các số thông số quan trọng về vệ sinh an toàn thực phẩm như hàm lượng thôi ra của các kim loại nặng cho phép theo TCVN 7146-1:2002 như sau: Loại dụng cụ Đơn vị đo Giới hạn của chì Giới hạn của Cadimi Dụng cụ có lòng nông phẳng mg/dm 2 0.8 0.07 Dụng cụ có lòng sâu nhỏ mg/l 2 0.5 Dụng cụ có lòng sâu lớn mg/l 1 0.25 Dụng cụ có lòng sâu để bảo quản mg/l 0.5 0.25 Cốc và chén mg/l 0.5 0.25 Dụng cụ dùng để nấu mg/l 0.5 0.05 Giới hạn cho phép chì thôi ra của Mỹ: Theo quy định hiện tại của Liên bang Mỹ, các sản phẩm gốm sứ chỉ được phép chứa không quá 0,03% hàm lượng chì. [www.saga.vn] 8 1.1. Giới thiệu công nghệ sản xuất sứ gia dụng Công nghệ sản xuất gốm sứ gia dụng được mô tả tổng quát bằng sơ đồ dưới đây. Thuyết minh sơ đồ: Các nguyên liệu (cao lanh, đất sét, thạch anh, fenpat ), được đem cân bằng cân định lượng theo bài phối liệu đã tính toán trước. Sau khi cân phối liệu sẽ được đổ vào máy nghiền bi ướt để nghiền mịn với cỡ hạt có độ sót sàng 63µm là không quá 5%. Phối liệu sau khi đã được nghiền mịn được chế tạo làm phối liệu dẻo (hoặc phối liệu hồ đổ rót) tùy thuộc vào loại sản ph ẩm sứ gia dụng sau này ta cần chế tạo. Sau khi tạo phối liệu ta đem phối liệu đi tạo hình sản phẩm bằng Nguyên liệu Cân định lượng Chế tạo phối liệu dẻo, p hối li ệ u đổ rót Tạo hình Sấy, sửa mộc Tráng men, trang trí Nung Phân loại 9 phương pháp ép xoay (đối với phối liệu dẻo), hoặc đổ rót (đối với phối liệu hồ đổ rót). Sản phẩm đã được tạo hình sẽ được sấy khô ở nhiệt độ sấy thích hợp, sau đó được sửa mộc. Sản phẩm mộc sau khi sửa sẽ được tráng men và trang trí hoa văn tùy thuộc loại sản phẩm. Sản phẩm mộc sau khi đã được tráng men, trang trí hoa v ăn được nung với nhiệt độ nung thích hợp nhằm tạo ra sản phẩm đạt được các tính chất kỹ thuật theo yêu cầu. Cuối cùng sản phẩm sau nung sẽ được phân loại để loại bỏ các sản phẩm không đạt yêu cầu về chất lượng đề ra ban đầu, các sản phẩm đạt yêu cầu được đóng gói và nhập kho sản phẩm. Nhận xét: Qua dây chuyền công nghệ sản xuất sứ gia dụng như trên, để nâng cao được độ bền nhiệt và cho sản phẩm sứ gia dụng ta có thể tác động đến các công đoạn chủ yếu như sau: + Tác động đến bài phối liệu: mục đích điều chỉnh thành phần các nguyên liệu nhằm để tạo ra bài phối liệu tối ưu nhất, để đạt được điề u mong muốn của đề tài là nâng cao được độ bền cơ và bền nhiệt. Vì thế, bài phối liệu phải tạo ra: - Tạo ra được các khoáng có độ bền cơ cao như Mulite…, bền nhiệt cao như Cordierite - Các khoáng đã được tạo ra phải sắp xếp liên kết tốt với nhau, với hàm lượng và tính chất của pha thủy tinh hợp lý. + Tác động đến giai đoạn tạo hình: Lựa chọn phương pháp t ạo hình thích hợp để tạo ra được mẫu sản phẩm có độ xít đặc cao, ít lỗ xốp. - Trong quá trình thí nghiệm nghiên cứu vật liệu của đề tài ta dùng phương pháp ép bán khô, hoặc ép dẻo để tạo mẫu kiểm tra các tính chất của vật liệu. - Thực tế của sản xuất sau này thì khác, với đặc thù của sản phẩm gốm sứ gia dụng (đề tài mong muốn sản xuất các mặt hàng nồ i nấu,om, ) thì [...]... dùng để sản xuất là ép dẻo hoặc hồ đổ rót tùy thuộc vào hình dạng phức tạp của sản phẩm 1.2 Độ bền nhiệt và các yếu tố ảnh hưởng 1.2.1 Khái niệm Độ bền nhiệt hay độ bền chống ứng suất nhiệt là khả năng chống lại sự phá hủy của vật liệu khi có ứng suất nhiệt hình thành trong vật liệu Ứng suất nhiệt sinh ra khi đốt nóng hoặc làm nguội vật liệu chủ yếu là so sự giãn nở nhiệt và do chênh lệch nhiệt độ... hưởng Độ bền nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào các thông số: hệ số dẫn nhiệt λ , độ dẫn nhiệt a và hệ số giãn nở nhiệt α (0K-1) + Hệ số dẫn nhiệt λ : là đại lượng vật lý đo lường khả năng dẫn nhiệt của vật liệu (W/m.0C) + Độ dẫn nhiệt a: đặc trưng cho vận tốc lan truyền nhiệt độ trong vật liệu gốm khi thay đổi điều kiện đốt nóng a= λ [ m 2 / h] C × γ bk Với: - C: nhiệt dung hay tỷ nhiệt của vật liệu gốm [kcal/kg.0C]... nhau và nằm đều trong nền pha thủy tinh có ảnh hưởng tốt đẹp đến độ bền cơ học 1.4 Các phương pháp làm tăng độ bền cơ, bền nhiệt Qua các nhận định về các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền cơ, bền nhiệt ở trên câu hỏi được đặt ra là chúng ta phải làm gì để tăng được độ bền cơ, bền nhiệt cho vật liệu gốm gia dụng? 1.4.1 Tăng độ bền cơ Để tăng độ bền cơ chúng ta có thể tác động đến các yếu tố sau: + Đối với phối... ảnh hưởng tới độ bền nhiệt là do ứng suất, và cấu trúc liên kết bên trong của sản phẩm Sản phẩm tăng độ bền cơ thì độ bền sốc nhiệt cũng tăng 14 Ta cần lựa chọn bài phối liệu phù hợp để làm tăng λ và a tăng được độ bền nhiệt Cần phải giảm hệ số giãn nở nhiệt, tạo ra các tinh thể có hệ số giãn nở nhiệt thấp như Cordierite, giảm lượng thạch anh tàn dư trong sản phẩm (vì nó gây ra giãn nở nhiệt lớn) Đặc... khác, tuy nhiên cần lưu ý hệ số dãn nở nhiệt có thể tăng do các loại oxit kiềm gây nên 1.6 Đặc điểm của một số hệ vật liệu gốm bền nhiệt, bền cơ 1.6.1 Hệ vật liệu bền nhiệt cordierite Mg2Al4Si5O18(2MgO.2Al2O3.5SiO2) Cordierite là một hệ vật liệu bền nhiệt truyền thống điển hình và được ứng dụng rộng rãi hiện nay trong công nghiệp sản xuất gốm sứ và các ứng dụng nhiệt độ cao Thành phần pha chủ yếu của... đặc trương là độ bền kiềm và axit với đồ đun nấu đặc biệt quan tâm đến độ bền kiềm vì đồ ăn thường có tính kiềm nhẹ Qua các phân tích ở trên về các tính chất của xương và men ta đưa ra một số nhận xét sau: 16 Độ bền cơ và bền nhiệt của vật liệu gốm sứ có mối quan hệ tương hỗ Độ bền nhiệt tăng kéo theo độ bền cơ tăng và ngược lại Nguyên nhân của mối quan hệ này là do: Độ bền cơ và bền nhiệt đều phụ thuộc... liệu có ảnh hưởng tốt đến độ bền nhiệt của vật liệu gốm Hệ số giãn nở nhiệt α là một yếu tố có ảnh hưởng lớn đến độ bền nhiệt: 10 + Trong sản phẩm gốm có chứa các pha khác nhau: pha thuỷ tinh, pha tinh thể, pha khí mỗi pha có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau khi có sự thay đổi nhiệt độ sẽ gây lên các biến đổi trong sản phẩm và có thể gây nên các vết nứt tế vi gây phá huỷ sản phẩm + Ngay trong bản thân... của thế giới hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu tạo ra hệ vật liệu này và có ứng dụng để sản xuất tạo ra các sản phẩm Sản phẩm thương phẩm hiện nay trên thế giới đa số đều dựa trên tổ hợp này 18 1.6.3 Hệ Corindon, corindon-Mulit Gốm corindon là một sản phẩm là một gốm đặc biệt Ta biết rằng nhiệt độ là yếu tố quyết định mức độ kết khối gốm corindon Nhiệt độ kết khối của α − Al 2 O3 kỹ thuật tinh... sấy nguyên liệu, mẫu sau khi được tạo hình, sản phẩm với nhiệt độ sấy trong khoảng (100 – 120) 0C Lò hầu dùng để nung mẫu với các nhiệt độ nung thích hợp, để tạo ra các mẫu nung phục vụ nghiên cứu Ngoài các thiết bị trên trong phần thí nghiệm còn sử dụng một số thiết bị khác như: thiết bị đo nhiệt độ hồng ngoại cân điên tử, lò điện 10000C để xác định bộ bền nhiệt của mẫu, máy nghiền bi khô, thiết bị... [g/cm3] Nếu vật liệu có khả năng dẫn nhiệt tốt → gradient theo thời gian chênh lệch nhiệt độ lớp bề mặt và lớp sâu trong vật liệu nhỏ, do đó khả năng phá hủy vật liệu nhỏ Khi λ , a lớn thì vât liệu gốm ít xuất hiện ứng suất nhiệt lớn, khả năng phá hủy vật liệu sẽ nhỏ khi đó vật liệu sẽ bền nhiệt cao và ngược lại Ngoài ra còn các yếu tố khác cũng có ảnh hưởng tới độ bền nhiệt như: độ xốp, các vết nứt tế . liệu cho sản xuất sản phẩm gốm sạch bền hóa, bền nhiệt cao. - Nghiên cứu xác lập quy trình kỹ thuật, các thông số công nghệ cho sản xuất gốm sạch bền hóa, bền nhiệt cao. Nội dung nghiên cứu: . VIỆN NGHIÊN CỨU SÀNH SỨ THỦY TINH CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT GỐM SẠCH BỀN NHIỆT BỀN HÓA PHỤC VỤ ĐỜI SỐNG CNĐT: NGUYỄN. Viện Nghiên cứu Sành sứ Thủy tinh Công nghiệp – Bộ Công Thương đã đăng ký và được Bộ Công Thương giao thực hiện đề tài khoa học công nghệ : Nghiên cứu sản xuất sản xuất gốm sạch bền nhiệt, bền