اثر افزودن فلورین، آندالوزیت و ولاستونیت به عنوان جایگزین زیرکن بر خواص کاشی پرسلانی بدون لعاب

اثر افزودن فلورین، آندالوزیت و ولاستونیت به عنوان جایگزین زیرکن بر خواص کاشی پرسلانی بدون لعاب

1-سمانه جوادی، 2-مازیار منتظریان ، مریم شهریاری
1-شرکت آپادانا سرام،2-دانشکده مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران

 

چکیده:

کاشی های پرسلانی بدون لعاب (کاشیهای گرانیتی) در گروه کاشی های با جذب آب کمتر از 0/5 درصد قـرار دارند. کاربرد این گروه از سرامیک ها برای پوشش دهی نمای ساختمان، کف مراکز پر رفت و آمد و تزیین محیط، روز بـه روز در حال افزایش است.کاشی های پرسلانی بدون لعاب معمولاً پولیش میشوند و تزیین آنها با افزودن رنگدانه هـای سرامیکی به بدنه و روشهای متنوعی انجام میشود.زیرکن یکی از بهترین موادی اسـت کـه بـه عنـوان افزودنـی بـه فرمول کاشی های گرانیتی افزوده میشود تا به کمک آن سفیدی بدنه افزایش یابد و در عین حال بتـوان شـید رنگـی و تغییرات ابعادی را نیز کنترل نمود.اما امروزه در ایران بنا به دلایل متعددی قیمـت ایـن مـاده بـه عنـوان یـک کـالای وارداتی افزایش یافته و تأمین آن دشوار شده است. هدف از انجام این تحقیق، جایگزین نمودن زیرکن با مـواد ارزانتـر و در دسترس بوده است. بنابراین آندالوزیت، فلورین و ولاستونیت با خلوص صنعتی به عنوان جایگزین های زیرکن انتخاب شدند و در درصدهای مختلف جایگزین بخشی از زیرکن مصرفی در بدنه های گرانیتی سفید و فوق سفید شـدند. ضـمن اینکه تغییرات ابعادی و انقباض بعد از پخت بدنه های طراحی شده اندازه گیری شد، خواص آنها بـه کمـک پـراش پرتـو ایکس (XRD)، دیلاتومتر مکانیکی(Dilatometer)و اسپکتروفتومتر(Spectrophotometer) نیز بررسـی گردیـد. نتایج آزمون های انجام شده نشان میدهد که آندالوزیت در دمای پخت با تبدیل به فازهای آلومینوسیلیکاتی و مولایـت، ضمن بهبود سفیدی بدنه، قابلیت جایگزین شدن با بخشی از زیرکن بکار رفته در بدنه را دارد. فلورین و ولاستونیت ایـن قابلیت را دارند که به سفید شدن بدنه کمک کنند، اما اثر آنها بر تغییرات ابعادی و خروج گازها و بخار فلوئـور نیـاز بـه بررسی های بیشتری دارد.

1 – مقدمه

کاشی های پرسلانی جهت کاربرد گسترده به عنوان پوشش دیوار، نمای ساختمان و همچنین کف پـوش منـاطق پـر رفـت و آمـد شهرت یافته اند.خواص برجستهای همچون سفیدی بدنه، مقاومت حرارتی، سایشی و مقاوت در برابر یخ زدگی به همـراه تخلخـل 

کم و ظاهری طبیعی، این کاشی ها را از کاشی های سنتی و متخلخل متمایز نموده است]1[.این کاشی ها، به دو گروه لعـابدار و بدون لعاب تقسیم میشوند. گروه بدون لعاب آنها که به کاشی گرانیتی معروف هستند معمولاً پولیش مـیشـوند و سـطح بدنـه کاشی در معرض دید خواهد بود. لذا لازم است که در این حالت بدنه کاشی رنگی باشد و یا از سفیدی قابل قبولی برخوردار باشـد. بدین منظور معمولاً از رنگدانه ها برای رنگی کردن بدنه و یا سفید کردن آن به کمک زیرکن استفاده میشـود]2و3[. عـلاوه بـر این، حجم قابل توجه تولید سالانه این نوع کاشیها در جهان (8میلیارد متر مربع در سال2011)، متخصصان صنعت سرامیک را ترغیب نموده است که تمامی خواسته های مشتریان را فراتر از حد انتظار و استاندارد و به روشی نوین برآورده نمایند3و4[. جذب آب کم (< % 0/5)، استحکام خمشی بـالا (>MPa35)، مقاومـت بـه سـایش عمیـق خـوب( <mm 175) و سـفیدی زیـاد (75>L) از خواص کاشی های پرسلانی است]5[.

زیرکن (ZrSiO4) ماده ای است که سالها برای سفید کردن بدنه های کاشی و ساخت لعاب های اپک استفاده شـده اسـت. ایـن ماده علاوه بر اینکه باعث سفید شدن بدنه میشود در کنترل دقت ابعادی و افزایش سختی آن نیز موثر است.همچنـین زیـرکن باعث ثبات رنگی بسیاری از رنگدانه های مصرفی در بدنه و کنترل شید رنگی نیز میگردد ]6و7[. امروزه در ایران قیمت زیرکن(ZiSiO4) که یک ماده وارداتی است افزایش قابل توجه داشته است و تأمین آن دشوار شده اسـت. بنابراین هدف از این پژوهش، جایگزین کردن زیرکن با مواد ارزانتر و در دسترستر همچون آندالوزیت (Al2SiO5)، ولاستونیت (CaSiO3) و فلورین(CaF2) با تمرکز بر نقش آنها در سفید کردن بدنه بوده است.

2- فعالیت های تجربی

در این تحقیق، آزمون های تجربی بر روی بدنهای گرانیتی با کدG و با فرمول کلی :  50% فلدسپار ،20% خـاکهـای پلاسـتیک و30% کائولن و فیلرها انجام شد. بارگیری در فستمیل با گلوله های آلومینایی به وزن 600گرم  و400 گرم مواد خشک انجام شد. روانسازهای مورد اسـتفاده 0/4 درصد تریپلی فسفات سدیم   و0/6 درصد روانساز سیلیکات سدیم بود و مقدار زمان سایش جهت رسـیدن بـه زبـره مناسـب 15دقیقه  بود.زمان سایش مورد نظر با سعی و خطا جهت رسیدن زبره بهینه حاصل گردید(زبره مقدار 1 درصد  بـر روی الـک مـش 230 میباشد).

پس از رسیدن به زبره مورد نظر، دوغاب بر روی بیسکویت ریخته و در خـشک کـن قـرار داده شـد. جهـت همگـن شـدن گرانول ،  سایش دوغاب خشک شده نیز درون فست میل انجام گرفت. سپس مقدار 6 درصد رطوبت به گرانول اضافه گردید و از الک مش 18 عبور داده شد. بعد از گذشت 5 ساعت جهت همگن سازی رطوبت گرانول ، گرانول آماده پرس شد. فـشار اعمالی 450بار  و ابعاد نمونه cm 220×10 انتخاب شد.نمونه ها در خـشک کـن و در دمـای C°110 بـه مـدت 5 سـاعت خشک شدند.سپس نمونه ها در کوره رولری مختص کاشی های خطوط تولید در دمای C°1189-1194 به مدت 60 دقیقه  پخت شدند.

خواص بعد از پخت مانند تغییرات ابعادی ، جذب آب ، رنگ بدنه مطابق با استاندار 10545 ISO اندازه گیری شـد. رنـگ بدنـه بـا دستگاه اسپکتروفوتومتر (410-Minolta CR) اندازگیری شد که در این دستگاه فاکتور L میزان سـفید بـودن،   فـاکتور a میـزان قرمزی و سبزی ( عدد مثبت قرمزی و عدد منفی سبزی) و فاکتور b میزان زرد یا آبی بودن( عدد مثبت زردی و عدد منفـی آبـی) را نشان میدهد.

ضریب انبساط حرارتی نمونه بهینه به کمک دیلاتومتر مکـانیکی )Netzsch DIL 402 PC( در محـدوده C°50-500 تعیـین شد. سپس نمونه ها با استفاده از یک دستگاه پراش پرتـوی kV Philips XPert, Co Kα radiation at 40) X (تحـت آنـالیزJ. Martín-. قرارگرفتند. %10وزنی پودر سیلیکون به عنوان استاندارد جهت اندازه گیری های نیمـه کمـی اسـتفاده شـد XRD Márquez و همکاران نشان داده اند که آنالیز مینرالی کمی، بر اساس شدت پیکهای هر فاز بلوری، روش مناسبی جهت کـسب دانشی اولیه درباره مقدار فازهای موجود در کاشیهای پرسلانی است ]8[. بنابراین، شـدت پیـک فازهـای موجـود بـا اسـتفاده از نرم افزار OriginPro 7.5 SR0 مشخص گردید. سپس به منظور کمینه کردن خطاهای سیستماتیک، شدت پیـکهـا بـا شـدت پیک سیلیکون مقایسه شد.لازم به ذکر است که تمام آزمون ها بر روی حداقل 5 نمونه تکرار گردید و نتـایج ذکـر شـده در ایـن مقاله مربوط به میانگین اندازه گیری هاست.

3- نتایج و بحث

همانطور که اشاره شد با توجه به افزایش قیمت سیلیکات زیرکنیم، در این تحقیق بـا هـدف کـاهش قیمـت تمـام شـده موادی همچون  آندالوزیت(Andalusite) ،  فلورین( Florin) و ولاستونیت(Wollastonite) بـه بدنـه کاشـی گرانیتـی افزوده شدند.

مواد ذکر شده در درصدهای مختلف و همچنین به صورت ترکیبی با هم، بعضاً به تنهایی و همراه با سیلیکات زیرکنیم  در فرمـول  بدنه گرانیتی(G) در مقایسه با نمونه شاهد (RG) که شامل 5% سیلیکات زیرکنیم است تست گردید.

1-3- آندالوزیت

این ماده در درصدهای 5 و7 همراه با 3 درصد وزنی سیلیکات زیرکنیم  در مقایسه با نمونـه شـاهد RG %5 سـیلیکات زیـرکنیم) تست شد، که بدنه با 7% آندالوزیت  و 3% سیلیکات زیرکنیم از نظر تغییرات ابعادی و درصد جذب آب و رنگ، نزدیکترین شـرایط را به نمونه مرجع دارا بود.در جدول 1 نتایج مربوط به این نمونه ها خلاصه شده است.

2-3- فلورین

این ماده در درصدهای 3 و 5 همراه با 3 درصد سیلیکات زیرکنیم در مقایسه با نمونه شاهد RG)%5 سـیلیکات زیـرکنیم( تـست گردید، که از نظر شرایط تغییرات ابعادی هیچیک از نمونه ها قابل قبول نبودند.در جدول 2 نتایج مربوط به این نمونه ها خلاصـه شده است.

 

3-3- ولاستونیت

این ماده در درصدهای 2 و 4 همراه با 3 درصد سیلیکات زیرکنیم در مقایسه با نمونه شـاهد RG) %5 سـیلیکات زیـرکنیم( تـست شد. نمونه حاوی 2 درصد ولاستونیت و 3 درصد سیلیکات زیرکنیم نسبت به نمونه شاهد 3 واحد روشن تـر شـده اسـت و درصـد تغییرات ابعادی 1/16 واحد کمتر و جذب آب حدود 0/5 واحد افزایش یافته است. برای جبران کاهش میـزان انقبـاض و افـزایش جذب آب در این نمونه، 2 درصد فلدسپار پتاسیک بـه ایـن ترکیـب افـزوده شـد.بـه گونـهای کـه، بدنـه هـای حـاوی 2 درصـد سیلیکات زیرکنیم ، 2 درصد فلدسپار پتاسیک و 2 و 4 درصد ولاستونیت در مقایسه با نمونه شاهد RG) %5سیلیکات زیرکونیـوم(بررسی شدند. با این عمل مشکل تغییرات ابعادی برطرف نگردید و همچنان نمونه 4 درصد ولاستونیت بـا اینکـه از نظـر رنگـی کاملاً مشابه با مرجع بود ولی تفاوت در تغییرات ابعادی آن مانع از انتخاب آن به عنوان نمونه بهینه گردید .در جدول 3 و 4 نتایج مربوط به این نمونه ها خلاصه شده است.

 

در اینجا باید به این نکته اشاره نمود که در بدنه های گرانیتی دبل شارژ، شارژ دوم 20 تا 30 درصد لایه دوم را تشکیل میدهـد و در بعضی کاشی های RG) بدنه گرانیتی حاوی 5 درصد زیرکن(، درصدی از این لایه دوم میباشد. بنـابراین در این حالـت برابـری بالای سفیدی و برابری تقریبی تغییرات ابعادی و درصد جذب آب امکان جایگزینی مادهای دیگـر را بـه جـای سـیلیکات زیـرکنیم فراهم میآورد. به بیان دیگر، آنچه اهمیت بیشتری دارد برابری سفیدی نمونه های تست شده با نمونه مرجع است.

ترکیب 3 درصد سیلیکات زیرکنیم با 7 درصد آندالوزیت فاکتور سفیدی همانند بدنه مرجع دارد و اختلاف مابین پارامترهای جذب آب )0/2( و  انقباض )0/05( با تغییر منحنی کوره قابل اصلاح خواهد بود.تحلیل قیمتی نیز نشان میدهد که قیمت ایـن فرمـول برابر با فرمول مرجع است و البته تأمین آندالوزیت با توجه به تحریم ها به مراتب آسانتر خواهد بود.البته لازم به ذکـر اسـت کـه معادن آندالوزیت در ایران موجود است و در صورت فراوری مناسب این ماده، از آن میتوان برای این هدف استفاده نمود.

از فلورین به علت خروج گازها و بخار فلوئور و همچنین اثر آن بر تغییرات ابعادی پیشنهاد نمیشـود. بـا جـایگزینی ولاسـتونیت ،  اگرچه فاکتور سفیدی از بدنه مرجع بیشتر می شود ولی با افزایش جذب آب و تغییرات ابعادی زیاد مواجـه هـستیم.بـا توجـه بـه نتایج مثبت برای نمونهای حاوی 3 درصد سیلیکات زیرکنیم و7 درصد آندالوزیت این نمونه به عنوان نمونه بهینه انتخـاب شـد و مقایسهای بین ترکیب مینرالی و ضریب انبساط حرارتی آن با نمونه مرجع انجام شد.

4-3- نتایج XRD و ضرایب انبساط حرارتی

در جدول 4 و شکل 1 نتایج مربوط به آنالیز مینرالی )XRD( و ضرایب انبساط حرارتـی مربـوط بـه نمونـه هـای مرجـع و بهینـه )3درصد زیرکن+ 7درصد آندالوزیت( خلاصه شده است.

فازهای کوارتز، مولایت و آلبیت در نمونه های مورد آزمون شناسایی شدند.همانطور که از جدول 5 بر میآید آندالوزیت کـه یـک ترکیب آلومینوسیلیکاتی است باعث ترغیب تشکیل فاز مولایت شده است و اندکی درصد فاز مولایـت و کـوارتز را افـزایش داده است.علاوه بر این مقدار فاز آلبیت در نمونه حاوی آندالوزیت بسیار ناچیز است. ضرایب انبساط حرارتی این دو نمونه در محـدوده دمایی )C°50-500( با یکدیگر مشابه است که این امر می تواند تأیید دیگری بر امکان استفاده از7درصـد آنـدالوزیت در کنـار زیرکن باشد.

4- نتیجه گیری

در این تحقیق امکان جایگزینی زیرکن با آندالوزیت، ولاستونیت و فلورین در بدنه های کاشـی پرسـلانی  بـا هـدف دسـتیابی بـه سفیدی بعد از پخت مناسب بررسی شد. نمونه های حاوی فلورین در اثر بادکردگی و تغییرات ابعـادی شـدید مـورد تأییـد نبودنـد. ولاستونیت باعث کاهش انقباض بدنه ها میشود و افزودن 2 تا 4 درصد فلدسپار پتاسیک نمیتواند این نقص را جبران نمایـد. بـا این وجود، نمونه حاوی 2 درصد ولاستونیت با 3 درصد سیلیکات زیرکونیوم از نظر سفیدی 3 واحد روشن تر از مرجع بـود، امـا در مرحله بعد با اضافه کردن فلدسپار، نمونه 4 درصد ولاستونیت، 2 درصد فلدسپار و 2 درصد سـیلیکات زیرکنیـوم از نظـر سـفیدی مشابه با مرجع بود.خواص نمونه حاوی7درصد آندالوزیت و3 درصد زیرکن به نمونه مرجع بسیار شبیه بود و قابلیـت جـایگزین شدن با آن را دارد. تحلیل قیمت نشان میدهد که قیمت این نمونه برابر با نمونه مرجع است.اما اگر از آندالوزیت داخلی اسـتفاده شود قیمت به مراتب کاهش خواهد یافت.

مراجع

  • 1. G. Biffi, “Porcelain Stoneware”, (Faenza: Gruppo Editoriale, 1997).
  • 2. W. M. Carty and U. Senapati, “Porcelain–raw materials, processing, phase evolution andmechanical behavior”, J. Am. Ceram. Soc. 81: 3-20 (1998).
  • 3. E. Sánchez, J. García-Ten, V. Sanz, A. Moreno, “Porcelain tile: Almost 30 years of steadyscientific-technological evolution”, Ceram. Int. 36: 831-845 (2010).
  • 4. A. M. Berto, “Ceramic tiles: Above and beyond traditional applications”, J. Eur. Ceram. Soc. 27:.)2007( 1607-1613
  • 5. L. Esposito, A. Tucci, D. Naldi, “The reliability of polished porcelain stoneware tiles”, J. Eur.Ceram. Soc. 25: 1487-1498 (2005).
  • 6. E. Sánchez, M. J. Ibáñez, J. García-Ten, M. F. Quereda, Y. M. Xu, I. M. Hutchings, “Porcelaintile microstructure: Implications for polished tile properties”, J. Eur. Ceram. Soc. 26: 2533-2540.)2006(
  • 7. L. Carbajal, F. Rubio-Marcos, M. A. Bengochea, J. F. Fernandez, “Properties related phaseevolution in porcelain ceramics”, J. Eur. Ceram. Soc. 27: 4065-4069 (2007).
  • 8. J. Martín-Márquez, A. G. De la Torre, M. A. G. Aranda, J. M. Rincón, M. Romero, “Evolution with temperature of crystalline and amorphous phases in porcelain stoneware”, J. Am. Ceram.Soc. 92: 229-234 (2009).

 

برگشت به بالا
فروشگاه آنلاین کاشی و سرامیک