افزودنی و شکل دهی سرامیک : (ADDITIVES)

ا    ا   فزودنی و شکل دهی سرامیک : (ADDITIVES)

در شکل دهى سرامیک ها از افزودنى هاىمعینى استفاده مى شود و گاهى اوقات جزئى از درصد وزنى هستند که اغلب براى کنترل خصوصیات مواد و رسیدن به شکل دهى مطلوب و همچنین رسیدن به تراکم و یکنواختى در بدنه خام لازم است.در روش هایى مانند ریخته گرى نوارى و مدلهاى تزریقى انتخاب افزودنى مناسب جهت شکل دهى یکى از مهم ترین قسمتهاى فرایند شکل دهى محسوب مى شود .افزودنى ها به دو نوع آلى ومعدنى تقسیم مى شوند .افزودنى هاى آلى به صورت ترکیبات طبیعى و مصنوعى وجود دارند که در حقیقت در شکل دهى سرامیک هاى مدرن به کار مى روند زیرا تقریبا ً به طور کامل در مرحله پخت تجزیه شده واز بدنه خارج مى شوند .درصورتیکه از بدنه خارج نشوند تاثیر نامطلوبى بر روى ریز ساختار نهایى خواهند داشت.همچنین افزودنى هاى آلى مى توانند با محدوده وسیعى از مواد ترکیب شوند و تعداد زیادى از ترکیب هاى شیمیایى را براى کاربرد هاى تخصصى ایجاد کنند

افزودنى هاى معدنى عموما ً نمى توانند بعد از مرحله فرم دهى خارج شوند به همین خاط این افزودنى ها در صنایع سرامیک هاى سنتى کاربرد دارند یعنى جایى که باقى ماندن آنهاتاثیرى بر روى خواص بدنه نهایى ایجاد نمى کند .

افزودنى ها را به دلیل تنوع کاربردى خاص مى توان به چهار گروه اصلى تقسیم کرد :

1.حلالها

2.دیسپرسنت ها (که به عنوان عامل دفلوکولنت هستند.)

3.چسب ها

4.پلاستیسایزرها

ممکن است دربعضى از روش هاى شکل دهى به افزودنى نیاز باشد از کاربرد هاى دیگر افزودنى ها روانسازى و ترشوندگى است .اصول شیمیایى و رهنمود هاى کاربردى به منظور انتخاب افزودنى ها براى فرایند ها را مى توان فرمول بندى کرد .اگر چه به خاطر رنج وسیعى از روش هاى شیمیایى قابل استفاده و همچنین ناقص بودن علم در ارتبط با ساختار شیمیایى و مکانیزم انجام فرایندها معمولا یک راه براى اننتخاب افزودنى ها براى یک سیستم وجود ندارد .موفق ترین روش پیدا کردن افزودنى مناسب به روش آزمون و خطا انجام مى شود.

حلال ها :

دو کاربرد مهم مایعات عبارت است از :

1. ایجاد روانسازى براى پودر ها در حین شکل دهى .

2. به عنوان حلال براى انحلال افزودنى ها به منظور یکنواخت کردن پودر در حین آماده سازى یا پراکندن افزودنى ها در سراسر پودر.

در انتخاب یک یک درگیرى در بین انتخاب آب و یک مایع آلى است. حلال هاى آلى معمولا ً داراى فشار بخار بالاتر ، گرماى نهان تبخیر پایین تر ، نقطه جوش و کشش سطحى کمترى نسبت به آب مى باشند.

عموما ً چندین حلال آلى با ویسکوزیته کمتر از آب وجود دارند .معمولا ً براى انتخاب دقیق یک مایع براى کاربرد معین در یک ترکیب باید به نکات زیر توجه کرد:

1.توانایى حل کردن افزودنى هاى دیگر

2.سرعت تبخیر سطحى

3.توانایى تر کردن پودر ها

4.ویسکوزیته

5.واکنش پذیرى با پودر

6.ایمنى

7. قیمت .

معمولا ً قابلیت انحلال یک جامد در مایع در صورتیکه عوامل شیمیایى وابسته والبته گروه هاى وابسته نظیر [poly(vinyl alcohol) و گروه هاى OH آب] و مولکول هاى قطبى نظیر [poly (vinyl butyral) واتانول] وجود داشته باشد آسان مى گردد.

سرعت تبخیر سطحى یک فاکتور مهم صنعتى در ریخته گرى نوارى است ، جایى که ریخته گرى نوارى است خشک شدن و مانند پوسته از روى نوار هاى حمل کنده وبلند شدن براى انبار کردن به صورت پیوسته انجام مى شود.حلال هاى سریع خشک تلوئن و اتیل متیل کتون معمولا ً براى ریخته گرى نوارى به خصوص نوارهاى ضخیم استفاده مى شوندو گاهى اوقات ازآب براى نوارهاى نازک استفاده مى شود .سرعت تبخیر سطحى یک مایع به وسیله گرماى نهان تبخیر آن تعیین مى شود اما گاهى اوقات از نقطه جوش به عنوان یک راهنما استفاده مى شود.

تر شوندگى یه جامد توسط به وسیله یک مایع به زاویه اتصال θبستگى دارد که θ از فرمول زیر محاسبه مى شود :

: کشش سطحى بین فاز جامد – بخار

: کشش سطحى بین فاز جامد - مایع

: کشش سطحى بین فاز مایع – گاز

تر شوندگى مناسب (θ کم )به صورت تجربى وبا تمرین به دست مى آید (6-6) .مقدار θ با کاهش lvγ درصورتى که slγ به طور قابل ملاحظه اى تغییر نکند افزایش مى یابد که معمولا ً با استفاده از یک حلال آلى یا با اضافه کردن surfactantها به آب براى کاهش کشش هاى سطحى lvγ کم شود .شیمى مواد فعال در سطح (surfactant)ومکانیزم عملکرد آن ها در فصل بعد توضیح داده مى شود.

تر شوندگى کم(poor wetting) مى تواند تاثیر نامطلوب مانند پف کردن مایع در طى آسیاب کردن و افزایش ویسکوزیته سوسپانسیون داشته باشد.کشش سطحى بیشتر از آب رهایى حباب ها را از سطح بسیار مشکل مى سازد ،بنابراین وقتى که استفاده از مایعات آلى با دوغاب هاى آبى مقایسه شود میبینیم که آن ها تمایل بیشترى به پف کردن در طى آسیاب دارد.

گیر افتادن حباب هاى هوا تاثیر زیان آورى در بدنه ها دارند .عموما ً سببب ترک در بدنه خام مى شوند ، کاهش lvγ به وسیله روش هاى گفته شده در بالا مى تواند این مشکل را کاهش دهد .آب در مقایسه با زمانى که از یک روان ساز آلى مانند تلوئن استفاده مىشود ویسکوزیته بالایى دارد و تمایل باند هاى هیدروژن آن با گروه هاى هیدروکسیل بر سطوح پودرهاى اکسید مى تواند بر شیب غلظت ذرات در ویسکوزیته دوغاب تاثیر گذارد که معمولا ً نتیجه اش یک کاهش در حجم جامدات سوسپانسیون با بیشترین ویسکوزیته قابل کارکرد است …

اجزای اصلی اسپری درایر

اجزای اصلی اسپری درایر

1 . حوضچه اولیه :این حوضچه اولین قسمت از این سیستم است در این حوضچه ذرات با مش 18 است . دوغاب در اینجا به مدت 24 ساعت می ماند اینکار باعث aging و یکنواختی بیشتر دوغاب برای اسپری درایر است.

2 .حوضچه ثانویه : این حوضچه پس از حوضچه اولیه قرار دارد و دوغاب پس از ورود به ان مورد لرزش قرار می گیرد . فرق این دو با هم در این است که حوضچه ثانویه دارای دو الک ویبره است که دوغاب از رویاین الک ها عبور می کند در ضمن مش ان الک ها 45 و 60 میکرون است .

3 . مخزن اصلی : این مخزن با ابعاد بزرگ پس از حوضچه ثانویه قرار دارد در داخل این مخزن افشانک هایی وجود دارد که دوغاب مورد نظر را به داخل مخزن اسپری می کند . همچنین در داخل این مخزن یک المت حلزونی شکل وجود دارد که گرمای مورد نیاز برای تبخیر اب و تبدیل دوغاب به ذرات گرانول را تامین می کند.

4 . نازل : این نازل با قطر مشخص جهت خروج پودر های گرانول حاصله از فرایند اسپری درایر از محیط مخزن اصلی می باشد . هر چه قطر این نازل بیشتر باشد ذرات حاصله درشت تر خواهند بود .

پارامتر های موثر بر اسپری درایر

رطوبت : هر چه میزان اب داخل دوغاب بیشتر باشد پودر گرانوله حاصله ریزتر است . میزان رطوبت فراورده هایی که پرس می شوند باید بهینه باشد در واقع میزان کم رطوبت باعث ایجاد عیوبی در عمل پرس می شود در حالی که مقدار زیاد رطوبت باعث ایجاد مشکلاتی در تمیز کردن قالب پرس و خشک شدن مشکل می گردد.

ویسکوزیته: هرچه ویسکوزیته دوغاب مورد استفاده در اسپری درایر بیشتر باشد گرانروی بیشتر است در نتیجه سرعت خشک شدن دوغاب کاهش می یابد که نتیجه ان درشت تر شدن گرانول هاست.

ضخامت حلزونی: هر چه ضخامت حلزونی داخل مخزن بیشتر باشد قطر گرانول ها بیشتر است .

فشار پمپ: هر چه فشار پمپ داخل مخزن اصلی برای پاشش دوغاب به داخل مخزن بیشتر باشد قطر گرانول ها بیشتر است .

اسپری درایر

اسپری درایر

 (خشک کن های افشان یا پاشنده) :

امروزه در صنعت سرامیک ، خشک کن های افشان رایج ترین وسیله جهت تهیه پودر می باشد . این نوع خشک کن ها اگر چه از مدتها قبل در تولید بعضی ازمواد غذائی به عنوان مثال شیر خشک و قهوه بکار می رفتند ولی در صنعت سرامیک ، می توان گفت که هنوز دستگاههای نسبتا جدید بشمار می آیند .

بطور کاملا ساده و خلاصه ، در خشک کن های افشان دوغاب بدنه به وسیله پاشیده شدن و برخورد با گاز های داغ خشک شده و به پودر تبدیل می گردد .

این خشک کن ها اساسا از استوانه هائی از جنس فولاد ضد زنگ ساخته شده اند . قسمت پایین استوانه به یک مخروط ختم می شود . محل ورود دوغاب به داخل فضای استوانه می تواند در پایین قسمت مخروطی و یا در بالای خشک کن باشد عمل پاشیدن دوغاب معمولا به دو روش انجام می شود . در روش اول دوغاب به وسیله عبور از میان یک صفحه دوار ( با سرعت زیاد) در فضای خشک کن پاشیده می شود . در روش دوم (که صنایع سرامیک بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد ) پاشیده شدن دوغاب مستلزم عبور آن از وسط یک شیپوره است . حرارات مورد نیاز این خشک کن ها نیز معمولا از سوختن نفت و یا گاز تامین می شود . بدین صورت که گازهای حاصل از احتراق مستقیما وارد فضای خشک کن شده و با قطرات ریز دوغاب برخورد می نمایند . با این توضیحات بدیهی است که چنانچه عمل پاشیدن دوغاب ازاین به طرف بالا انجام می شود . زمان تماس گازهای داغ با قطرات ریز دوغاب افزایش خواهد یافت . ولی در هر صورت در خشک کن های افشان زمان تماس هوای داغ با قطرات دوغاب در مجموع بسیار کم است . دمای گازهای ورودی معمولا بین 75 تا 100 می باشد . بنا بر این با توجه به زمان بسیار کم برخورد مواد اولیه و گازهای داغ ، بدیهی است که تعادل حرارتی بین این دو برقرار نخواهد شد و این موضوع نهایتا بدین معنی است که درجه حرارت مواد اولیه کمتر از مقدار مذکور می باشد . با این همه و علی رغم زمان بسیار کم برخورد ، عمل تبخیر در خشک کن های افشان بسیار سریع است . به هرحال این موارد در مجموع باعث می گردند که پودر بدنه حاصل در معرض حرارت بیش از حد قرار نگیرد و این موضوع نیز به نوبه خود بدین معنی است که ادامه عمل تبخیر پودر ، به آن مفهومی که در مورد خشک کن های غلطکی اشاره شد ، در مورد خشک کن های افشان مصداق ندارد و بنا بر این در خشک کن های افشان امکان حصول به مقدار دقیق آب مورد نظر وجود خواهد داشت . این مورد یکی از مهمترین مزایای خشک کن های افشان در صنعت سرامیک است . علاوه بر این مورد ، سرامیک ها با دیدگاه خاص خود یک مزیت عمده دیگر را نیز در خشک کن های افشان مطرح می نمایند ، این مزیت شکل دانه ها و ذرات پودر حاصل از خشک کن های افشان است . بطور کلی ذرات پودر حاصل از خشک کن های افشان کروی می باشند . این شکل خاص باعث تسهیل در حرکت و غلطیدن ذرات پودر روی یکدیگر و در نتیجه شکل گیری بهترآنها در داخل قالب ( هنگام اعمال فشار ) می گردد. بدیهی است که چنانچه جهت تهیه پودر از روشها و یا خشک کن های نوع دیگر استفاده شود به هیچ وجه چنین سهولتی در حرکت ذرات و پخش آنها وجود نخواهد داشت . ضمنا در پایان باید اشاره گردد در خشک کن های افشان جهت باز یابی گرد و غبار مواد اولیه موجود در هوای خروجی معمولا از پایه های کیسه ای و با سیکلونها در مسیر خروج هوا استفاده می گردد.

فلدسپار یا فلوئوریت برای تولید کاشی و سرامیک

فلوئوریت برای تولید کاشی و سرامیک

    فلوئوریت (فلوئورین)

    نام این کانی که به فلوئوراسپار نیز معروف است از واژه یونانی به معنی جریان یافتن گرفته شده است و دلیل آن نیز ذوب شدن سریعتر این کانی نسبت به سایر کانیها است. فلوئورین با ترکیب شیمیایی CaF2 در گروه هالیدها قرار داشته و به رنگهای زرد، سبز، بنفش، آبی، صورتی، قهوه ای، سیاه و بی رنگ دیده می شود.

    محیط تشکیل فلوئوریت

    فلوئوریت همراه با رگه های هیدروترمالی و در کنار کانیهایی مثل گالن، اسفالریت، کوارتز، کلسیت، باریت و نقره تشکیل می شود . عیار این رگه ها بین 25 تا 65 درصد است. این کانی همچنین با سنگهای آذرین درونی از نوع اسیدی مثل گرانیت، گرانودیوریت و پگماتیت دیده می شود . فلوئوریت ممکن است در کنار چشمه های آب معدنی با حرارت خیلی بالا نیز تشکیل شود . فلوئوریت به صورت استراتیفورم (چینه سان) در داخل سنگهای کربناته دیده می شود (امریکا و مکزیک ). کانسارهای فلوئوریت همراه با سنگهای آلکالن، فوق آلکالن و کربناتیت نیز مشاهده می شود . فلوئوریت می تواند پس از شستشوی سایر کانیهای موجود در سنگهای فلوئورین دار به صورت غنی شده و بر جای مانده تشکیل شود.

     کاربردهای فلوئوریت

    فلوئوریت توسط یونانیان قدیم برای ساخت ظروف تزئینی مثل فنجان، لیوان و سطح میزها استفاده می شده است . سه مصرف عمده فلوئورین در صنایع تولید اسید فلوئوریک (HF)، سرامیک و متالورژی است . بیش از 50 درصد تولید کانی فلوئوریت در جهان در صنایع شیمیایی و برای تولید اسید هیدروفلوئوریک مصرف می شود .

    خلوص این نوع فلوئوریت باید حداقل 97 درصد باشد. حدود 40 درصد تولید فلوئوریت نیز به عنوان کمک ذوب د ر صنایع ذوب فلزات به کار برده می شود . عیار این نوع فلوئوریت باید 60 درصد باشد . میزان مصرف فلوئوریت در این صنعت بین 1 تا 10 کیلوگرم در تن است . فلوئوریت باعث روانی بیشتر سرباره شده و موجب سهولت انتقال گوگرد و فسفر به سرباره می گردد.

    از فلوئوریت در ساخت شیشه ، فایبرگلاس ، عدسی و مواد آرایشی استفاده می گردد. در صنایع کوزه گری، میناکاری و سرامیک نیز از این کانی استفاده می شود . خلوص این نوع فلوئوریت بین 95 تا 96 درصد است. از فلوئوریت برای تهیه کریولیت صنوعی Na3AlF6 که برای ذوب آلومینیم اساسی است استفاده می شو د. فلوئوریتهای خوش رنگ و شفاف می توانند به عنوان کانی زینتی مورد استفاده قرار گیرند.

    کشورهای تولیدکننده

    از کشورهای تولیدکننده فلوئوریت می توان به مکزیک، شوروی سابق، افریقای جنوبی، و تولید جهانی فلوئوریت در سال 1996 درچین، فرانسه، انگلستان، هند، ایتالیا، مغولستان، آلمان و امریکا اشاره نمود. در ایران نیز چند معدن فلوئوریت وجود دارد که تولیدات آنها اغلب به کارخانه های ذوب فلزات مثل ذوب آهن اصفهان منتقل می شود . از جمله این معادن می توان به معادن فلوئوریت در استانهای اصفهان، خراسان و سمنان اشاره نمود.

با تشکر و احترام

اندازه گیری استحکام خمشی سرامیکها

اندازه گیری استحکام خمشی سرامیکها

به روش سه نقطه ای و چهار نقطه ای

خوانندة محترمی پرسیدند:

میخواستم بدانم ارتفاع و عرض در نتیجة استحکام خمشی چه تأثیری دارد و چرا؟

آیا میزان (L ، فاصله تکیه گاه) در استحکام خمشی نمونه تأثیر گذار است یا خیر؟ به چه صورت باید باشد و چرا؟

چرا در فرمول استحکام خمشی، میانگین عرض و ارتفاع گرفته میشود؟

پاسخ:

به صورت تئوری، اگر مادة جامدی را با هر ارتفاع یا عرضی بسازیم، استحکام خمشی آن یکی است. اما در واقعیت ممکن است  همیشه چنین نباشد. برای نمونه های ضخیم (به خصوص در مواد ترد) اعداد استحکام بالاتر به دست می آید که به دلیلِ کمتر شدنِ احتمال ایجادِ ترکهای بحرانی در حین ساخت قطعه است. در اینجا منظور از «ترکهای بحرانی» ترکهائی است که در صورت پیشرفت میتوانند به شکست قطعه منجر شوند.

از طرف دیگر، فرمول استحکام خمشی به دلیل دارا بودن توان دوم به ضخامت (ارتفاع یا d) حساستر است تا به پهنا (b). در شکل زیر روش آزمون و شکل نمونه ها برای اندازه گیری استحکام خمشی به روشهای سه نقطه ای و چهار نقطه ای آورده  شده است. برای دیدن فرمول و مشخصه (پارامتر)های اندازه گیری به شرح درج شده در شکل توجه نمائید.

از کتاب Modern Ceramic Engineering نوشتة D.W. Richerson – فصل ۵، صفحة ۱۸۱.

از نظر ریاضی، هر چه فاصلة تکیه گاهها کمتر باشد نیروی لازم برای شکست هم بیشتر میشود و برعکس. پس باید اعداد استحکامِ خمشی با فواصلِ L مختلف برابر باشند. اما به خصوص در مواد تُـرد (مانند سرامیکها و بیشترِ شیشه-سرامیکها)، اگر L زیاد باشد ترکهای بیشتری به حد بحرانی میرسند و قطعه در بارِ کمتری خواهد شکست. اگر استانداردها، L های مشخصی را بیان میکنند، به دلیل آن است که نتایج به دست آمده در مکانهای مختلف با هم قابل مقایسه باشند.

شمای دستگاه اندازه گیری استحکام خمشی سه نقطه ای ساخت شرکت گابریلی.

در صنعت کاشی L به اندازه ای است که از هر دو سر تکیه گاه یک سانتیمتر آزاد باشد (در مجموع، دو سانتیمتر). از طرف دیگر، چون ارتفاع و پهنا در دو سر قطعات معمولاً با هم متفاوت دارند و شکلِ مقطع عرضی قطعه به ذوزنقه بیشتر شباهت دارد تا مستطیلی؛ باید ابتدا نسبت به اندازه گیری میانگین عرض و ارتفاع اقدام شود و نتیجة به دست آمده در فرمول گذاشته شود.

آزمایندة استحکام خمشی، سری 401 – برای تعیین استحکام مکانیکی (یا مدول گسیختگی MOR) مواد اولیة سرامیکی خشک به کار میرود. استاندارد مرتبط با انجام آزمون و آماده سازی نمونه DIN 51 030 یا EN 100 میـباشد.