اثر افزودن فلورين، آندالوزيت و ولاستونيت به عنوان جايگزين زيركن بر خواص كاشي پرسلاني بدون لعاب

اثر افزودن فلورين، آندالوزيت و ولاستونيت به عنوان جايگزين زيركن بر خواص كاشي پرسلاني بدون لعاب

۱-سمانه جوادي، ۲-مازيار منتظريان ، مريم شهرياري
۱-شركت آپادانا سرام،۲-دانشكده مهندسي مواد و متالورژي، دانشگاه علم و صنعت ايران

 

چكيده:

كاشي هاي پرسلاني بدون لعاب (كاشيهاي گرانيتي) در گروه كاشي هاي با جذب آب كمتر از ۰/۵ درصد قـرار دارند. كاربرد اين گروه از سراميك ها براي پوشش دهي نماي ساختمان، كف مراكز پر رفت و آمد و تزيين محيط، روز بـه روز در حال افزايش است.كاشي هاي پرسلاني بدون لعاب معمولاً پوليش ميشوند و تزيين آنها با افزودن رنگدانه هـاي سراميكي به بدنه و روشهاي متنوعي انجام ميشود.زيركن يكي از بهترين موادي اسـت كـه بـه عنـوان افزودنـي بـه فرمول كاشي هاي گرانيتي افزوده ميشود تا به كمك آن سفيدي بدنه افزايش يابد و در عين حال بتـوان شـيد رنگـي و تغييرات ابعادي را نيز كنترل نمود.اما امروزه در ايران بنا به دلايل متعددي قيمـت ايـن مـاده بـه عنـوان يـك كـالاي وارداتي افزايش يافته و تأمين آن دشوار شده است. هدف از انجام اين تحقيق، جايگزين نمودن زيركن با مـواد ارزانتـر و در دسترس بوده است. بنابراين آندالوزيت، فلورين و ولاستونيت با خلوص صنعتي به عنوان جايگزين هاي زيركن انتخاب شدند و در درصدهاي مختلف جايگزين بخشي از زيركن مصرفي در بدنه هاي گرانيتي سفيد و فوق سفيد شـدند. ضـمن اينكه تغييرات ابعادي و انقباض بعد از پخت بدنه هاي طراحي شده اندازه گيري شد، خواص آنها بـه كمـك پـراش پرتـو ايكس (XRD)، ديلاتومتر مكانيكي(Dilatometer)و اسپكتروفتومتر(Spectrophotometer) نيز بررسـي گرديـد. نتايج آزمون هاي انجام شده نشان ميدهد كه آندالوزيت در دماي پخت با تبديل به فازهاي آلومينوسيليكاتي و مولايـت، ضمن بهبود سفيدي بدنه، قابليت جايگزين شدن با بخشي از زيركن بكار رفته در بدنه را دارد. فلورين و ولاستونيت ايـن قابليت را دارند كه به سفيد شدن بدنه كمك كنند، اما اثر آنها بر تغييرات ابعادي و خروج گازها و بخار فلوئـور نيـاز بـه بررسي هاي بيشتري دارد.

۱ – مقدمه

كاشي هاي پرسلاني جهت كاربرد گسترده به عنوان پوشش ديوار، نماي ساختمان و همچنين كف پـوش منـاطق پـر رفـت و آمـد شهرت يافته اند.خواص برجستهاي همچون سفيدي بدنه، مقاومت حرارتي، سايشي و مقاوت در برابر يخ زدگي به همـراه تخلخـل 

كم و ظاهري طبيعي، اين كاشي ها را از كاشي هاي سنتي و متخلخل متمايز نموده است]۱[.اين كاشي ها، به دو گروه لعـابدار و بدون لعاب تقسيم ميشوند. گروه بدون لعاب آنها كه به كاشي گرانيتي معروف هستند معمولاً پوليش مـيشـوند و سـطح بدنـه كاشي در معرض ديد خواهد بود. لذا لازم است كه در اين حالت بدنه كاشي رنگي باشد و يا از سفيدي قابل قبولي برخوردار باشـد. بدين منظور معمولاً از رنگدانه ها براي رنگي كردن بدنه و يا سفيد كردن آن به كمك زيركن استفاده ميشـود]۲و۳[. عـلاوه بـر اين، حجم قابل توجه توليد سالانه اين نوع كاشيها در جهان (۸ميليارد متر مربع در سال۲۰۱۱)، متخصصان صنعت سراميك را ترغيب نموده است كه تمامي خواسته هاي مشتريان را فراتر از حد انتظار و استاندارد و به روشي نوين برآورده نمايند۳و۴[. جذب آب كم (< % 0/5)، استحكام خمشي بـالا (>MPa35)، مقاومـت بـه سـايش عميـق خـوب( <mm 175) و سـفيدي زيـاد (75>L) از خواص كاشي هاي پرسلاني است]۵[.

زيركن (ZrSiO4) ماده اي است كه سالها براي سفيد كردن بدنه هاي كاشي و ساخت لعاب هاي اپك استفاده شـده اسـت. ايـن ماده علاوه بر اينكه باعث سفيد شدن بدنه ميشود در كنترل دقت ابعادي و افزايش سختي آن نيز موثر است.همچنـين زيـركن باعث ثبات رنگي بسياري از رنگدانه هاي مصرفي در بدنه و كنترل شيد رنگي نيز ميگردد ]۶و۷[. امروزه در ايران قيمت زيركن(ZiSiO4) كه يك ماده وارداتي است افزايش قابل توجه داشته است و تأمين آن دشوار شده اسـت. بنابراين هدف از اين پژوهش، جايگزين كردن زيركن با مواد ارزانتر و در دسترستر همچون آندالوزيت (Al2SiO5)، ولاستونيت (CaSiO3) و فلورين(CaF2) با تمركز بر نقش آنها در سفيد كردن بدنه بوده است.

۲- فعاليت هاي تجربي

در اين تحقيق، آزمون هاي تجربي بر روي بدنهاي گرانيتي با كدG و با فرمول كلي :  50% فلدسپار ،۲۰% خـاكهـاي پلاسـتيك و۳۰% كائولن و فيلرها انجام شد. بارگيري در فستميل با گلوله هاي آلومينايي به وزن ۶۰۰گرم  و۴۰۰ گرم مواد خشك انجام شد. روانسازهاي مورد اسـتفاده ۰/۴ درصد تريپلي فسفات سديم   و۰/۶ درصد روانساز سيليكات سديم بود و مقدار زمان سايش جهت رسـيدن بـه زبـره مناسـب ۱۵دقيقه  بود.زمان سايش مورد نظر با سعي و خطا جهت رسيدن زبره بهينه حاصل گرديد(زبره مقدار ۱ درصد  بـر روي الـك مـش ۲۳۰ ميباشد).

پس از رسيدن به زبره مورد نظر، دوغاب بر روي بيسكويت ريخته و در خـشك كـن قـرار داده شـد. جهـت همگـن شـدن گرانول ،  سايش دوغاب خشك شده نيز درون فست ميل انجام گرفت. سپس مقدار ۶ درصد رطوبت به گرانول اضافه گرديد و از الك مش ۱۸ عبور داده شد. بعد از گذشت ۵ ساعت جهت همگن سازي رطوبت گرانول ، گرانول آماده پرس شد. فـشار اعمالي ۴۵۰بار  و ابعاد نمونه cm 220×۱۰ انتخاب شد.نمونه ها در خـشك كـن و در دمـاي C°۱۱۰ بـه مـدت ۵ سـاعت خشك شدند.سپس نمونه ها در كوره رولري مختص كاشي هاي خطوط توليد در دماي C°۱۱۸۹-۱۱۹۴ به مدت ۶۰ دقيقه  پخت شدند.

خواص بعد از پخت مانند تغييرات ابعادي ، جذب آب ، رنگ بدنه مطابق با استاندار ۱۰۵۴۵ ISO اندازه گيري شـد. رنـگ بدنـه بـا دستگاه اسپكتروفوتومتر (۴۱۰-Minolta CR) اندازگيري شد كه در اين دستگاه فاكتور L ميزان سـفيد بـودن،   فـاكتور a ميـزان قرمزي و سبزي ( عدد مثبت قرمزي و عدد منفي سبزي) و فاكتور b ميزان زرد يا آبي بودن( عدد مثبت زردي و عدد منفـي آبـي) را نشان ميدهد.

ضريب انبساط حرارتي نمونه بهينه به كمك ديلاتومتر مكـانيكي )Netzsch DIL 402 PC( در محـدوده C°۵۰-۵۰۰ تعيـين شد. سپس نمونه ها با استفاده از يك دستگاه پراش پرتـوي kV Philips XPert, Co Kα radiation at 40) X (تحـت آنـاليزJ. Martín-. قرارگرفتند. %۱۰وزني پودر سيليكون به عنوان استاندارد جهت اندازه گيري هاي نيمـه كمـي اسـتفاده شـد XRD Márquez و همكاران نشان داده اند كه آناليز مينرالي كمي، بر اساس شدت پيكهاي هر فاز بلوري، روش مناسبي جهت كـسب دانشي اوليه درباره مقدار فازهاي موجود در كاشيهاي پرسلاني است ]۸[. بنابراين، شـدت پيـك فازهـاي موجـود بـا اسـتفاده از نرم افزار OriginPro 7.5 SR0 مشخص گرديد. سپس به منظور كمينه كردن خطاهاي سيستماتيك، شدت پيـكهـا بـا شـدت پيك سيليكون مقايسه شد.لازم به ذكر است كه تمام آزمون ها بر روي حداقل ۵ نمونه تكرار گرديد و نتـايج ذكـر شـده در ايـن مقاله مربوط به ميانگين اندازه گيري هاست.

۳- نتايج و بحث

همانطور كه اشاره شد با توجه به افزايش قيمت سيليكات زيركنيم، در اين تحقيق بـا هـدف كـاهش قيمـت تمـام شـده موادي همچون  آندالوزيت(Andalusite) ،  فلورين( Florin) و ولاستونيت(Wollastonite) بـه بدنـه كاشـي گرانيتـي افزوده شدند.

مواد ذكر شده در درصدهاي مختلف و همچنين به صورت تركيبي با هم، بعضاً به تنهايي و همراه با سيليكات زيركنيم  در فرمـول  بدنه گرانيتي(G) در مقايسه با نمونه شاهد (RG) كه شامل ۵% سيليكات زيركنيم است تست گرديد.

۱-۳- آندالوزيت

اين ماده در درصدهاي ۵ و۷ همراه با ۳ درصد وزني سيليكات زيركنيم  در مقايسه با نمونـه شـاهد RG %5 سـيليكات زيـركنيم) تست شد، كه بدنه با ۷% آندالوزيت  و ۳% سيليكات زيركنيم از نظر تغييرات ابعادي و درصد جذب آب و رنگ، نزديكترين شـرايط را به نمونه مرجع دارا بود.در جدول ۱ نتايج مربوط به اين نمونه ها خلاصه شده است.

۲-۳- فلورين

اين ماده در درصدهاي ۳ و ۵ همراه با ۳ درصد سيليكات زيركنيم در مقايسه با نمونه شاهد RG)%5 سـيليكات زيـركنيم( تـست گرديد، كه از نظر شرايط تغييرات ابعادي هيچيك از نمونه ها قابل قبول نبودند.در جدول ۲ نتايج مربوط به اين نمونه ها خلاصـه شده است.

 

3-3- ولاستونيت

اين ماده در درصدهاي ۲ و ۴ همراه با ۳ درصد سيليكات زيركنيم در مقايسه با نمونه شـاهد RG) %5 سـيليكات زيـركنيم( تـست شد. نمونه حاوي ۲ درصد ولاستونيت و ۳ درصد سيليكات زيركنيم نسبت به نمونه شاهد ۳ واحد روشن تـر شـده اسـت و درصـد تغييرات ابعادي ۱/۱۶ واحد كمتر و جذب آب حدود ۰/۵ واحد افزايش يافته است. براي جبران كاهش ميـزان انقبـاض و افـزايش جذب آب در اين نمونه، ۲ درصد فلدسپار پتاسيك بـه ايـن تركيـب افـزوده شـد.بـه گونـهاي كـه، بدنـه هـاي حـاوي ۲ درصـد سيليكات زيركنيم ، ۲ درصد فلدسپار پتاسيك و ۲ و ۴ درصد ولاستونيت در مقايسه با نمونه شاهد RG) %5سيليكات زيركونيـوم(بررسي شدند. با اين عمل مشكل تغييرات ابعادي برطرف نگرديد و همچنان نمونه ۴ درصد ولاستونيت بـا اينكـه از نظـر رنگـي كاملاً مشابه با مرجع بود ولي تفاوت در تغييرات ابعادي آن مانع از انتخاب آن به عنوان نمونه بهينه گرديد .در جدول ۳ و ۴ نتايج مربوط به اين نمونه ها خلاصه شده است.

 

در اينجا بايد به اين نكته اشاره نمود كه در بدنه هاي گرانيتي دبل شارژ، شارژ دوم ۲۰ تا ۳۰ درصد لايه دوم را تشكيل ميدهـد و در بعضي كاشي هاي RG) بدنه گرانيتي حاوي ۵ درصد زيركن(، درصدي از اين لايه دوم ميباشد. بنـابراين در اين حالـت برابـري بالاي سفيدي و برابري تقريبي تغييرات ابعادي و درصد جذب آب امكان جايگزيني مادهاي ديگـر را بـه جـاي سـيليكات زيـركنيم فراهم ميآورد. به بيان ديگر، آنچه اهميت بيشتري دارد برابري سفيدي نمونه هاي تست شده با نمونه مرجع است.

تركيب ۳ درصد سيليكات زيركنيم با ۷ درصد آندالوزيت فاكتور سفيدي همانند بدنه مرجع دارد و اختلاف مابين پارامترهاي جذب آب )۰/۲( و  انقباض )۰/۰۵( با تغيير منحني كوره قابل اصلاح خواهد بود.تحليل قيمتي نيز نشان ميدهد كه قيمت ايـن فرمـول برابر با فرمول مرجع است و البته تأمين آندالوزيت با توجه به تحريم ها به مراتب آسانتر خواهد بود.البته لازم به ذكـر اسـت كـه معادن آندالوزيت در ايران موجود است و در صورت فراوري مناسب اين ماده، از آن ميتوان براي اين هدف استفاده نمود.

از فلورين به علت خروج گازها و بخار فلوئور و همچنين اثر آن بر تغييرات ابعادي پيشنهاد نميشـود. بـا جـايگزيني ولاسـتونيت ،  اگرچه فاكتور سفيدي از بدنه مرجع بيشتر مي شود ولي با افزايش جذب آب و تغييرات ابعادي زياد مواجـه هـستيم.بـا توجـه بـه نتايج مثبت براي نمونهاي حاوي ۳ درصد سيليكات زيركنيم و۷ درصد آندالوزيت اين نمونه به عنوان نمونه بهينه انتخـاب شـد و مقايسهاي بين تركيب مينرالي و ضريب انبساط حرارتي آن با نمونه مرجع انجام شد.

۴-۳- نتايج XRD و ضرايب انبساط حرارتي

در جدول ۴ و شكل ۱ نتايج مربوط به آناليز مينرالي )XRD( و ضرايب انبساط حرارتـي مربـوط بـه نمونـه هـاي مرجـع و بهينـه )۳درصد زيركن+ ۷درصد آندالوزيت( خلاصه شده است.

فازهاي كوارتز، مولايت و آلبيت در نمونه هاي مورد آزمون شناسايي شدند.همانطور كه از جدول ۵ بر ميآيد آندالوزيت كـه يـك تركيب آلومينوسيليكاتي است باعث ترغيب تشكيل فاز مولايت شده است و اندكي درصد فاز مولايـت و كـوارتز را افـزايش داده است.علاوه بر اين مقدار فاز آلبيت در نمونه حاوي آندالوزيت بسيار ناچيز است. ضرايب انبساط حرارتي اين دو نمونه در محـدوده دمايي )C°۵۰-۵۰۰( با يكديگر مشابه است كه اين امر مي تواند تأييد ديگري بر امكان استفاده از۷درصـد آنـدالوزيت در كنـار زيركن باشد.

۴- نتيجه گيري

در اين تحقيق امكان جايگزيني زيركن با آندالوزيت، ولاستونيت و فلورين در بدنه هاي كاشـي پرسـلاني  بـا هـدف دسـتيابي بـه سفيدي بعد از پخت مناسب بررسي شد. نمونه هاي حاوي فلورين در اثر بادكردگي و تغييرات ابعـادي شـديد مـورد تأييـد نبودنـد. ولاستونيت باعث كاهش انقباض بدنه ها ميشود و افزودن ۲ تا ۴ درصد فلدسپار پتاسيك نميتواند اين نقص را جبران نمايـد. بـا اين وجود، نمونه حاوي ۲ درصد ولاستونيت با ۳ درصد سيليكات زيركونيوم از نظر سفيدي ۳ واحد روشن تر از مرجع بـود، امـا در مرحله بعد با اضافه كردن فلدسپار، نمونه ۴ درصد ولاستونيت، ۲ درصد فلدسپار و ۲ درصد سـيليكات زيركنيـوم از نظـر سـفيدي مشابه با مرجع بود.خواص نمونه حاوي۷درصد آندالوزيت و۳ درصد زيركن به نمونه مرجع بسيار شبيه بود و قابليـت جـايگزين شدن با آن را دارد. تحليل قيمت نشان ميدهد كه قيمت اين نمونه برابر با نمونه مرجع است.اما اگر از آندالوزيت داخلي اسـتفاده شود قيمت به مراتب كاهش خواهد يافت.

مراجع

  • ۱. 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 طرح کاشی و سرامیک