02 Raw Materials of Ceramics

Nov 11, 2010

[email protected]

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

Nov 11, [email protected] 2

Recap.. จากสัปดาห์ที่แล้ว

Traditional CeramicsClay-based, triaxial body, เนื้อดินหลากหลาย,เนื้อผสมระหว่างแกว้มาจาก feldspathic materials และ aluminosilicate part, Technical CeramicsBioceramics (HA), electroceramics (ferroelectric, ferrite, piezoelectric, solid electrolytes), engineering ceramics (glass ceramics, SiC, Si3N4, ZrO2, UO2, B4C ballistic)

Ceramics- crystalline or partly crystalline

- inorganic, non-metallic : oxides etc.- and Change form on heat


สัปดาห์นี้สัปดาห์นี้............Plastic Body› ดิน และแร่ดิน Kaolinite, MonmorilloniteNon Plastic Body› Silica, แร่ Feldspathic, Alkaline Earth Minerals,

Bone Ash

i.e. Triaxial body


o Plastic Body – เนื้อดินที่สามารถเปลี่ยนแปลง รูปร่าง โดยไม่แตกหัก เมื่อมีแรงขา้งนอกมากระทํา และสามารถคงรปูร่างนั้นไว้เมื่อแรงนั้นถูกถอนออก

o ดิน – ไหลได้เมื่อถูกแรงกระทํา (ใช้แรงมาก, yield สูง) และประกอบด้วยอณู Colloidal


o Non Plastic Bodyo เพิม่ในเนื้อดินเพือ่“ลด”ความเป็นพลาสติก และช่วยให้เนื้อดินที่แน่นและแตกง่ายขณะแหง้ตัว มีส่วนประกอบทีท่ําให้เนื้อดิน“โปร่ง”ขึ้น ช่วยลดการแตกระแหงของเนื้อดิน

o ทาํให้เกดิแก้ว (จากการหลอม)มีอนุภาค non plastic แทรกอยูใ่นเนื้อดินที่จับตัวกันแน่น


ให้ความร้อนความร้อนกับดิน ก็เกดิการเปลี่ยนแปลง

ความรู้ที่ได้จากการศึกษา traditional ceramic ทําให้เกดิความเข้าใจและพัฒนากรอบความรู้ไปสู่เซรามิกระดับสูง

ปฏิกิริยาทีเกดิขนึขณะให้ความร้อนกับดิน

(2Al2O3•4SiO2•2H2O)

เกิด Mullite และ Spinel มากขึ้น โดย Mullite มีสัดส่วน 3Al2O3•2SiO2

1200-1400°°C

เปลี่ยนผลึก Spinel เป็น Mullite และ Silica หลุดจากโครงสร้างเพิ่มขึ้น โครงสร้างทางเคมีไม่แนน่อน มีโครงสร้างของ Cristobalite

Exothermic1050-1100°C

เปลี่ยนสณัฐานจาก meta-kaolin เป็นผลึกแบบ Spinel (2Al2O3•3SiO2) เป็นการเปลี่ยนแปลงแบบ “ทันทีทันใด”

Exothermic925 °C

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

Endothermic500°C


เป็นดนิที่พบได้ทุกภูมิประเทศบนโลก ดินประกอบด้วยแร่ดินและสารอื่นๆประกอบ อินทรียสาร+อนินทรียสาร

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 สามารถปั้นเป็นรูปร่างต่างๆได้Mica-like shape HexagonalSize less than 2 micrometres XRD, electron diffraction etc.เปลี่ยนแปลงสมบัติเมื่อผ่านความร้อน -> mullite -> silica-rich amorphous phase

มาทําความรู้จักดิน... ซักนิด

“สิ่ง”ที่มากับดิน….% by weight in crustO = 49.2Si = 25.7Al = 7.5Fe = 4.7Ca = 3.4Na = 2.6K = 2.4Mg = 1.9other = 2.6

82.4%


เกิดจากการกร่อนตวัของแร่ Feldspar (alkaline – aluminosilicate)

-- เชงิเขา -- ที่ราบดินสามารถนํามาใช้ได้จาก

(1) การขุดจากแหล่งโดยตรง และ (2) จากกระบวนการแตง่แร่

.......แหล่งดิน


การเกิดดินParent Rock

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

~ weathered and transported away

by wind, water and ice.


Clay Minerals: กลุ่ม

Kaolin - kaolinite, dickite, halloysite and nacrite

Pyrophyllite / Smectite - dioctahedralsmectites (montmorillonite and nontronite)

Illite - includes the clay-micas

อื่นๆ (Chlorite, Vermiculite, Attapulgite)


0.26 nm

oxygen

silicon

0.29 nm

aluminium or magnesium

hydroxyl or oxygen

Clay minerals are made of2 distinct structural units.

Silicon tetrahedron Aluminium Octahedron


Several tetrahedrons joined together form

a tetrahedral sheet.

tetrahedron

hexagonal hole


เพื่อง่ายสําหรบัความเข้าใจ สัญญลักษณ์ silica tetrahedral sheet

Si

and alumina octahedral sheet

Al

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)

SiAl

SiAl

SiAl

SiAl

joined by strong H-bond∴no easy separation

0.72 nm

Typically 70-100 layers

joined by oxygen sharing

Kaolinite

used in paints, paper and in pottery and pharmaceutical industries

Halloysitekaolinite family; hydrated and tubular structure

(OH)8Al4Si4O10.4H2O

(OH)8Al4Si4O10

Kaolinite

Pyrophyllite

SiAlSi

SiAlSi

SiAlSi

0.96 nm

joined by weakvan der Waal’s bond

∴easily separated by water

also called smectite/Montmorillonite; expands on contact with water

Pyrophyllite

A highly reactive (expansive) clay

montmorillonite family

used as drilling mud, in slurry trench walls, stopping leaks

(OH)4Al4Si8O20.nH2O

high affinity to waterBentonite

swells on contact with water

Mica/ Illite

SiAlSi

SiAlSi

SiAlSi

0.96 nm

joined by K+ ions

fit into the hexagonal holes in Si-sheet

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

montmorillonite family; 2 interlayers of water

Fire-proof insulation

chain structure (no sheets); needle-like appearance

Chlorite

Vermiculite

Attapulgite

Si Al Al or Mg

อื่นๆ

เปรีย

บเทีย

บโคร

งสร้า

ง

สรุปจ

ัดกลุ่ม

แร่ดิน

การเปลียนรูปจากหินฟันม้าเป็นดิน

K2O·Al2O3·6SiO2(s) + 2H2O + CO2(aq)Al2O3·2SiO2·2H2O(s)+ 4SiO2(s) + K2CO3(aq)

หินผ่านกระบวนการการสึกกรอ่น ผุพังตามธรรมชาติ

แบ่งเป็น 2 ส่วน : ละลายน้ําได้ และ ไม่ได้

orthoclase(K2O.Al2O3.6SiO2), albite (Na2O.Al2O3.6SiO2), anorthite (CaO.Al2O3.2SiO2)

Kaolin

ชนดิของดินดินปฐมภมู ิ(Primary Clays)- ผุพังโดยตรงจากหินต้นทาง ขนาดและรูปร่างขึ้นอยู่กับหิน- สิ่งปะปนละลายออกไปกับน้ํา ยกเว้น Silica และ Mica (10-40%Vol)

- low in iron-bearing impurities- China Clay = ดินขาวที่ไมม่ี iron impurity

ชนดิของดินดินทุติยภูมิ (Secondary Clays)- ผุพงั จากที่หนึ่ง แล้วถูกพัดพาไปรวมกนัอีกที่หนึ่ง- impurity : TiO2, Fe2O3- ทับถมกนัเป็นชัน้ๆ (เห็นได้ชัด) – Cycle of time- มีปรมิาณมากกว่าดินปฐมภมูิ – มาจากหลากที่- มีสีขาว / ครมี / แดง / เหลือง

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

China Clay (= Kaolin)

• ลักษณะทั่วไป• มี kaolinite เป็นส่วนใหญ่ มีออกไซด์ให้สีน้อยมาก -> สีขาวครีม• พบทั้งในดินปฐมภูมิและทุติยภูมิ ขนาดอนุภาคดิน (เกล็ดดิน) 1-2 µm –

- เหนียว• แห้งมคีวามแข็งแรง• หดตัวหลังเผา ปานกลาง •

Ball Clay

• มีความเหนยีวเป็นพิเศษ (ผสมน้ํา)• ขนาดอนุภาค 0.1 µm และผสมดว้ยสารอนิทรี (มากถึง 2% น.น.)• ผสมน้าํได้มากกว่า และมี green strength มากกว่า china clay• เผาแลว้ไดส้ีชมพคูรีม (เป็นผลของ Fe2O3 และ TiO2)•

• ใช้ในสว่นผสมของ stoneware (ไม่ใช้ใน porcelain)

Fire Clay

• เป็นเนื้อดินที่เหมาะกับการนําไปใช้ทําวัตถุ(อิฐ)ทนไฟ• พบบอ่ยใกล้ๆกับบริเวณที่พบถ่านหิน (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 หลงัเผา

Bentonite

• ใช้ผสมดินอื่นเพื่อเพิ่มความเหนียว – ใชเ้ล็กน้อย• เกิดจากเถ้าภูเขาไฟ

• มีส่วนผสมของ montmorillonite เป็นส่วนใหญ่ - ดูดซับน้ําได้มาก•

Talc

• โครงสร้าง magnesium silicate ในกลุ่ม pyrophyllite โดยมี Mg 2+ แทนที่ Al3+

• เกิดจากการผพุังของหินชนิด Olivine และ Pyroxene • เรียกอีกอย่างว่า Soapstone / Steatite • ใช้ในอุตสาหกรรม electrical insulator / สี / และแป้งทัลคมั

Shales

• เป็นชั้นดินที่มีการอัดตวักันมากกว่าชัน้ดินทั่วไป เรียงกันเป็นชั้นๆ• มีโครงสร้างผลึกเหมอืนดินทัว่ไปแม้ว่าจะมีน้ําเป็นสว่นผสมน้อย• เมื่อผสมกับน้ํา มีความเหนียวพอๆกับดินดํา (ball clay) • มีสว่นประกอบของ เหล็กออกไซด์ ใหส้แีดงหลงัเผา

ดินชนดิอืน่ๆ• มีดินอีกหลายชนดิ ตัง้ชือ่ตามลักษณะที่ใช้ (Brick Clay, Stoneware

Clay etc.)• สัดส่วนในดนิมีความหลากหลาย และมีส่วนของ Alkaline +

Alkaline Earth พร้อมทั้ง Fe2O3 และ TiO2 สูงกว่าดนิทั่วไป – - Self fluxing

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

ดินชนดิอืน่ๆ• Stoneware Clay สามารถนํามาใช้ไดเ้ลย โดยไมต่อ้งแต่งแร่ • เผาที่ Cone 8-9 ให้สีเทา ครีมชมพู • ทําฉนวนไฟฟ้า ภาชนะ สิ่งของตกแต่ง กระเบือ้ง ท่อน้ํา • มีส่วนผสมของ Fe2O3 น้อยกว่า Earthenware • Brick Clay มี Fe2O3 และ flux มาก / มี Alumina น้อย• มีความเหนยีวพอประมาณ • ใช้ดิน Shales ทําอิฐได้ • เผาที่อุณหภูมิ Cone (1-5) ให้สีแดงเข้ม ทําหลังคา ท่อน้ํา

สีของความร้อน

02 Raw Materials of Ceramics

Documents

Transcript of 02 Raw Materials of Ceramics