03 Raw Materials of Ceramics

Raw Materials of Ceramics Raw

Material Preparation Testing of Raw Materials Clay Bodies: – Body Formulation (various kinds of bodies) pp 170170-195

– Testing of Products pp 196196-218

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

1

Silicate Materials ทบทวน Quartz

Quartz : SiO2

Feldspars

Orthoclase Anorthite Albite Plagioclase

K2O.Al2O3.6SiO2 CaO.Al2O3.2SiO2 Na2O.Al2O3.6SiO2 Na2O.Al2O3.6SiO2-CaO.Al2O3.2SiO2

Micas: White

Muscovite Biotite

K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O K(Mg,Fe)3.(AlSi3O10)(OH)2

Amphiboles

Hornblende

(Na,K)0-1Ca2(Mg,Fe2+,Fe3+,Al)5Si6-7Al2-1O22(OH)2

Pyroxene

Augite Enstatite

(Ca,Fe,Mg)SiO3 MgSiO3

Olivine

Olivine Monticellite Knebelite

(Mg,Fe)2SiO4 CaMgSiO4 (Mn,Fe)2SiO4

Dark

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

2

การสลายตัวของแร่

ทบทวน

orthoclase

K2O.Al2O3.6SiO2 +2H2O +CO2 = Al2O3.2SiO2.2H2O + 4SiO2 + K2CO3 Clay ละลายในน้ํา anorthite

CaO.Al2O3.2SiO2 +3H2O +2CO2 = Al2O3.2SiO2.2H2O + Ca(HCO3)2 Clay ละลายในน้ํา

• Mica ในหินแกรนิตสามารถเปลี่ยนแปลงเป็น Kaolinite และ montmorillonite แต่ส่วนใหญ่ไม่มีการเปลี่ยนแปลง • Quartz เสถียรมาก ไม่มีเปลี่ยนทางเคมี แต่ถูกบดย่อยทางกายภาพได้ Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

3

เพิ ม ่ เติ ม Granite and Basalt

Typical mineral composition แร่ Orthoclase Plagioclase Quartz Olivine Muscovite Biotite

Nov 19, 2010

%โดยประมาณ Granite 35 35 25 0-5 0-5 schaiwan@su.ac.th

Basalt 50 50 4

เปรียบเทียบโครงสร้าง Nov 19, 2010

ทบทวน

schaiwan@su.ac.th

5

Kaolinite/Halloysite and Montmorillonite Kaolinite อาจจะมี Fe หรือ Ti ปะปน เนื่องจากการสร้างผลึกที่ไม่ สมบูรณ์ ซึ่งทําให้ดินหลังเผามีสีสันต่างไปจากสีขาว (รูปร่างไม่เป็น hexagonal) ่ ีผลึกไม่สมบูรณ์ (disordered kaolinte) ส่วนใหญ่จะมี Kaolinite ทีม ขนาดเล็กกว่า Kaolinite ทีม่ ีผลึกสมบูรณ์ (แต่ไม่เสมอไป) ใน Flint Clay จะมีผลึกของ hexagonal kaolinite ขนาดเล็กมาก Kaolinite และ Halloysite เกิดขึ้นด้วยกัน มีส่วนประกอบเคมี และ กายภาพต่างกัน เนื่องจาก Halloysite มีลักษณะ tabular form ทําให้การหดตัวไม่ uniform

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

6

Kaolinite/Halloysite and Montmorillonite (cont.)

Montmorillonite เกิดขึ้นจาก pyrophyllite ซึง่ มีการทดแทนของ Mg2+ ในตําแหน่งของ Al3+ และเพื่อให้ประจุสมดุล Na+ จะปรากฏอยู่ด้วย

Montmorillonite สามารถดูดน้ําได้ดี เนื่องจาก ของเหลว(น้ําหรือสาร อินทรี) สามารถแทรกอยู่ระหว่างชัน้ ของผลึก พร้อมทั้งมีการแลกเปลี่ยน ประจุ Montmorillonite มีขนาดอนุภาคที่เล็ก Æ ความเป็นพลาสติกสูง Montmorillonite เป็นส่วนประกอบสําคัญในดิน bentonite

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

7

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

8

Raw Clay Preparation เพื่อเตรียมดินให้ได้เนื้อดินที่ uniform สําหรับการผลิตโดยใช้ วัตถุดิบทีละมหาศาล ต้องทําการผสมดินและเตรียมดินให้มี ความ uniform ในสมบัตติ ่อไปนี้ 1. Chemical and Mineralogical composition 2. Particle size distribution 3. Moisture content 4. Degree of Ageing Choice of processes and equipment can affect these properties.

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

9

Consistency of Clay Materials การจัดเก็บเป็นชั้นๆช่วยลดความหลากหลายของเนื้อดิน มากชั้น ยิ่งดี ขนาดพื้นที่การเก็บวัตถุดิบมหาศาล Æ ควรมีโกดัง + หลังคากันฝน รถขนดินแต่ละคันควรเทดินทีละชั้นๆ แล้วเกลี่ยให้กระจายในแต่ละชั้นให้ มากที่สุด เพิ่มจํานวนชั้นจาก 10 เป็น 20 สามารถลดความไม่คงที่ของเนื้อดินได้ถึง 1.4 (หรือ √2) (blending effect ~ √ No. of Layers) การบ่มนาน + เพิ่มความร้อน Æ ความเหนียวเพิ่มขึ้น 12-24hrs.

(Bacterial activity, moisture) depends of types of clay.

ความชื้นซึมได้ลึกลงไปในเนื้อดินได้ไม่เกิน 50mm

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

10

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

11

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

12

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

13

Nov 19, 2010

ไซโลที่มีฐานหมุนได้ และมีเกลียวหมุนลําเลียงดินออก schaiwan@su.ac.th

14

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

15

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

16

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

17

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

18

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

19

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

20

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

21

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

22

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

23

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

24

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

25

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

26

Vibrating Separation

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

27

Rules of mixing ‹

One Component System: Void volume Coordination no. a) Cubic 47.64% b) Single Stager 39.55% c) Double Stager 30.20% d) Pyramidal 25.95% e) Tetrahedral 25.95%

6 8 10 12 12

By random single-size particles has 40% voids (= 0.4) Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

28

Rule of mixing Two-Component

System

A – true vol of coase sph B – true vol of fine sph C – Bulk vol of coarse sph D – Bulk vol of fine sph O – min. perosity (ideal) H – min. bulk vol of mixed sph Fine:Coarse Size 1 : 10 Æ void 25% 1 : 50 Æ void 18.5%

2-component = 0.4*0.4 = 16% Void

Bulk ≠ True vol because: 1. electrostatic repulsive force 2. perfect staggering & distribution is not reached Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

29

Rule of mixing ‹

Three-Component System

3-component = 0.4 * 16% = 6.4% void Ideal mixing – 66% coarse / 25% medium / 9% fine particles

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

30

Industrial Application of Mixing Note: - วัตถุดิบไม่ใช่รูปทรงกลม

- วัตถุดิบที่เตรียมได้สามารถเรียงกันเป็น close-pack system ได้

จาก Hugill, W. and Rees, W.J., Trans. Brit.

Ceram. Soc. 28, 62 (1929) Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

31

การออกแบบ hopper ที่ช่วยในการผสม

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

32

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

33

ผลของการเพิม่ ความลื่น

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

34

Testing of Raw Materials

การเก็บตัวอย่างดินจากแหล่งดิน

ดังต่อไปนี้

• สัดส่วนของน้ําที่จําเป็นในการขึ้นรู้ (% water) • Drying shrinkage • Firing Shrinkage @1000°C, 1050°C, 1100°C • น้ําหนักที่หายไปหลังเผา

มีขั้นตอนการทดสอบ

• สีหลังการเผา • Particle size distribution • Chemical Analysis • การทดสอบสายแร่ (mineralogical analysis) • Differential thermal analysis (DTA)

LABORATORY WORKS! Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

35

Definitions

Dry Shrinkage Drying Shrinkage =

Firing Shrinkage Firing Shrinkage =

LengthDifference × 100 Original Length

LengthDifference ×100 Original Length

Particle Size distribution

– การกระจายตัวของอนุภาคขนาดใหญ่และเล็กผสมกัน ( <2µ, >20µ)

DTA – การดูดและคายพลังงานขณะถูกเผาจากอุณหภูมิต่ําไปสูง ด้วยอัตราการให้ความร้อนคงที่

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

36

Differential Thermal Analysis

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

37

ปฏิกริ ิยาที่เกิดขึ้นขณะใหความรอนกับดิน (2Al2O3•4SiO2•2H2O) 500°C

Endothermic

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

925 °C

Exothermic

1050-1100°C

Exothermic

เปลี่ยนสัณฐานจาก meta-kaolin เป็นผลึกแบบ Spinel (2Al2O3•3SiO2) เป็นการเปลี่ยนแปลง แบบ “ทันทีทันใด” เปลี่ยนผลึก Spinel เป็น Mullite และ Silica หลุดจากโครงสร้างเพิ่มขึ้น โครงสร้างทางเคมีไม่ แน่นอน มีโครงสร้างของ Cristobalite เกิด Mullite และ Spinel มากขึ้น โดย Mullite มีสัดส่วน 3Al2O3•2SiO2

1200-1400°°C Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

38

DTA of Carbonaceous brick

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

39

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

40

Types of Pottery

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

41

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

42

Common Pottery – ชื่อบ้านๆ ใช้เรียกให้ติดปากสําหรับงานทีท่ ําจากดินประจําถิ่น อาจจะมีเคลือบหรือไม่มีก็ได้ เผาไฟแรกที่ 900°C หลังจากเคลือบแล้วเผาที่ 1000-1100°C Majorica – หรือเรียกว่า faience เป็นความหลากหลายอีกแบบหนึ่งของดินสีส้ม ซึง่ จะมี เคลือบอยู่เสมอ มีส่วนผสมของทรายมากและ flux บ้าง เนื้อข้างในก็คือดินสีแดง เนื้อมีความพรุน ชื่อนี้มาจากประเทศอิตาลี (Faience มาจากเมือง Faenza และ Majorica มาจากเมือง Majorca Earthenware – เรียกง่ายๆว่าเป็นเครื่องดินเผาที่ไม่ใช่สีขาว คําว่า earthen ฟังดูแล้ว ไม่เร้าใจเท่าไหร่ จึงทําให้เกิด “เพดาน”ของความนิยมและการนําไปใช้ในสถานที่ถือว่า “ฟู่ฟ่า” Lime earthenware (Ca*) ทํามาจากดิน Marl บางทีใช้ dolomite CaMg(CO3)2 ทําให้ เนื้อดินที่เผาสุกตัวแล้วมีความพรุนเนื่องจากมีก๊าซเกิดขึ้นขณะเผา มีนา้ํ หนักเบา Feldspathic earthenware (hard earthenware) มีหินฟันม้ามากถึง 5-20% ใช้ Cornish Stone เป็นส่วนผสม Wedgewood (เจ้าเก่าของอังกฤษ) เป็นต้นตําหรับการ ผลิต hard earthenware นี้ สีดินครีมนวลๆ เผาที่ 900-1050°C ไฟแรกและ 1050-1150°C สําหรับการเผาเคลือบ สําหรับชิ้นงานที่มีคุณภาพดีๆ นั้น อาจจะมีความแกร่งเหมือน hard porcelain เสียด้วยซ้ํา เนื่องจากมีความพรุนและหดขยายได้ สามารถใช้ Wollastonite (CaSiO3 )ผสมช่วยได้ Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

43

Lithia-based cookingware – ใช้ในเตาอบร้อนๆได้

แต่ไม่ควรใช้บนเปลวไฟโดยตรง Li2O นํามา ใช้เพื่อให้เนื้อดินมีการหดยืดตัวน้อยลงขณะที่มกี ารเปลี่ยนอุณหภูมิ Gustavsberg/Sweden เป็นเจ้า ตําหรับในการผลิต มี COE ~ 2x10-6 Stoneware

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

44

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

45

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

46

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

47

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

48

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

49

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

50

Nov 19, 2010

schaiwan@su.ac.th

51