02 Raw Materials of Ceramics

Raw Materials of Ceramics sources, mineralogy, microstructure, preparation, characterization & chemical analysis of materials, testing of raw materials

schaiwan@su.ac.th Nov 11, 2010

1

Recap..

Ceramics - crystalline or partly crystalline - inorganic, non-metallic : oxides etc.

- and Change form on heat

จากสัปดาห์ที่แล้ว Traditional Ceramics

Clay-based, triaxial body, เนื้อดินหลากหลาย, เนื้อผสมระหว่างแก้วมาจาก feldspathic materials และ aluminosilicate part,

Technical Ceramics Bioceramics (HA), electroceramics (ferroelectric, ferrite, piezoelectric, solid electrolytes), engineering ceramics (glass ceramics, SiC, Si3N4, ZrO2, UO2, B4C ballistic) schaiwan@su.ac.th

Nov 11, 2010

2

schaiwan@su.ac.th

Nov 11, 2010

3

สัปดาห์นี้...... ......

Plastic Body

› ดิน และแร่ดิน Kaolinite, Monmorillonite

Non Plastic Body

› Silica, แร่ Feldspathic, Alkaline Earth Minerals,

Bone Ash

i.e. Triaxial body schaiwan@su.ac.th

Nov 11, 2010

4

o

o

– เนื้อดินที่สามารถเปลี่ยนแปลง รูปร่าง โดยไม่แตกหัก เมื่อมีแรงข้างนอกมากระทํา และสามารถคงรูปร่างนั้นไว้เมื่อแรงนั้นถูกถอนออก ดิน – ไหลได้เมื่อถูกแรงกระทํา (ใช้แรงมาก, yield สูง) และประกอบด้วยอณู Colloidal Plastic Body

schaiwan@su.ac.th

Nov 11, 2010

5

o Non Plastic Body

o เพิม่ ในเนื้อดินเพือ่ “ลด”ความเป็นพลาสติก และ ช่วยให้เนื้อดินที่แน่นและแตกง่ายขณะแห้งตัว มี ส่วนประกอบทีท่ ําให้เนื้อดิน“โปร่ง”ขึ้น ช่วยลด การแตกระแหงของเนื้อดิน o ทําให้เกิดแก้ว (จากการหลอม) มีอนุภาค non plastic แทรก อยูใ่ นเนื้อดินที่จับตัวกันแน่น schaiwan@su.ac.th

Nov 11, 2010

6

ให้ความร้ ความร้อนกั น บดิน ก็เกิดการเปลี่ยนแปลง ความรู้ที่ได้จากการศึกษา traditional ceramic ทําให้เกิดความเข้าใจและพัฒนากรอบความรู้ ไปสู่เซรามิกระดับสูง

schaiwan@su.ac.th

Nov 11, 2010

7

500°C

ปฏิกิริยาทีเกิดขึนขณะให้ความร้อนกับ ดิน (2Al2O3•4SiO2•2H2O) Endothermic

โมเลกุลน้ําในผลึกสลาย กลายเป็น meta-kaolin (2Al2O3•4SiO2)

925 °C

Exothermic

1050-1100°C

Exothermic

1200-1400°°C

เปลี่ยนสัณฐานจาก meta-kaolin เป็นผลึก แบบ Spinel (2Al2O3•3SiO2) เป็นการ เปลี่ยนแปลงแบบ “ทันทีทนั ใด” เปลี่ยนผลึก Spinel เป็น Mullite และ Silica หลุดจากโครงสร้างเพิ่มขึ้น โครงสร้างทางเคมี ไม่แน่นอน มีโครงสร้างของ Cristobalite เกิด Mullite และ Spinel มากขึ้น โดย Mullite มีสัดส่วน 3Al2O3•2SiO2

มาทําความรู้จักดิน... ซักนิด 9 9

เป็นดินที่พบได้ทุกภูมิประเทศบนโลก ดินประกอบด้วยแร่ดินและสารอื่นๆประกอบ อินทรียสาร+อนินทรียสาร 9

9 9 9 9 9 9

variable amounts of iron, magnesium, alkali metals, alkaline earths and other cations

เป็นแร่ลักษณะ hydrous phyllosilicates or layered aluminosilicates Strong bonding within layers / Loose bonding between layers ผสมกับน้ําจะได้เนื้อวัสดุที่เป็นพลาสติก สามารถปั้นเป็นรูปร่างต่างๆได้ Mica-like shape Æ Hexagonal Size less than 2 micrometres Å XRD, electron diffraction etc. เปลี่ยนแปลงสมบัติเมื่อผ่านความร้อน -> mullite -> silica-rich amorphous phase

schaiwan@su.ac.th

Nov 11, 2010

9

“สิ่ง”ที่มากับดิน…. % by weight in crust O Si Al Fe Ca Na K Mg other

= 49.2 = 25.7 82.4% = 7.5 = 4.7 = 3.4 = 2.6 = 2.4 = 1.9 = 2.6

.......แหล่งดิน เกิดจากการกร่อนตัวของแร่ Feldspar (alkaline – aluminosilicate)

-- เชิงเขา -- ที่ราบ ดินสามารถนํามาใช้ได้จาก (1) การขุดจากแหล่งโดยตรง และ (2) จากกระบวนการแต่งแร่

schaiwan@su.ac.th

Nov 11, 2010

11

การเกิดดิน Parent Rock

Residual soil

Transported soil

~ in situ weathering (by physical & chemical agents) of parent rock

~ weathered and transported away by wind, water and ice.

schaiwan@su.ac.th

Nov 11, 2010

12

Clay Minerals: กลุ่ม Kaolin - kaolinite, dickite, halloysite and nacrite

Pyrophyllite

/ Smectite - dioctahedral

smectites (montmorillonite and nontronite)

Illite - includes the clay-micas อื่นๆ (Chlorite, Vermiculite, Attapulgite) schaiwan@su.ac.th

Nov 11, 2010

13

Clay minerals are made of Æ 2 distinct structural units. oxygen

hydroxyl or oxygen aluminium or magnesium

silicon

0.26 nm

0.29 nm

Silicon tetrahedron

schaiwan@su.ac.th

Aluminium Octahedron

Nov 11, 2010

14

Several tetrahedrons joined together form

a tetrahedral sheet. tetrahedron hexagonal hole

schaiwan@su.ac.th

Nov 11, 2010

16

เพื่อง่ายสําหรับความเข้าใจ สัญญลักษณ์ silica tetrahedral sheet Si

and alumina octahedral sheet Al

schaiwan@su.ac.th

Nov 11, 2010

17

Different Clay Minerals Different combinations of tetrahedral and octahedral sheets form different clay minerals: 1:1 Clay Mineral (e.g., kaolinite, halloysite):

Different Clay Minerals Different combinations of tetrahedral and octahedral sheets form different clay minerals: 2:1 Clay Mineral (e.g., montmorillonite, illite)

Kaolinite Al Si Typically 70-100 layers joined by strong H-bond ∴no easy separation

Al Si

0.72 nm

Al Si Al Si

joined by oxygen sharing

Kaolinite 他 used in paints, paper and in pottery and

pharmaceutical industries 他 (OH)8Al4Si4O10

Halloysite 他 kaolinite family; hydrated and tubular structure 他 (OH)8Al4Si4O10.4H2O

Pyrophyllite ¾ also called smectite/Montmorillonite; expands on

contact with water

∴easily separated by water

joined by weak van der Waal’s bond

Si Al Si Si Al Si Si Al Si

0.96 nm

Pyrophyllite 他 A highly reactive (expansive) clay 他 (OH)4Al4Si8O20.nH2O

Bentonite

swells on contact with water high affinity to water

他 montmorillonite family 他 used as drilling mud, in slurry trench walls,

stopping leaks

Mica/ Illite

joined by K+ ions fit into the hexagonal holes in Si-sheet

Si Al Si Si Al Si Si Al Si

0.96 nm

อื่นๆ Chlorite

¾ A 2:1:1 (???) mineral. Soft (low hardness)

Si

Al

Al or Mg

Vermiculite ¾ montmorillonite family; 2 interlayers of water

¾Fire-proof insulation

Attapulgite ¾ chain structure (no sheets); needle-like appearance

เปรียบเทียบโครงสร้าง

สรุปจัดกลุ่มแร่ดิน

การเปลียนรูปจากหินฟันม้าเป็น ดิน หินผ่านกระบวนการการสึกกร่อน ผุพังตามธรรมชาติ K2O·Al2O3·6SiO2(s) + 2H2O + CO2(aq) Æ Al2O3·2SiO2·2H2O(s)+ 4SiO2(s) + K2CO3(aq)

แบ่งเป็น 2 ส่วน : ละลายน้ําได้ และ ไม่ได้ orthoclase(K2O.Al2O3.6SiO2), albite (Na2O.Al2O3.6SiO2), anorthite (CaO.Al2O3.2SiO2)

Kaolin

ชนิดของดิน ดินปฐมภูมิ (Primary Clays) - ผุพังโดยตรงจากหินต้นทาง ขนาดและรูปร่างขึ้นอยู่กับหิน - สิ่งปะปนละลายออกไปกับน้ํา ยกเว้น Silica และ Mica (10-40%Vol) - low in iron-bearing impurities - China Clay = ดินขาวที่ไม่มี iron impurity

ชนิดของดิน ดินทุติยภูมิ (Secondary Clays) - ผุพงั จากที่หนึ่ง แล้วถูกพัดพาไปรวมกันอีกทีห่ นึ่ง - impurity : TiO2, Fe2O3 - ทับถมกันเป็นชัน้ ๆ (เห็นได้ชัด) – Cycle of time - มีปริมาณมากกว่าดินปฐมภูมิ – มาจากหลากที่ - มีสขี าว / ครีม / แดง / เหลือง

ลักษณะดินที่ใช้ในอุตสาหกรรม • China Clay • Ball Clay • Fire Clay • Bentonite • Talc • Shales • ดินอื่นๆ

China Clay (= Kaolin) • ลักษณะทั่วไป • มี kaolinite เป็นส่วนใหญ่ มีออกไซด์ให้สีน้อยมาก -> สีขาวครีม • พบทั้งในดินปฐมภูมแิ ละทุติยภูมิ ขนาดอนุภาคดิน (เกล็ดดิน) 1-2 µm – - เหนียว • แห้งมีความแข็งแรง • หดตัวหลังเผา ปานกลาง •

Ball Clay • • • • •

มีความเหนียวเป็นพิเศษ (ผสมน้ํา) ขนาดอนุภาค 0.1 µm และผสมด้วยสารอินทรี (มากถึง 2% น.น.) ผสมน้าํ ได้มากกว่า และมี green strength มากกว่า china clay เผาแล้วได้สีชมพูครีม (เป็นผลของ Fe2O3 และ TiO2)

• ใช้ในส่วนผสมของ stoneware (ไม่ใช้ใน porcelain)

Fire Clay • • • • • • •

เป็นเนื้อดินที่เหมาะกับการนําไปใช้ทําวัตถุ(อิฐ)ทนไฟ พบบ่อยใกล้ๆกับบริเวณที่พบถ่านหิน (Coal) (แต่ไม่เสมอไป) ความทนไฟ แปรผันกับสัดส่วนของ Alumina (Al2O3) ส่วนผสมของ Alkali, Alkali Earth ต่ํา อิฐทนไฟนําไปใช้ในอุตสาหกรรมเหล็ก – ทนความร้อน / ทนการผุกร่อน / ฉนวนความร้อน ส่วนประกอบทางเคมีคล้ายกับ China Clay (plasticity / Green strength/ Fire strength) มีสี เทา- ครีม-แดง หลังเผา

Bentonite • ใช้ผสมดินอื่นเพื่อเพิ่มความเหนียว – ใช้เล็กน้อย • เกิดจากเถ้าภูเขาไฟ • มีส่วนผสมของ montmorillonite เป็นส่วนใหญ่ - ดูดซับน้ําได้มาก •

Talc • โครงสร้าง magnesium silicate ในกลุ่ม pyrophyllite โดยมี Mg 2+ แทนที่ Al3+ • เกิดจากการผุพังของหินชนิด Olivine และ Pyroxene • เรียกอีกอย่างว่า Soapstone / Steatite • ใช้ในอุตสาหกรรม electrical insulator / สี / และแป้งทัลคัม

Shales • • • •

เป็นชั้นดินที่มีการอัดตัวกันมากกว่าชัน้ ดินทั่วไป เรียงกันเป็นชั้นๆ มีโครงสร้างผลึกเหมือนดินทัว่ ไปแม้ว่าจะมีน้ําเป็นส่วนผสมน้อย เมื่อผสมกับน้ํา Æ มีความเหนียวพอๆกับดินดํา (ball clay) มีสว่ นประกอบของ เหล็กออกไซด์ Æ ให้สแี ดงหลังเผา

ดินชนิดอืน่ ๆ • มีดินอีกหลายชนิด ตัง้ ชือ่ ตามลักษณะที่ใช้ (Brick Clay, Stoneware Clay etc.)

• สัดส่วนในดินมีความหลากหลาย และมีส่วนของ Alkaline + Alkaline Earth พร้อมทั้ง Fe2O3 และ TiO2 สูงกว่าดินทั่วไป – - Self fluxing

• Earthenware Clay – ผุพังไม่สมบูรณ์ มี Feldspar และ Silica • ดูดซึมน้ําได้มาก • เผาแล้วได้สี แดง (Cone 5-6)

ดินชนิดอืน่ ๆ • • • • • • • •

Stoneware Clay สามารถนํามาใช้ได้เลย โดยไม่ตอ้ งแต่งแร่ เผาที่ Cone 8-9 ให้สีเทา ครีมชมพู ทําฉนวนไฟฟ้า ภาชนะ สิ่งของตกแต่ง กระเบือ้ ง ท่อน้ํา มีส่วนผสมของ Fe2O3 น้อยกว่า Earthenware Brick Clay มี Fe2O3 และ flux มาก / มี Alumina น้อย มีความเหนียวพอประมาณ ใช้ดิน Shales ทําอิฐได้ เผาที่อุณหภูมิ Cone (1-5) ให้สีแดงเข้ม ทําหลังคา ท่อน้ํา

สีของความร้อน