فرمول بندی بدنه خاک رس کاشی سرامیک

کاشی ها هم مثل خیلی از انواع دیگر ظروف سرامیکی، نیاز دارند به اینکه در برابر حرارت بالای کوره مقاوم باشند. کاشی های خشک باید آنقدر قدرت داشته باشند تا بتوانند در عملیات افزودن لعاب شرکت کنند و زنده بمانند!  در اینجا، معمولا به بدنه هایی نیاز داریم که در پایین ترین درجه حرارت ممکن، خیلی خوب پخته شوند. سطوح نهایی باید کاملا با دوام و بدون عیب باشند.  اگرچه، تحقیق و توسعه (R&D)، اغلب از سوی مدیران با فشارهایی برای پایین آوردن هزینه ها روبرو می شود. این معمولا بدین معناست که آنها می خواهند راههایی پیدا کنید که بتوان از موادی با کیفیت پایین تر استفاده کرد، دمای پخت در کوره را پایین آورد و کاشی های نازک تری تولید نمود. معنای دقیق تر آن هم، البته، مصالحه کاری بر سر کیفیت است.

صنعت کاشی و سرامیک و فرمول بندی بدنه

صنعت کاشی و سرامیک تاکنون بزرگترین استفاده کننده از بدنه خاک رس در بین کل سرامیک هاست. اگر شما یک تکنسین از بخش دیگری از صنعت کاشی و سرامیک باشید ، فرایند فشردن خاکی با 8% رطوبت تحت فشار 500 کیلوگرم بر سانتی متر مربع (Kg/Cm2)، به نظرتان غریب می رسد. شما ممکن است تعجب کنید از اینکه در این کاشی ها از چه نوع فرمولاسیون بدنه ای استفاده می شود. تعجب نکنید, اصولی که به کار میرود، آشناست. فرمولاسیون بدنه بستگی دارد به کیفیت کاشی هایی که یک شرکت می خواهد تولید کند. از رنگ که صرف نظر کنیم، کاشی ها در دو دسته بزرگ زیر قرار می گیرند:

1. بعد از پخت در کوره متخلخل هستند (پخت می تواند تکی یا دوتایی باشد), نمونه اینها کاشی بدنه است.
2. بعد از پخت بدون تخلخل هستند، مثل کاشی کف

بدنه های متخلخل دارای ترکیبات کلسیم یا منیزیم هستند پس، آنها در حین پخت، تولید فاز کریستالی جدید می کنند و این کریستالها مسئول قدرت مکانیکی هستند. معمولا در این کاشی ها، چروکیدگی خیلی کم یا در حد صفر است. ولی تخلخل از 10% بیشتر است.

برای بدنه های شیشه ای، قدرت مکانیکی، محصول فاز شیشه ای است که در حین پخت (از فلدسپارها) ایجاد می شود. این بدنه ها دارای مقادیر ناچیزی از ترکیبات کلسیم هستند و چروکیدگی در آنها معمولا بالاتر از 5% است. بدنه های قرمز و سفید می توانند از هر دو نوع باشند.

پخت گل رس در کوره آخرین مرحله فرایند تولید کاشی و سرامیک است

عوامل موثر بر فرمول بندی بدنه کاشی

تحقیق و توسعه (R&D) همیشه به دنبال راه هایی برای تولید بهترین کاشی ممکن، از موادی است که حتی المقدور اقتصادی باشند. بنابراین فرمولاسیون بدنه به شدت تحت تاثیر مواد خام قرار می گیرد. معمولا یا از مواد قابل دسترسی در محیط استفاده می شود و یا موادی که کم هزینه تر باشند. بنابراین، عجیب نیست که هر بدنه مانند یک دوخت سفارشی باشد (در زنجیره تولید کاشی، تجارت بخوبی سازماندهی شده است).

عوامل قراردادی هم اهمیت دارند. منظور نکاتی است که در قرارداد قید شده است. بعضی از تهیه کننده های ماشین آلات (مثلا ایتالیایی ها) معمولا اطلاعات لازم را در مورد اینکه چگونه می توان به کمیت و کیفیت مندرج در قرارداد عمل نمود، فراهم می کنند و این قرار داد است که فرمول بدنه را مشخص می کند. در سایر موارد، تهیه کننده ها به مشتری هایی که به آنها اعتماد دارند، اجازه می دهند تا فرمولاسیون بدنه های خود را مشخص کنند (مثلا شرکت های چینی).

فشار وارده برای به حداقل رسانیدن هزینه مواد و دستگاهها،  R&D را در تنگنا قرار می دهد

 همانطور که انتظار می رود، بدنه های سفید کاشی (بدنه هایی که بعد از پختن، رنگ آنها سفید است)، نسبت به سایر انواع سرامیک، به خاک رس کمتری نیاز دارند (معمولا 30 تا 40 درصد خاک رس و/یا کائولین)، چون آنها فرم پلاستیک نگرفته اند. در این شرایط، فضای بیشتری (40 تا 60 درصد) برای فلدسپار و حتی سایر مواد شار (مثل دولومیت یا کلسیم کربنات یا تالک صفر تا نیم درصد)، فراهم می شود. کربنات می تواند 10 یا بیشتر باشد (در مورد کاشی بدنه). نهایتا صفر تا 10 درصد کوارتز به کار می رود برای تنظیم انبساط حرارتی ( کمتر از سنگریزه های معمولی).

در حالی که کاشی های سفید پخته شده در حرارت بالا در عمل ایده آل هستند، ولی معمولا، مخصوصا هزینه مواد و حمل و نقل، نوع بدنه ای را که به کار می رود تعیین می کند. غالبا، فشاری که برای استفاده از محصولات ارزان قیمت تر محلی وارد می کنند، زیاد است. چون این مواد می توانند دربردارنده 50% هزینه کل محصول باشد. مثلا یک واحد تولیدی کوچک با خروجی 10000 متر مربع در روز تقویمی، به حدود 200 تن در روز از مواد بدنه نیاز دارد که قیمت آن حدود 15000 دلار آمریکاست.

بعضی وقت ها، بررسی های زمین شناسی و باز شدن معادن جدید و واحدهای فرآوری نیز، بخشی از یک پروژه کاشی هستند. این خود راه دیگری برای به حداقل رساندن هزینه های نقل و انتقال است. کارخانه های کاشی معمولا نزدیک معادن مواد خام ساخته می شوند. (مثلا تولید کاشی در آمریکا در نواحی نزدیک به معادن تگزاس یا تنسی انجام می شود).

با استثنا کردن خاک رس قرمز، بعضی از مواد، بازار بزرگی در صنعت کاشی دارند. به عنوان نمونه، در مورد بدنه های شیشه ای، در تمام کشورهای اروپایی، روسیه، خاورمیانه و حتی هند از خاک رس اوکراین استفاده می شود. یا، فلدسپار ترکیه بطور گسترده ای در تمام کشورهای مدیترانه و روسیه مورد استفاده قرار می گیرد.

اگر شما نگاهی به سمت پشتی یک کاشی کف لعابدار معمولی بیندازید، که معمولا در بسیاری از فروشگاههای کاشی پیدا می شود، متوجه می شوید که بیشتر، از خاک رس قهوه ای و قرمز ساخته شده اند که در حالت های مختلف شیشه ای شدن پخته شده اند. خیلی از تکنسین ها کاملا آگاه نیستند از اینکه این بدنه ها در درجه حرارت چقدر کمتر، می توانند بسوزند و هنوز قوی، سخت و حتی شیشه ای باقی بمانند.

برای R&D می تواند مشکل باشد که انگوب (زیر لعاب) سفید را با این کاشی ها تطبیق دهد به نحوی که در حالت های خشک و پخته، تناسب و چسبندگی لازم را داشته باشد. همچنین، گل های رسی که بعد از پخت قرمز هستند، می تواند محدوده خیلی باریک و فراری از حالت شیشه ای داشته باشد. خواص خاک رس محلی موجود می تواند خیلی متغیر باشد. در این مورد، R&D باید بسیار مواظب و هوشیار باشد. بخشی از راز پخت این بدنه ها، انجام سریع آن است.

بعضی شرکت ها از مواد محلی چشمگیر و قابلیت های زیادی برخوردار هستند و قادرند فرآیند را داخلی انجام دهند (مثل ترکیه). بعضی از لحاظ منابع و معادن فقیر هستند (مثل هند، و پاکستان) و بعضی هم  به یک کانال خوب توسعه یافته نزدیک، اعتماد می کنند (مثل اسپانیا).

وقتی خاک رس های موجود، الاستیسیته یا انعطاف پذیری کافی را نداشته باشند، در بسیاری از موارد، برای بهتر شدن استحکام مکانیکی از یک اتصال دهنده (binders) استفاده می کنند (کاشی های سبز بعد از فشار). به عنوان نمونه این اتصال دهنده ها می توان از لیگنین سولفونات, پلی آکریلات ها، پلی وینیل الکل، نشاسته, کربوکسی متیل سلولز، سدیم سیلیکات، بنتونیت نام برد.

اتصال دهنده های آلی می توانند مشکل مشخصی ایجاد کنند. اگر محتوای ماده آلی خاک رس زیاد باشد، می تواند در حین پخت در کاشی یک هسته سیاه ایجاد کند. از نظر xxxx بهترین اتصال دهنده، سدیم سیلیکات است و خاصیت جلوگیری از لخته شدن دارد و روانی ایجاد می کند و می تواند  مقاومت مکانیکی را بدون ایجاد هسته سیاه ایجاد کند و ارزان است.

در صنعت کاشی و سرامیک بسیاری از ویژگی های مهم باید مرتبا مورد کنترل و پایش قرار بگیرد

چیزی که نمی تواند در کاشی مورد مصالحه قرار بگیرد

شرکت ها باید تلاش کنند تا مواد بدنه ای، عاری از آلودگی ذرات باشد. بعضی ها با یک تلاش باور نکردنی، مراحل رطوبت گیری، پرس و خشک کردن را خودشان انجام می دهند. با این حال، برای بعضی ها، فشاری از سوی مدیریت، برای به حداقل رسانیدن پردازش اعمال می شود تا با این وسیله, هزینه های مواد و دستگاهها را کم کنند. در این شرایط، R&D در تنگنا قرار می گیرد. البته، در صنعت کاشی و سرامیک هم مثل یک بدن، بسیاری از ویژگی ها باید مرتبا مورد کنترل و پایش قرار بگیرد. اگر شما قصد دارید وارد این صنعت کاشی و سرامیک شوید، نیاز دارید اطلاعاتی در مورد کنترل خواص مواد، هم برای نگهداری ثبات و یکنواختی و هم کیفیت داشته باشید و به علاوه، باید بتوانید اینها را در مقابل هزینه ها گذاشته، بسنجید. مواردی که در کنترل تولید باید به آنها توجه کنید، عبارتند از:

خاک رس: پلاستیسیتی (انعطاف پذیر بودن)، چروکیدگی خشک، نمک های محلول؛ ذرات ریز، توزیع اندازه ذرات، مشخصات بلوغ پخت، و پیشروی رنگ در طیف وسیعی از زمینه ها، کانی شناسی و شیمی.

فلدسپار  و مواد مشابه: امکان پذیر بودن، شیمی

بدنه: ثبات و پایداری، استحکام خشک (استحکام اتصال)، رنگ پخته، استحکام پخته و تخلخل. چروکیدگی در پخت یک عامل مهم است. البته, این باید به حداقل ممکن برسد.

محصول پخته شده و تمام شده: تطبیق رنگ، نقص موجود در لعاب، صاف و مسطح بودن

اهل عمل بودن: همانطور که در مورد همه مصنوعات سرامیکی صادق است، در آزمایشگاه باید اهل عمل باشید. مثلا این بی معنی خواهد بود اگر وقتی مشکلات پلاستیسیتی و ذرات ریز در بدنه وجود دارد، با دستگاههای تجملی آزمایش های شیمی و معدن شناسی انجام دهید. یک صفحه پر از اعداد و ارقام آزمایشگاهی نمی تواند در درک خواصی نظیر پلاستیسیتی و شیشه زدایی (خروج از حالت شیشه ای) و فهم روابط بین شیمی و کانی شناسی و فیزیک، به شما هیچ کمکی بکند. مهمترین ویژگی، خواص فیزیکی است و غالبا انجام تست های ساده می تواند تغییرات کلیدی و کاری که باید انجام شود را به شما نشان دهد.

کپه ای از شمش های آزمایشی در آزمایشگاه خاک رس پلینزمن  Plainsman: یک دسته از شمش های آزمایشی پخته شده که به تازگی جوشانده و وزن شده اند. در این آزمایشگاه چروکیدگی خشک،  چروکیدگی پخت و تخلخل تست می شود. هر کپه، حاوی مخلوط متفاوتی از شمش های پخته شده در دماهای مختلف است. در سمت چپ اجراهای آزمایشی و در سمت راست محصول تولیدی است. هر شمش با یک شناسه (ID) و شماره نمونه (نمونه های مختلف درجه حرارت های مختلف هستند) مهر می شود. اندازه ها همه وارد اکانت گروه در سایت insight-live.com شده اند. هر قطعه بررسی و نتیجه آن ارزیابی می شود تا در مورد اقدامی بعدی مربوط به آن تصمیم گیری شود (مستند سازی در insight-live).

شمش های آزمایشی در آزمایشگاه خاک رس پلینزمن Plainsman: سه ترکیب بدنه کاشی و سرامیک مورد مطالعه قرار گرفته است. مواد خام مورد استفاده، مواد معدنی بومی و ضایعات صنعتی بوده است.  ویژگی های فیزیکو شیمیایی همه نمونه ها یی که تحت شرایط آزمایشگاهی تولید شده اند، مورد مقایسه و بررسی قرار گرفت. مشاهده شد که حذف کریستالین سیلیکا و متداول سازی اکسیدهای خاکی قلیایی در فرم مواد زائد و فازهای از پیش تعیین شده، باعث ایجاد بهبود در مراحل پخت و افزایش استحکام بعد از آن شده است.  نتایج بدست آمده در موارد جذب آب ، چروکیدگی پخت، ضریب انبساط حرارتی ، سختی، استحکام خمشی و مطالعات میکروسکوپ الکترونی، همگی بیانگر مناسب بودن این ترکیبات برای به کار گرفتن در کاشی کف و سرامیک بدنه است. افزایش سطحی که به دلیل چروکیدگی کمتر به دست می آید، در یکی از ترکیب های آزمایشگاهی با یک ترکیب تجاری مشابه مورد مقایسه قرار گرفت.