تحقیق و توسعه

مهندس حميد حاجي ابوطالبي
تحقیق و توسعه
بازدید: 569

بررسي فلدسپارهاي بدست آمده از منابع مختلف

بررسي فلدسپارهاي بدست آمده از منابع مختلف

( Investigation of Feldspars from Various Sources )

مهندس حميد حاجي ابوطالبي

كارشناس ارشد سراميك

مدير تحقیق و توسعه برند فورتیکو پلاس (4TCo+)

گروه مهندسي مواد دانشگاه آزاد واحد تاكستان

 

فلدسپارها يكي از فراوانترين گروههاي مواد معدني در پوسته زمين هستند كه حدود 60 درصد صخره هاي خاكي را تشكيل ميدهند . اين ماده معدني عمدتا بصورت فلدسپارهاي سديك ، پتاسيك و يا مخلوطي از هر دو نوع وجود داشته و اغلب بدليل وجود اجزاء آلومينا و اكسيدهاي قليايي در خود بكار ميروند و در ساخت سراميكها دومين جزء مهم پس از رس مي باشند .

فلدسپارها همانند شيشه نقطه ذوب قطعي و ثابتي نداشته و دريك محدوده حرارتي بتدريج نرم شده و ذوب ميگردند كه اين ويژگي سبب تسهيل در ذوب كوارتز و رس شده و با استفاده از مقدار مناسب به اين مرحله مهم در پخت محصولات سراميكي سامان مي بخشد . فلدسپارها بعنوان عامل گدازآور جهت شكل گيري فاز شيشه اي در دماهاي پايين و منبع آلومينا و قليايي ها در لعاب بكار ميروند . فلدسپارها استحكام ، چقرمگي و دوام بدنه هاي سراميكي را بهبود بخشيده و با ذوب شدن و تر كردن ذرات ، فازهاي كريستالي ساير اجزاء را به يكديگر متصل مينمايد .

 

فلدسپارهاي عمده

  1. فلدسپار پتاسيك ( ارتوكلاز) :  K2Al2O3.6SiO2 
  2. فلدسپار سديك ( آلبيت ) :   Na2Al2O3.6SiO2      
  3. فلدسپار آهكي ( آنورتيت ) :        Al2O3.2SiO2

فلدسپارها در محدوده دمايي 1150 – 1250  ⁰C    نرم و ذوب شده و فاز شيشه اي فلدسپاتي ايجادي ذرات رس ديرگداز را احاطه كرده و تخلخلهاي بين آنها را پر مينمايد . در اثر روان شدن فاز شيشه اي بين ذرات ديرگداز پس از انجماد سبب اتصال آنها و استحكام بدنه سراميكي خواهد شد و با افزايش اين فاز شيشه اي فلدسپاتي در يك بدنه پخته شده ميزان تراكم بالاتر ميرود .

اجزاء تشكيل دهنده فلدسپار

  1.   گدازآورها ( Flux )  -  به اكسيدهايي نظير  Na2O  ،  K2O  و  CaO  در فرمولهاي فوق ،  اكسيدهاي فلزي قليايي گفته ميشود زيرا با افزودن آب به يك باز قوي تبديل ميگردند . اين اكسيدها بعنوان گدازآور در فرمولهاي سراميكي استفاده شده و سبب كاهش دماي ذوب سيستم ميشوند . اين مواد ساختارهاي مولكولي بسيار فعالي در دماي بالا داشته و با اتصال بهم و تركيب با ساختار مولكولي مواد سخت كريستالي باعث حل شدن مولكولهاي سطحي در كريستالها ميگردند . اينكار لايه هاي زير سطح را در معرض انحلال قرار داده و در نتيجه سبب خواهند شد ساختارهاي كريستالي در دماهايي پايين تر نسبت به آنچه كه براي آنها بصورت مستقل تعريف شده ذوب شوند ، مانند اينكه حبه هاي قند در دماي اتاق ذوب گردند . بدون حضور گدازآورها هيچ يك از اجزاء سازنده بدنه هاي سراميكي قادر به ذوب شدن در دماهاي معمول نبوده و ساخت سفالها و بدنه هاي سراميكي دور از دسترس اغلب افراد خواهد بود .
  2. اكسيد آلومينيوم  ( Alumina )  -  اين جزء به دو صورت جداگانه در  بدنه هاي رسي و پرسلاني وجود دارد :

- وقتي بصورت شيميايي و بشكل مولكولي با ساير اجزاء تركيب ميشود بعنوان يك تثبيت كننده                    ( Stabilizer )  عمل كرده و جزيي از مذاب شيشه اي مي باشد . اتمهاي آلومينيوم ميتوانند با اتمهاي سيليسيم از طريق يك اتم اكسيژن مشترك پيوند خورده و درنتيجه يك جزء اساسي از زمينه سيليس آمورف باشد . در اينصورت اين اكسيد ترانسپارنسي شيشه را تحت تاثير قرار نمي دهد .

-    هرچند اكسيد آلومينيوم بصورت تركيبي در رسهايي مانند كائولن نيز به فرمول سراميكي افزوده مي گردد ، بدليل مقدار بالاي گدازآور موجود در فلدسپار مقداري از كائولن ذوب شده و يك محصول جانبي بصورت رسوبي از اكسيد آلومينيوم كريستالي بنام آلومينا شكل ميگيرد . اين كريستالها ديرگداز بوده و ذوب نشده باقي مانده و درون مذاب شيشه اي پراكنده ميشوند . در اين حالت اكسيد آلومينيوم سبب ابري يا اپك شدن شيشه خواهد شد .

  1.  سيليس ( Silica )  -  اين اكسيد بعنوان شيشه ساز  ( Glass Former )  وارد فرمول شده و همانند اكسيد          آلومينيوم به دو شكل عمل ميكند :

-    وقتي بشكل مولكولي با گدازآورها و اكسيد آلومينيوم تركيب ميشود ( مانند فلدسپارها ) بصورت يك  تركيب مولكولي در ژل شيشه اي آمورف ( سيليكا ژل ) ظاهر ميگردد .

-    همچنين سيليس ميتواند بصورت ذرات كريستالي ذوب نشده كوارتز درون مذاب شيشه پراكنده گردد . اين حالت جزيي از ساختار ديرگداز بوده كه در بدنه هاي رسي و پرسلاني وجود دارد .

تركيبات

اين گروه از مواد معدني داراي چارچوبي از تكتوسيليكاتها بوده و تركيبات آنها در سه گروه عمده تشريح ميگردد :

  1. فلدسپار پتاسيك ( K – Spar )  با فرمول شيميايي  KAlSi3O8
  2. فلدسپار سديك ( Na – Spar )  با فرمول شيميايي  NaAlSi3O8
  3. فلدسپار آهكي ( Ca – Spar )  با فرمول شيميايي  CaAl2Si2O8

 

فلدسپار پتاسيك

فلدسپار پتاسيك در يك لعاب يا بدنه رسي در مقايسه با مقدار مشابه فلدسپار سديك با وجودي كه محدوده دمايي ذوب پايينتري دارد ولي اثر ديرگدازي بيشتري ارائه ميدهد زيرا با شروع ذوب ، شكل گيري كريستالهاي لوسيت سبب ايجاد يك جريان مذاب آهسته تر و با ويسكوزيته بالاتر ميگردند .

فلدسپارسديك

اين فلدسپارها عموما مقادير كمي نيز اكسيد پتاسيم دارند ولي در مجموع كل جزء سديم آنها كمتر از پتاسيم موجود در فلدسپارهاي پتاسيك مي باشد . فلدسپارهاي سديك به دو صورت بوده و خواص آنها اغلب برگرفته از هردو فلدسپار سديك و پتاسيك مي باشد . اين حالت بويژه وقتي رخ ميدهد كه اين فلدسپار با مواد سديك قويتر مانند نفلين سيانيت مقايسه ميگردد . در نتيجه گاهي جايگزيني مقداري از فلدسپار سديك با پتاسيك بدون هيچ تغيير سطحي محسوسي امكان پذير خواهد بود .

نفلين سيانيت

يك ماده معدني با سيليس پايين ، سديم و آلوميناي بالا حاصل از صخره هاي فلدسپاتي مي باشد . قدرت گدازآوري و ميزان انقباض نفلين سيانيت بستگي به نوع و گريد آن دارد . گريدهايي كه قدرت ذوب و ميزان انقباض بالاتري دارند اغلب در پرسلانهاي الكتريكي ، گريدهاي با دماي ذوب و انقباض متوسط كه رايجترين انواع نفلين سيانيت هستند در آتليه ها و آموزشگاهها و گريدهاي با دماي ذوب و انقباض پايينتر توسط توليد كتتدگان شيشه استفاده ميگردند .

 

 

سنگ كورنيش ( Cornwall Stone )

اين سنگ نيز از صخره هاي فلدسپاتي بوده و داراي سيليس بالاتر و اكسيدهاي گدازآور كمتر در مقايسه با فلدسپارها مي باشد . از آنجا كه سيليس دماي ذوب بالايي دارد در نتيجه سنگ كورنيش بدليل وجود سيليس بيشتر داراي دماي ذوب بالاتري در مقايسه با فلدسپارها داشته و هنگاميكه بصورت تكي تا دماهاي پخت استون ور حرارت داده ميشود سفت تر و كمتر ذوب شده بنظر ميرسد . فلدسپارهاي پتاسيك ميزان ذوب بيشتري در دماهاي پخت اكسيدي زگر    5 – 6  نسبت به سنگ كورنيش نشان داده پس اولين انتخاب بعنوان هسته لعاب در اين محدوده دمايي مي باشند مگر وقتيكه سطح سختتري مدنظر باشد .

جايگزيني فلدسپارها

وقتي نسخه هاي لعاب داراي يك فلدسپار غير رايج يا ناياب باشد امكان جايگزيني آن وجود دارد ولي ممكن است نياز به انجام برخي تغييرات جزيي روي ساير اجزاء لعاب مانند رس يا سيليس و يكي از گدازآورها باشد . در برخي از تستها جايگزيني فلدسپار سديك با فلدسپار پتاسيك سبب تغييرات اندك در سطح لعاب ميگردد ولي در مجموع در تمامي هسته هاي لعاب وقتي اين دو فلدسپار جايگزين يكديگر ميشوند حداقل تغييرات را بهمراه داشته و ميتوانند بدون تغييرات شديد در سطح باشند .

فلدسپار پتاسيك معمولا ميتواند بدون ايجاد تغييرات سطحي عمده با ساير مواد مشابه در فرمول لعاب جايگزين گرديده و مقادير سيليس و آلومينا نيز تغيير ننمايد . در صورت تغيير جزيي در مقدار سيليس ميتوان با افزودن يا كاستن سيليس درون فرمول لعاب اين اختلاف را جبران نمود .در هر مورد قبل از جايگزيني در مقياس وسيع ، ساختار اكسيدي هر دو ماده را بررسي كرده و آناليز اكسيدي لعاب با با مواد جايگزين محاسبه مينمايند .

موارد جايگزين فلدسپارها

  1. سنگ كورنيش يا كورن وال ( K2O/Na2O/CaO.Al2O3.10SiO2 ) -  گدازآور قليايي فلدسپاتي دماي بالا و داراي كلسيم و پتاسيم بهمراه سديم ولي با ديرگدازي بالاتر از فلدسپارهاي پتاسيك .
  2. كلمانيت يا برات كلسيم ( 2CaO.3B2O3 ) -  عمده ترين گدازآور قليايي دماي پايين كه گاهي اثر اپك كنندگي ضعيفي در لعاب دارد . براي ترانسپارنسي بيشتر و بهتر بايد ساير تركيبات بوراتي مانند اسيد بوريك استفاده گردند .
  3. نفلين سيانيت ( K23Na2O.4Al2O3.9SiO2 )  -  يك گدازآور فلدسپاتي رايج داراي سديم بالا و مقاديري پتاسيم ، مورد استفاده در بدنه هاي رسي و لعابها . حاوي سيليس كمتر از فلدسپارهاي پتاسيك و در نتيجه گدازآوري بالاتر . محدوده پخت لعابهاي دما پايين و متوسط را افزايش ميدهد .
  4. اسپودومن يا فلدسپار ليتيمي ( Li2Al2O3.4SiO2 )  -  گدازآور دما بالاي قوي ، ايجاد كننده آبي مسي و مناسب براي بدنه هاي مقاوم به شوك حرارتي و لعابهاي تطبيقي .

 

جايگزيني نفلين سيانيت بجاي يك فلدسپار يا سنگ كورنيش بطور قابل ملاحظه اي دماي پخت لعاب يا بدنه رسي را كاهش ميدهد . مقايسه مقادير مورد نياز نفلين سيانيت و فلدسپار پتاسيك جهت ايجاد يك شرايط ذوب مشابه ضروري بوده و نشان ميدهد تقريبا 25 درصد فلدسپار پتاسيك بيشتر براي انجام عمل گدازآوري همانند نفلين سيانيت لازم مي باشد . عليرغم افزايش عمل گدازآوري با اينكار بدليل كاهش مقادير جزيي سيليس و آلومينا در نفلين سيانيت مات شدگي سطوح براق را تا حدي شاهد هستيم .

وقتي سنگ كورنيش بعنوان جايگزين براي فلدسپار سديك يا پتاسيك در فرمول لعاب بكار ميرود ممكن است سطح لعاب را بشدت تغيير دهد . اين ماده مقدار سيليس بالاتر و اكسيدهاي گدازآور كمتري دارد . اين جايگزيني ميتواند دماي پخت لعاب را افزايش داده و سبب اپك تر يا مات شدن سطوح شيشه اي و براق گردد . اگرچه جايگزيني سنگ كورنيش بجاي يك فلدسپار مقدار كل گدازآورها را در فرمول لعاب كاهش ميدهد ولي هنوز مقادير بالايي كمك ذوب در لعاب وجود داشته و ممكن است براي ذوب سيليس اضافي حاصل از اين سنگ كافي باشد . سنگ كورنيش حاوي اكسيد آهن بالاتر و برخي ناخالصيهاي بيشتر نسبت به فلدسپارها بوده و در نتيجه تفاوتهاي رنگي بخصوص در لعابهاي پر آهن ايجاد مينمايد .