03 Raw Materials of Ceramics

Nov 19, 2010Nov 19, 2010 [email protected]@su.ac.th 11

Raw Materials of CeramicsRaw Material PreparationRaw Material Preparation

Testing of Raw Materials Testing of Raw Materials

Clay Bodies: Clay Bodies: –– Body Formulation (various kinds of bodies) Body Formulation (various kinds of bodies) pp pp

170170--195195

–– Testing of Products Testing of Products pp 196pp 196--218218


ทบทวน

Olivine (Mg,Fe)Olivine (Mg,Fe)22SiOSiO44

MonticelliteMonticellite CaMgSiOCaMgSiO44

KnebeliteKnebelite (Mn,Fe)(Mn,Fe)22SiOSiO44

OlivineOlivine

AugiteAugite (Ca,Fe,Mg)SiO(Ca,Fe,Mg)SiO33

EnstatiteEnstatite MgSiOMgSiO33

PyroxenePyroxene

Hornblende (Na,K)Hornblende (Na,K)00--11CaCa22(Mg,Fe(Mg,Fe2+2+,Fe,Fe3+3+,Al),Al)55SiSi66--77AlAl22--11OO2222(OH)(OH)22AmphibolesAmphiboles

Muscovite Muscovite KK22O.O.3Al3Al22OO33..66SiOSiO22.2H.2H22OO

BiotiteBiotite K(Mg,Fe)K(Mg,Fe)33.(AlSi.(AlSi33OO1010)(OH))(OH)22

Micas:Micas: WhiteWhite

DarkDark

Orthoclase Orthoclase KK22OO.Al.Al22OO33..66SiOSiO22

AnorthiteAnorthite CaOCaO.Al.Al22OO33..22SiOSiO22

AlbiteAlbite NaNa22OO.Al.Al22OO33..66SiOSiO22

Plagioclase Plagioclase NaNa22OO.Al.Al22OO33..66SiOSiO22--CaOCaO.Al.Al22OO33..22SiOSiO22

FeldsparsFeldspars

Quartz : SiO2Quartz : SiO2QuartzQuartz

Silicate MaterialsSilicate Materials


การสลายตวของแรการสลายตวของแรKK22O.AlO.Al22OO33.6SiO.6SiO22 +2H+2H22O +COO +CO22

== AlAl22OO33.2SiO.2SiO22.2H.2H22OO + 4SiO+ 4SiO22 ++ KK22COCO33

CaO.AlCaO.Al22OO33.2SiO.2SiO22 +3H+3H22O +2COO +2CO22

== AlAl22OO33.2SiO.2SiO22.2H.2H22OO + + Ca(HCOCa(HCO33))22

orthoclase

Clay ละลายในนาanorthite

Clay ละลายในนา

• Mica ในหนแกรนตสามารถเปลยนแปลงเปน Kaolinite และ montmorillonite แตสวนใหญไมมการเปลยนแปลง• Quartz เสถยรมาก ไมมเปลยนทางเคม แตถกบดยอยทางกายภาพได

ทบทวน


เพมเตมGranite and BasaltGranite and BasaltTypical mineral compositionTypical mineral composition

--5050--

5050----

353535352525--

00--5500--55

OrthoclaseOrthoclasePlagioclasePlagioclaseQuartzQuartzOlivineOlivineMuscoviteMuscoviteBiotiteBiotite

BasaltBasaltGraniteGranite%%โดยประมาณโดยประมาณแรแร


เปรย

บเทย

บโคร

งสรา

ง

ทบทวน


KaoliniteKaolinite/Halloysite/Halloysite andandMontmorilloniteMontmorillonite

KaoliniteKaolinite อาจจะมอาจจะม Fe Fe หรอหรอ Ti Ti ปะปนปะปน เนองจากการสรางผลกทไมเนองจากการสรางผลกทไมสมบรณสมบรณ ซงทาใหดนหลงเผามสสนตางไปจากสขาวซงทาใหดนหลงเผามสสนตางไปจากสขาว ((รปรางไมเปนรปรางไมเปน hexagonalhexagonal))

KaoliniteKaolinite ทมผลกไมสมบรณทมผลกไมสมบรณ ( (disordered disordered kaolintekaolinte) ) สวนใหญจะมสวนใหญจะมขนาดเลกกวาขนาดเลกกวา KaoliniteKaolinite ทมผลกสมบรณทมผลกสมบรณ ((แตไมเสมอไปแตไมเสมอไป)) ในใน Flint Clay Flint Clay จะมผลกของจะมผลกของ hexagonal hexagonal kaolinitekaolinite ขนาดเลกมากขนาดเลกมากKaoliniteKaolinite และและ HalloysiteHalloysite เกดขนดวยกนเกดขนดวยกน มสวนประกอบเคมมสวนประกอบเคม และและกายภาพตางกนกายภาพตางกน เนองจากเนองจาก HalloysiteHalloysite มลกษณะมลกษณะ tabular form tabular form ทาใหการหดตวไมทาใหการหดตวไม uniformuniform


KaoliniteKaolinite/Halloysite/Halloysite andandMontmorillonite (cont.)Montmorillonite (cont.)

Montmorillonite Montmorillonite เกดขนจากเกดขนจาก pyrophyllite pyrophyllite ซงมการทดแทนของซงมการทดแทนของ MgMg2+2+

ในตาแหนงของในตาแหนงของ AlAl3+3+ และเพอใหประจสมดลและเพอใหประจสมดล NaNa++ จะปรากฏอยดวยจะปรากฏอยดวยMontmorillonite Montmorillonite สามารถดดนาไดดสามารถดดนาไดด เนองจากเนองจาก ของเหลวของเหลว((นาหรอสารนาหรอสารอนทรอนทร)) สามารถแทรกอยระหวางชนของผลกสามารถแทรกอยระหวางชนของผลก พรอมทงมการแลกเปลยนพรอมทงมการแลกเปลยนประจประจMontmorillonite Montmorillonite มขนาดอนภาคทเลกมขนาดอนภาคทเลก ความเปนพลาสตกสงความเปนพลาสตกสงMontmorillonite Montmorillonite เปนสวนประกอบสาคญในดนเปนสวนประกอบสาคญในดน bentonite bentonite



Raw Clay PreparationRaw Clay Preparationเพอเตรยมดนใหไดเนอดนท uniform สาหรบการผลตโดยใชวตถดบทละมหาศาล ตองทาการผสมดนและเตรยมดนใหมความ uniform ในสมบตตอไปน

1. Chemical and Mineralogical composition2. Particle size distribution3. Moisture content4. Degree of Ageing

Choice of processes and equipment can affect these properties.


Consistency of Clay MaterialsConsistency of Clay Materials

การจดเกบเปนชนๆชวยลดความหลากหลายของเนอดนการจดเกบเปนชนๆชวยลดความหลากหลายของเนอดน มากชนมากชน ยงดยงด ขนาดพนทการเกบวตถดบมหาศาลขนาดพนทการเกบวตถดบมหาศาล ควรมโกดงควรมโกดง ++ หลงคากนฝนหลงคากนฝน รถขนดนแตละคนควรเทดนทละชนๆรถขนดนแตละคนควรเทดนทละชนๆ แลวเกลยใหกระจายในแตละชนใหแลวเกลยใหกระจายในแตละชนใหมากทสดมากทสด เพมจานวนชนจากเพมจานวนชนจาก 10 10 เปนเปน 20 20 สามารถลดความไมคงทของเนอดนไดถงสามารถลดความไมคงทของเนอดนไดถง 1.4 1.4 ((หรอหรอ √√22)) (blending effect ~ (blending effect ~ √√ No. of LayersNo. of Layers)) การบมนานการบมนาน ++ เพมความรอนเพมความรอน ความเหนยวเพมขนความเหนยวเพมขน 1212--24hrs24hrs. . (Bacterial activity, moisture) (Bacterial activity, moisture) depends of types of clay.depends of types of clay.

ความชนซมไดลกลงไปในเนอดนไดไมเกนความชนซมไดลกลงไปในเนอดนไดไมเกน 50mm 50mm




Nov 19, 2010Nov 19, 2010 [email protected]@su.ac.th 1414ไซโลทมฐานหมนได และมเกลยวหมนลาเลยงดนออก














Vibrating SeparationVibrating Separation


Rules of mixingRules of mixing

One Component System: Void volumeOne Component System: Void volume

a) Cubic 47.64% 6b) Single Stager 39.55% 8c) Double Stager 30.20% 10d) Pyramidal 25.95% 12e) Tetrahedral 25.95% 12

Coordination no.

By random single-size particles has 40% voids (= 0.4)


Rule of mixingRule of mixingTwoTwo--Component SystemComponent System

A – true vol of coase sphB – true vol of fine sphC – Bulk vol of coarse sphD – Bulk vol of fine sphO – min. perosity (ideal)H – min. bulk vol of mixed sph

Bulk ≠ True vol because:1. electrostatic repulsive force

2. perfect staggering & distribution is not reached

Fine:Coarse Size 1 : 10 void 25%1 : 50 void 18.5%

2-component = 0.4*0.4= 16% Void


Rule of mixingRule of mixing

ThreeThree--Component SystemComponent System

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


Industrial Application of MixingIndustrial Application of MixingNote:Note: -- วตถดบไมใชรปทรงกลมวตถดบไมใชรปทรงกลม

-- วตถดบทเตรยมไดสามารถเรยงกนเปนวตถดบทเตรยมไดสามารถเรยงกนเปน closeclose--pack system pack system ไดได

จากจาก HugillHugill, W. and Rees, , W. and Rees, W.J., Trans. Brit. W.J., Trans. Brit. CeramCeram. Soc. . Soc. 2828, 62 , 62 (1929)(1929)


การออกแบบการออกแบบ hopper hopper ทชวยในการผสมทชวยในการผสม



ผลของการเพมความลนผลของการเพมความลน


Testing of Raw MaterialsTesting of Raw Materialsการเกบตวอยางดนจากแหลงดนการเกบตวอยางดนจากแหลงดน มขนตอนการทดสอบมขนตอนการทดสอบดงตอไปนดงตอไปน

•• สหลงการเผาสหลงการเผา•• Particle size distribution Particle size distribution •• Chemical AnalysisChemical Analysis•• การทดสอบสายแรการทดสอบสายแร (mineralogical (mineralogical analysis)analysis)•• Differential thermal analysis (DTA)Differential thermal analysis (DTA)

•• สดสวนของนาทจาเปนในการขนรสดสวนของนาทจาเปนในการขนร ((% water)% water)

•• Drying shrinkageDrying shrinkage•• Firing Shrinkage Firing Shrinkage

@1000@1000°°C, 1050C, 1050°°C, 1100C, 1100°°CC•• นาหนกทหายไปหลงเผานาหนกทหายไปหลงเผา

LABORATORY WORKS!


DefinitionsDefinitionsDry ShrinkageDry Shrinkage

Firing ShrinkageFiring Shrinkage

Particle Size distributionParticle Size distribution–– การกระจายตวของอนภาคขนาดใหญและเลกผสมกนการกระจายตวของอนภาคขนาดใหญและเลกผสมกน ( <2( <2µµ, >20, >20µµ))

DTADTA–– การดดและคายพลงงานขณะถกเผาจากอณหภมตาไปสงการดดและคายพลงงานขณะถกเผาจากอณหภมตาไปสง ดวยอตราการใหความรอนคงทดวยอตราการใหความรอนคงท

100×=LengthOriginal

DifferenceLengthShrinkageDrying

100×=LengthOriginal

DifferenceLengthShrinkageFiring


Differential Thermal AnalysisDifferential Thermal Analysis


ปฏกรยาทเกดขนขณะใหความรอนกบดนปฏกรยาทเกดขนขณะใหความรอนกบดน(2Al2O3(2Al2O3••4SiO24SiO2••2H2O)2H2O)

เกดเกด MulliteMullite และและ SpinelSpinel มากขนมากขน โดยโดย MulliteMullite มสดสวนมสดสวน 3Al3Al22OO33••2SiO2SiO22

12001200--14001400°°°°CC

เปลยนผลกเปลยนผลก SpinelSpinel เปนเปน MulliteMullite และและ Silica Silica หลดจากโครงสรางเพมขนหลดจากโครงสรางเพมขน โครงสรางทางเคมไมโครงสรางทางเคมไมแนนอนแนนอน มโครงสรางของมโครงสรางของ CristobaliteCristobalite

ExothermicExothermic10501050--11001100°°CC

เปลยนสณฐานจากเปลยนสณฐานจาก metameta--kaolin kaolin เปนผลกแบบเปนผลกแบบ SpinelSpinel (2Al(2Al22OO33••3SiO3SiO22) ) เปนการเปลยนแปลงเปนการเปลยนแปลงแบบแบบ ““ทนททนใดทนททนใด””

ExothermicExothermic925 925 °°CC

โมเลกลนาในผลกสลายโมเลกลนาในผลกสลาย กลายเปนกลายเปน metameta--kaolin (2Alkaolin (2Al22OO33••4SiO4SiO22))

EndothermicEndothermic500500°°CC


DTA of Carbonaceous brickDTA of Carbonaceous brick



Types of PotteryTypes of Pottery



Common Pottery – ชอบานๆ ใชเรยกใหตดปากสาหรบงานททาจากดนประจาถน อาจจะมเคลอบหรอไมมกได เผาไฟแรกท 900°C หลงจากเคลอบแลวเผาท 1000-1100°CMajorica – หรอเรยกวา faience เปนความหลากหลายอกแบบหนงของดนสสม ซงจะมเคลอบอยเสมอ มสวนผสมของทรายมากและ flux บาง เนอขางในกคอดนสแดง เนอมความพรนชอนมาจากประเทศอตาล (Faience มาจากเมอง Faenza และ Majorica มาจากเมอง MajorcaEarthenwareEarthenware – เรยกงายๆวาเปนเครองดนเผาทไมใชสขาว คาวา earthen ฟงดแลวไมเราใจเทาไหร จงทาใหเกด “เพดาน”ของความนยมและการนาไปใชในสถานทถอวา “ฟฟา”Lime earthenware (Ca*) ทามาจากดน Marl บางทใช dolomite CaMg(CO3)2 ทาใหเนอดนทเผาสกตวแลวมความพรนเนองจากมกาซเกดขนขณะเผา มนาหนกเบา Feldspathic earthenware (hard earthenware) มหนฟนมามากถง 5-20% ใช Cornish Stone เปนสวนผสม Wedgewood (เจาเกาขององกฤษ) เปนตนตาหรบการผลต hard earthenware น สดนครมนวลๆ เผาท 900-1050°C ไฟแรกและ 1050-1150°C

สาหรบการเผาเคลอบ สาหรบชนงานทมคณภาพดๆ นน อาจจะมความแกรงเหมอน hard porcelain

เสยดวยซา เนองจากมความพรนและหดขยายได สามารถใช Wollastonite (CaSiO3 )ผสมชวยได


Lithia-based cookingware – ใชในเตาอบรอนๆได แตไมควรใชบนเปลวไฟโดยตรง Li2O นามาใชเพอใหเนอดนมการหดยดตวนอยลงขณะทมการเปลยนอณหภม Gustavsberg/Sweden เปนเจาตาหรบในการผลต ม COE ~ 2x10-6 Stoneware








Documents

03 Raw Materials of Ceramics