بخشی از مقاله
بررسي اثرات جايگزيني نفلين سيانيت با فلدسپار بر خواص نهايي پرسلان هاي نرم
چکيده :
با توجه به اهميت کاهش مصرف سـوخت و قيمـت تمـام شـده پرسـلان هـا، ارتقـاي خـواص مکـانيکي و بـه خصوص استحکام پرسلان ها در محدوده پخت پرسلان هاي نرم در طي سال هـاي اخيـر در حـال توسـعه و افزايش بوده است . در تحقيق پيش رو، ضمن بررسي تفاوت هاي فلدسپار و نفلين سيانيت مصرفي وموجـود در منطقه ، اثرات جايگزيني نفلين سيانيت با فلدسپار در توليد پرسلان هاي نرم نيز مورد بررسي قرار گرفتـه است . مقايسه آناليزهاي شيميايي اين دو ماده نشان دهنده ميزان بيشتر آلومينـا و اکـسيدهاي قليـايي نفلـين سيانيت نسبت به فلدسپارهاي رايج مصرفي در منطقه است . از سوي ديگر مطالعات نشان مي دهد جـايگزيني نفلين سيانيت با فلدسپار و بهينه سازي مقدار آن مي تواند منجر به توليد پرسلان هايي با استحکام مطلوب در دماي پخت پايين تر شود که مهم ترين عامل آن تفاوت در نوع و ميزان اکسيدهاي قليايي ايـن دو مـاده اسـت .
در اين تحقيق نمونه هاي مختلفي با مقادير يکسان نفلـين سـيانيت و فلدسـپار در دماهـاي C°١١٥٠-C°١١٠٠ (نزديک به دماي آغاز تشکيل مولايت )، C°١٢٥٠-C°١٢٠٠ (دماي رايج پخت پرسلان هاي نـرم ) پختـه شـده و خواص قطعات حاصل بررسي شده است . بررسي فازي نمونه هاي منتخـب بـه روش XRD انجـام شـده کـه نشان دهنده مقدار بيشتر فاز مولايت در نمونه حاوي نفلين سيانيت در شرايط بهينه مي باشد. در اين تحقيـق بررسي ريز ساختاري به روش SEM انجام شده است . دشواري انتخاب لعاب و بـاريکي محـدوده پخـت در صورت مصرف نفلين سيانيت به جاي فلدسپار از مهم ترين معايب اين جـايگزيني شناسـايي شـده اسـت . در نهايت علي رغم معايب شناسايي شده ، نتيجه تحقيقات نشان دهنده امکان جايگزيني نفلين سيانيت با فلدسـپار جهت دستيابي به خواص مطلوب پرسلان هاي نرم در دماهاي پايين تر پخت مي باشد.
کليدواژه :
پرسلان نرم ، نفلين سيانيت ، پرسلان با استحکام مطلوب .
١- مقدمه
نفلين سيانيت از نظر ترکيب شـيميايي مخلـوطي از نفلـين و فلدسـپارهاي قليـايي از دو نـوع پتاسـيک و سـديک مي باشد و با فرمول شيميايي تئوريک نشان داده مـي شـود. نفلـين سـيانيت تجـاري شـامل ٢٠% نفلين و حداقل ٦٠% فلدسپار مي باشد. از آن جايي که سنگ معدن نفلين سيانيت با کوارتز متبلـور نمـي شـود، بـر خلاف فلدسپار کوارتز آزاد اين ماده اوليه بسيار اندک و در بيـشتر مـوارد قابـل صـرف نظـر اسـت [١، ٢ و ٣].
سفيدي قطعات توليدي با استفاده از نفلين سيانيت منجر به اجراي طرح هايي مبني بر جايگريني فلدسـپار بـا ايـن ماده در صنعت کاشي و پرسلان مطرح شده است به طوري کـه گزارشـي مبنـي بـر جـايگزيني موفـق فلدسـپار سديک با نفلين سيانيت در کاشي هاي پخت سريع و پرسلاني ارائه شده است [٤ و ٥]. در تحقيق مـشابه ديگـري نيز نتايج جايگزيني نفلين سيانيت با فلدسپار به عنوان گداز آور در توليد چيني هتل ، نشانگر کاهش دمـاي پخـت مي باشد [٦].
مقدار و نوع گداز آور موجود سيستم سه تايي پرسلان ها علاوه بر خواص بدنه حاصل ، دماي پخت را نيـز بـه شـدت تحت تاثير قرار مي دهد. گداز آورها در دماهاي بالا تشکيل فاز شيشه داده و باعث آب بندي حفرات مي شـوند [٧ و ٨].
مقدار و جنس فاز مايع تشکيل شده خـواص مکـانيکي و شـوک پـذيري قطعـه را بـه شـدت تغييـر مـي دهـد [٩ و ١٠].
فلدسپارها رايج ترين گداز آور هستند. فلدسپار پتاسيک با فرمول شيميايي ذوب نامتجانس داشـته و ابتدا به لوسيت با فرمول شيميايي تبديل شده و در دماي بالاتر ذوب مي گـردد. فلدسـپار سـديک بـا فرمول شيميايي قدرت گداز آوري بيشتري در مقايسه با فلدسپار پتاسـيک دارد. ويـسکوزيته فـاز مايع حاصل از ذوب فلدسپار سديک کم تر است و از اين رو محدوده پخت باريک تراست . با وجود قـدرت گـداز آوري کم تر، به دليل محدوده ذوب وسيع تر، خطر دفورمگي کم تر و فراريت کم تر اکـسيد پتاسـيم فلدسـپار نـوع پتاسـيک در پرسلان ترجيح داده مي شود. نسبت اين دو نوع فلدسپار اثر زيادي بر شوک پـذيري فـاز شيـشه حاصـل دارد و نـوع پتاسيک مرغوب تراست از اين رو انتخاب نوع فلدسپار مصرفي با توجه بـه کـاربرد بـسيار مهـم اسـت [١١ و ١٢]. در پرسلان ها در دماي حوالي C١٠٠٠ – C٩٣٠ مولايت اوليه آغاز به تشکيل مي کند. مولايت اوليـه بـا فرمـول شـيميايي اصلي ترين فاز در تعيين خواص مکانيکي و شوک پذيري پرسلان نرم است . دماي تبـديل کامـل حـوالي C١٢٦٠ – C١٢٠٠ گزارش شده است . در مقايسه مي توان گفت مولايت اوليه از اسپينل حاوي آلومينا به همراه مقـدار کمتر سيليس است . باقيمانده سيليس آزاد به صورت کريستوباليت و حتي کوارتز در سيستم باقي مانده و باعـث افـت خواص مي شود بنابراين فازهاي موجود در پرسلان نرم مي تواند: مولايت ، کريستوباليت ، کوارتز و فـاز شيـشه باشـد
[١٣، ١٤ و ١٥]. درتکنولوژي جديد تلاش براي توليد پرسلان هاي نرم با خواص مطلوب به دليل کاهش مصرف انرژي ، افزايش طول عمر تجهيزات و کاهش قيمت تمام شده قطعه پر اهميت تر است . تحقيقات زيادي به منظور کاهش زمـان و دماي پخت صورت گرفته است . براي مثال راهکار افزودن مينرالايزرهـايي چـون اکـسيد روي بـراي بهبـود سـينتيک واکنش ارائه شده است . هر چند اين روش زمان پخت را کاهش مي دهد ولي به اندازه کاهش دمـا راه گـشا نمـي باشـند
[١٦، ١٧، ١٨ و ١٩]. در جايگزيني فلدسپار با نفلين سيانيت به دليل بيشتر بودن فلدسپار سـديک ، قـدرت گـداز آوري و سرعت ذوب در مقايسه با فلدسپار پتاسيک بيشتر است . کاهش کوارتز آزاد سيستم در مقايـسه بـا فلدسـپارها بـراي يکدستي ساختار، افزايش شوک پذيري و بهبود خواص مکانيکي از جمله استحکام از طريق کـاهش عيـوب سـاختاري بسيار مفيد است . بنابراين نفلين سيانيت مي تواند جايگزين مناسبي براي فلدسپار مصرفي پرسلان باشد [٢٠].
٢- عمليات تجربي
براي تعيين ترکيب پايه پرسلان مورد نظر، از طريق مطالعه منـابع مطالعـاتي موجـود محـدوده ترکيبـي کـائولن سوپر زنوز ٥٩ – ٧٣% و نفلين سيانيت %٢٤ – ٩ با مقدار ثابت سيليس %٧ انتخاب شد و %١٠ بال کلي آباده نيـز براي بهبود کارپذيري و پلاستيسيته و کمک به تشکيل فاز شيشه به ترکيب افزوده شد [٢١]. در جـدول ١ آنـاليز شيميايي خاک هاي مصرفي در اين تحقيق آورده شده است . دوغاب پس از روان سـازي بـه روش ريختـه گـري دوغاب شکل داده شد. ترکيب نمونه هاي پرسلاني منتخب نيز در جدول ٢ آورده شده است .
نمونه ها در دماهاي C١٢٥٠ – C١٢٠٠- (C١١٥٠ – C١١٠٠) بـا سـرعت C.min١٠ و ١٥ دقيقـه نگهـداري در حداکثر دما پخته شد. جذب آب و استحکام خمشي سه نقطه اي نمونه ها انـدازه گيـري شـد. دو نمونـه بـا هـر دو گدازآور نفلين سيانيت و فلدسپار تهيه شد و خواص آن ها با يکديگر مقايسه گرديد. به دليـل قـدرت گـداز آوري بيشتر و ذوب سريع تر زمان نگه داري در حداکثر دما کم تر از نمونه هاي حاوي فلدسپار (١ ساعت ) و بـه مـدت ١٥ دقيقه در نظر گرفته شده است . استحکام خمشي نمونه ها به روش سه نقطه اي اندازه گيري شد. ريز سـاختار نمونه بهينه با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني (i٤٤٠ LE) بررسي شد. بررسي و مقايسه فازهاي حاصـل ، بـا استفاده از پراش اشعه x انجام گرفت .
٣-يافته ها و بحث
خواص بدنه ها در دماي C١١٥٠ – C١١٠٠ که نزديک به دماي اوليه تشکيل مولايـت اسـت بررسـي شـده و در جدول ٣ و ٤ آورده شده است . نتايج ارائه شده در جدول ٣ نشانگر افزايش استحکام و کاهش تخلخل بـا کـاهش نفلين سيانيت از ٢٤% تا ١٨% است . با کاهش نفلين سيانيت از ١٨% تـا ٩% اسـتحکام کـاهش و جـذب آب افـزايش مي يابد. مقايسه دو نمونه SN١ و SF١ نشان دهنده استحکام بيشتر نمونه حاوي نفلين سيانيت اسـت . نتـايج ارائـه شده در جدول شماره ٤ نشان دهنده افزايش استحکام با کاهش درصد نفلين سـيانيت از ٢٤% تـا ٩% اسـت و در مقايسه دو نمونه SN١ و SF١ استحکام نمونه حاوي نفلين سيانيت بالاتر است . خواص بدنـه هـاي پرسـلاني پختـه شده در دماي C١٢٠٠ نيز در جدول شماره ٥ آورده شده است . نتايج نشان دهنده کـاهش اسـتحکام و افـزايش جذب آب با کاهش نفلين سيانيت از ٢٤% تا ١٥% است و با کاهش بيـشتر گـدازآور افـزايش اسـتحکام و افـزايش جذب آب مشاهده شده است . مقايسه دو نمونه SN١ و SF١ نشان دهنده استحکام بيـشتر نمونـه حـاوي فلدسـپار است . خواص بدنه هاي پرسلاني پخته شده در دماي C١٢٥٠ نيز در جدول شـماره ٦ آورده شـده اسـت . نتـايج نشان دهنده افزايش استحکام و کاهش جذب آب با کاهش نفلين سيانيت مصرفي است و مقايـسه دو نمونـه SN١ و SF١ نشان دهنده استحکام بيشتر نمونه حاوي فلدسپار است . نتايج آناليز فازي دو نمونه SN١ و SF١ پخته شده در دماي C١٢٠٠در تصوير ١ آورده شده است که نشان دهنده تغيير فاز عمده از کوارتز در نمونه SF١ بـه فـاز مرغوب تر مولايت در نمونه SN١ مي باشد. نتايج حاکي از اين است که نمونه SN٦ از نظـر اسـتحکام و جـذب آب نمونه بهينه است و تصاوير SEM نمونـه SN٦ پختـه شـده در دمـاي C١٢٥٠، در تـصوير ٢ بـا بزرگنمـايي هـاي مختلف آورده شده است .
